底板注漿效果及突水危險性評價法在趙固二礦的應(yīng)用

慕松利，李鵬飛，耿浩博，韓久方

(1.焦作煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，河南 焦作 454002；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

焦作礦區(qū)是我國的大水礦區(qū)，下組煤工作面采掘生產(chǎn)受高地應(yīng)力、高水壓、高水量、弱薄隔水層的嚴(yán)重制約。為保證礦井安全生產(chǎn)，工作面需進底板注漿改造，以切斷含水層之間水力聯(lián)系、增大隔水層厚度、提高底板巖體強度。雖然底板注漿改造在焦作礦區(qū)已應(yīng)用多年，但注漿加固后對底板注漿效果的評價及注漿后的突水危險性評價方法焦作礦區(qū)至今沒有形成一個統(tǒng)一的量化體系。多年來，我國學(xué)者已提出了許多注漿加固的檢測及評價方法，其中，穆祥仁[1]通過分析超聲波檢測巖體注漿前后波速增加量，給出了注漿效果的定量評價標(biāo)準(zhǔn)。楊鑫[2]應(yīng)用物探、鉆探、滲透系數(shù)檢測，數(shù)值鉆孔電視、P-Q-t法對工作面底板注漿效果進行了綜合評價。吳基文等[3]通過鉆孔震波檢層法對工作面注漿前后正常區(qū)和異常區(qū)注漿效果進行了評價，得出了波速與注漿加固效果的函數(shù)關(guān)系。李建國等[4]利用瞬變電磁法對采空區(qū)注漿效果進行勘探，通過電阻率的變化差值評價注漿效果。王德明等[5]為進行隧道及地下工程地質(zhì)災(zāi)害注漿治理的效果評價，降低開挖風(fēng)險，提出了一種注漿效果綜合評價方法。楊志斌、董書寧[6]采用鉆孔高壓壓水試驗方法，對太原組灰?guī)r堵水注漿效果進行了定量評價。張民慶、張文強[7]結(jié)合大量的工程實踐，對各種注漿檢查方法應(yīng)用效果進行了探討，提出了各種注漿技術(shù)的檢查方法和標(biāo)準(zhǔn)。林旭東[8]為有效預(yù)測煤礦奧灰突水，在MTI奧灰水監(jiān)測預(yù)報方法的基礎(chǔ)上，提出了煤礦井下奧灰水突水危險的判別方法。何富連[9]通過現(xiàn)場鉆孔窺視和礦壓觀測結(jié)果研究了巷道群底板注漿加固后的圍巖穩(wěn)定性。馬冰等[10]采用低壓注漿和高壓滲透注漿相結(jié)合的方法，提高了破碎巷道圍巖的整體性和承載能力。上述學(xué)者在注漿效果評價過程中采用的手段及方法較為單一且缺乏相互照應(yīng)性。許延春團隊在焦作礦區(qū)數(shù)十年的底板注漿防治水工程實踐基礎(chǔ)上，先后建立了底板注漿加固“孔隙-裂隙升降型”力學(xué)模型[11]；利用超聲波檢測技術(shù)現(xiàn)場探測了底板“原巖—注漿—開采”全過程中底板巖體彈性模量，得到了注漿增強及開采損傷對底板巖體彈性模量的影響規(guī)律[12，13]；通過分析注漿加固技術(shù)原理、注漿加固底板突水力學(xué)模型、注漿加固效果及檢測方法，對我國大水礦區(qū)回采工作面底板注漿加固防治水技術(shù)進行了研究[14]?；谠诮棺鞯V區(qū)多年的科研工作，近年來許延春團隊結(jié)合焦作礦區(qū)5個主要礦井(4個發(fā)生過突水，1個未突水)，13個典型工作面(9個有過突水)，22個突水危險區(qū)域，共計2245個工作面底板注漿孔的工程信息庫進行了提煉與分析，構(gòu)建了“2種影響類型、7個影響因子、8種解析圖形、3類影響指標(biāo)顯隱性劃分、1種突水評價方法”的注漿工作面底板突水危險性綜合評價方法[15]，本文是此方法在焦作礦區(qū)工作面底板突水危險性評價及注漿效果評價方面的首次應(yīng)用。

1 工程背景

趙固二礦14030工作面地面標(biāo)高+75.3～+77.8m，工作面標(biāo)高-660～-752m，二1煤層平均厚度6.4m，傾角4°～6°，工作面采用走向長臂大采高一次采全厚采煤法。共探測到7條斷層，最大落差3m，最大延伸長度226m，底板含水層位置如圖1所示。L8灰?guī)r含水層水位標(biāo)高為-205.5m，水壓4.8～5.7MPa，屬含水程度中等含水層。L2灰?guī)r含水層水位標(biāo)高-115.8m，水壓6.4～7.4MPa。O2灰?guī)r含水層水位標(biāo)高+56.1m，水壓8.4～9.4MPa。正常情況O2灰?guī)r不影響二1煤層開采，斷層及裂隙帶溝通情況下對礦井威脅大。

圖1 14030工作面底板含水層相對位置(m)

2 底板突水危險性分析及注漿效果評價

14030工作面回風(fēng)巷長2131m，運輸巷長2293m，切眼長205m，總面積417804m2，底板注漿鉆孔設(shè)計布置數(shù)量為473個，工作面設(shè)計最大注漿加固深度為煤層底板以下95m(L2灰?guī)r頂板)，目的是切斷L2灰?guī)r與L8灰?guī)r之間的水力聯(lián)系。

2.1 工作面注漿前突水危險性分析

2.1.1 工作面突水危險區(qū)劃分

危險區(qū)劃分以鉆孔出水點涌水量為依據(jù)，采用就高原則。參考焦作礦區(qū)工程經(jīng)驗，當(dāng)涌水量≥30m3/h，以出水點為中心，沿走向前后15m范圍為嚴(yán)重危險區(qū)；當(dāng)30m3/h>涌水量≥10m3/h，以出水點為中心，沿走向前后10m范圍為中等危險區(qū)，其余為低危險區(qū)。

圖2 14030工作面危險區(qū)劃分

未注漿前工作面突水危險程度區(qū)域劃分如圖2所示。工作面共含6個嚴(yán)重危險區(qū)，分別距回風(fēng)巷開切眼距離為Ⅰ號1382.10～1412.10m、Ⅱ號1246.60～1276.60m、Ⅲ號1075.30～1143.70m、Ⅳ號1007.20～1037.20m、Ⅴ號633.90～663.90m、Ⅵ號527.40～557.40m，總面積4392.74m2，約占工作面總面積的10.5%，且嚴(yán)重危險區(qū)位置相對分散，可降低底板突水危險性。共含8個中等危險區(qū)，距回風(fēng)巷開切眼221.20～242.20m、318.10～338.10m、508.57～510.57m、619.80～633.80m、925.70～945.70m、961.70～1007.20m、1055.30～1080.70m、1423.10～1450.60m，總面積3485.95m2，約占工作面總面積的8.3%；剩余區(qū)域為低危險區(qū)，約占工作面總面積的81.2%。工作面嚴(yán)重危險區(qū)及中等危險區(qū)工作面占比為19.8%。

2.1.2 工作面水量-水壓走向分布

工作面水量-水壓沿工作面走向方向分布如圖3所示。其中代表工作面嚴(yán)重危險區(qū)的鉆孔共有7個，孔均涌水量、水壓分別為54m3/h、5.28MPa，孔均壓力大于L8小于L2灰?guī)r含水層水壓，表明涌水量大的鉆孔受L2灰?guī)r的補給。代表中等危險區(qū)的鉆孔共有11個，孔均涌水量、水壓分別為17.8m3/h、5.06MPa，孔均壓力處于L8灰?guī)r含水層水壓范圍內(nèi)，表明中等危險區(qū)以L8含水層涌水為主。代表低危險區(qū)的鉆孔，共有17個，孔均涌水量、水壓分別為2.1m3/h、4.12MPa，低于L8灰?guī)r含水層水壓，表明低危險區(qū)鉆孔涌水以L8頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖裂隙水為主。

圖3 工作面水量-水壓分布

此外，涌水量大于100m3/h的Ⅴ號危險區(qū)無斷層影響，水壓較低，接近L8灰?guī)r含水層水壓；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號危險區(qū)均受斷層影響，水壓接近L2灰?guī)r含水層水壓。

由上述可知：嚴(yán)重危險區(qū)主要受L2含水層影響，中等危險區(qū)主要受L8含水層影響，弱危險區(qū)主要受底板L8上部裂隙水影響，嚴(yán)重危險區(qū)多處于斷層帶內(nèi)。

2.1.3 工作面底板含水層導(dǎo)(含)水性

14030工作面底板不同垂深的出水情況分別如圖4、圖5、圖6所示。反應(yīng)底板不同垂深的含水性。

圖4 終孔垂深分布

圖5 不同垂深注漿前累計出水次數(shù)

圖6 不同垂深注漿前累計涌水量

由圖4可知實際施工合格的鉆孔均穿過L8灰?guī)r含水層，多數(shù)鉆孔終孔位置為L2灰?guī)r含水層頂板，有少數(shù)鉆孔穿過L2灰?guī)r含水層，滿足設(shè)計要求。

由圖5可知工作面底板鉆孔注漿前出水點在L8與L2含水層及其導(dǎo)升帶附近較為集中。

由圖6可知鉆孔注漿前在L8灰?guī)r含水層附近，區(qū)域累計涌水量達到第一個峰值，為138.50m3/h；在L2灰?guī)r含水層附近，區(qū)域累計涌水量達到第二個峰值，為566.90m3/h。

在L8灰?guī)r含水層附近累計出水次數(shù)為40次，累計涌水量為218.80m3/h，單次平均涌水量5.47m3/h；在L2灰?guī)r含水層附近累計出水次數(shù)為177次，累計涌水量為460.71m3/h，單次平均涌水量2.60m3/h。

由上述可知：①工作面注漿前底板出水點主要位于深部L2灰?guī)r含水層及其導(dǎo)升帶附近，含水性中等，距離二1煤較遠(yuǎn)，突水危險性相對較低；②L8與深部L2灰?guī)r含水層層位之間出水點少、水量小，說明含水層沒有密切的水力聯(lián)系，補給性不強；③L8灰?guī)r含水層雖然出水次數(shù)較少，但平均涌水量大，含水性強，距離二1煤近，突水危險性中等。

2.1.4 嚴(yán)重危險區(qū)底板含水層導(dǎo)(含)水性

為分析6個嚴(yán)重危險區(qū)出水點展布特征、鉆孔涌水量變化及含水層之間的水力聯(lián)系，定義其含水類型。以Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)為例，對區(qū)內(nèi)注漿鉆孔進行分析，得出底板不同垂深的出水情況，如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)終孔垂深分布

圖8 Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)底板不同垂深累計出水次數(shù)

圖9 Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)底板不同垂深累計涌水量

由圖7可知，Ⅵ號危險區(qū)施工鉆孔均穿過L8灰?guī)r含水層，多數(shù)鉆孔探及到L2灰?guī)r含水層且有一部分鉆孔穿過L2灰?guī)r含水層。

由圖8可知，Ⅵ號危險區(qū)底板在L2和L8灰?guī)r含水層附近均有出水點。

由圖9中L8和L2含水層標(biāo)注位置可知，Ⅵ號危險區(qū)淺部L8灰?guī)r含水層有大的涌水點，深部L2灰?guī)r含水層及L2導(dǎo)升帶附近均有涌水現(xiàn)象，深部單次平均涌水量為16.5m3/h，明顯小于淺部單次平均涌水量28.7m3/h。

綜上所述，Ⅵ號危險區(qū)含水類型為L8和L2含水，定義為U型，突水危險性中等。

含水類型的定義主要以終孔位置達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔揭露出水點相對于L8、L2含水層的集中度為參照，對其進行劃分。分布類型及特征見表1。

表1 嚴(yán)重危險區(qū)底板含水分布類型

根據(jù)表1，結(jié)合Ⅵ號嚴(yán)重危險區(qū)分析方法，對其余嚴(yán)重危險區(qū)進行分析，得到6個嚴(yán)重危險區(qū)注漿前底板含水類型，見表2。

表2 14030工作面嚴(yán)重危險區(qū)含水類型

2.2 工作面注漿加固效果評價

2.2.1 斷層帶、正常帶單位面積注漿量

工作面內(nèi)受DF25、F184、F186、F188、F189、F151等斷層影響，故以斷層為界，將14030工作面注漿區(qū)域分為斷層影響帶及正常帶，如圖10所示。

圖10 14030工作面注漿區(qū)域劃分

由圖10可知，嚴(yán)重危險區(qū)多位于工作面斷層影響帶內(nèi)。圖中正常帶面積為403086m2，占總面積的96.47%。實際注漿鉆孔337個，注入干料總計4921.80t，單位面積注入干料0.012t/m2，均孔注入干料14.69t。斷層影響帶總面積14718m2，占總面積的3.53%，實際注漿鉆孔65個，注入干料總計3184.10t，單位面積注入干料0.22t/m2，均孔注入干料49t。

由于底板注漿深度已基本確定，單位面積注漿量可反映底板立體加固情況。為了直觀反應(yīng)工作面正常帶底板注漿效果，對焦作礦區(qū)9個突水注漿工作面單位面積注漿量進行分析后，發(fā)現(xiàn)正常帶單位面積注漿量Q正≥0.10t/m2時，注漿前底板巖體孔隙較發(fā)育，導(dǎo)水性較強，注漿后孔隙封堵效果好，導(dǎo)水性減弱，但仍存在突水的可能性，Q正越大突水可能性越??；當(dāng)Q正<0.10t/m2時注漿前底板孔隙不發(fā)育，導(dǎo)水性不強，注漿后孔隙基本得到封堵，突水可能性小。14030工作面正常帶單位面積注入干料0.012t/m2，因此，可說明工作面正常帶注漿前孔隙較發(fā)育，注漿后孔隙得到良好封堵，突水性減弱。為了直觀反應(yīng)工作面斷層影響帶底板注漿效果，定義注漿系數(shù)Z為工作面斷層影響帶注漿效果的量化標(biāo)準(zhǔn)，Z表示斷層帶單位面積注漿量Q斷與正常帶單位面積注漿量Q正的比值。Z越大表明斷層帶注漿效果越好。

Z=Q斷/Q正

(1)

根據(jù)式(1)，14030工作面斷層帶注漿系數(shù)計算結(jié)果為18.3，說明斷層影響帶內(nèi)底板巖層裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性好，同時斷層帶底板注漿系數(shù)大，也說明注漿效果良好，發(fā)生突水事故的可能性減小。

2.2.2 工作面鉆孔水壓與累計注漿量變化

鉆孔水壓與累計注漿量如圖11所示，圖11中O-A段，工作面注漿初期鉆孔水壓較低，多在L8含水層水壓范圍區(qū)間內(nèi)，少數(shù)鉆孔略高或略低于L8含水層水壓，沒有超過L2含水層水壓的鉆孔，注漿曲線呈上凹型，注漿工作經(jīng)歷初始升高段；A-B段，出現(xiàn)高水壓鉆孔數(shù)量增加低水壓鉆孔減小的現(xiàn)象，累計注漿量曲線呈下凸型，注漿的漿液總量減小，注漿工作面經(jīng)歷平穩(wěn)過渡階段；B-C段，低水壓鉆孔數(shù)目明顯減小，大部分鉆孔水壓集中在了L2含水層峰值水壓附近，并且波動較小，底板水壓受多孔注漿的影響，整體增大，累計注漿曲線呈近似直線型，注漿工作經(jīng)歷多孔注漿相互影響階段；C-D段，工作面水壓基本穩(wěn)定，累計注漿曲線呈近水平直線，注漿工作進入終壓穩(wěn)固段。

圖11 鉆孔水壓與累計注漿量

累計注漿量曲線斜率可以反應(yīng)注漿工作的集中性，注漿工作集中度越高的區(qū)域，高水壓鉆孔越多；底板巖溶裂隙發(fā)育及連通性與漿液擴散范圍呈正相關(guān)，且連通性越好水壓受多孔注漿影響越明顯。

2.2.3 嚴(yán)重危險區(qū)“三參量”注漿變化

圖12 Ⅵ危險區(qū)各鉆孔“三參量”變化特征圖

工作面內(nèi)嚴(yán)重危險區(qū)鉆孔的最大出水量、最高水壓及單孔注漿量3個參量受鉆孔施工先后順序影響較為明顯，通過分析這3個參量(以下簡稱“三參量”)隨施工順序的動態(tài)變化關(guān)系，判斷底板注漿加固效果及突水危險可能性。三參量注漿情況進行簡化描述過程中被劃分為高、中和低3個等級，其中，水壓以L8、L2水壓為參考值，劃為高中低三檔，水量以30m3/h、80m3/h為參考值，劃為高中低三檔，注漿量以鉆孔涌水量數(shù)值的1倍、1.5倍為參考劃為高中低三檔。三參量分析仍以Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)為例，其余嚴(yán)重危險區(qū)分析方法與其相同。

從圖12可看出，Ⅵ危險區(qū)開始階段為低水壓、高水量和高注漿量的鉆孔，注漿量均達到涌水量數(shù)值的1.5倍以上，注漿效果好。隨著斷層帶注漿工作的進行，區(qū)域內(nèi)后續(xù)施工鉆孔水壓、水量和注漿量均有所下降，結(jié)束時為低水壓、低水量和低注漿量。說明注漿有效封堵底板內(nèi)部裂隙，使底板巖層完整性增加，含水性和導(dǎo)水性下降，因此注漿效果好。

根據(jù)三參量評價標(biāo)準(zhǔn)及Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)三參量注漿變化分析方法，對其余嚴(yán)重危險區(qū)進行分析，得到6個嚴(yán)重危險區(qū)三參量評價結(jié)果見表3。

通過分析嚴(yán)重危險區(qū)三參量注漿效果，得出6個嚴(yán)重危險區(qū)注漿效果均為“好”。

表3 嚴(yán)重危險區(qū)注漿效果 “三參量”評價

3 工作面注漿效果及突水危險性綜合評價

根據(jù)上述2種類型，7個影響因子，8種解析圖形，1種評價方法分析得到的結(jié)果，對工作面整體注漿效果及突水危險性進行評價，結(jié)果見表4。

表4 14030工作面突水危險性及注漿效果綜合評價

4 結(jié) 論

1)工作面底板以深部L2灰?guī)r含水層及其導(dǎo)升帶出水為主，含水性中等，距離二1煤底板較遠(yuǎn)，突水危險性低；L8灰?guī)r含水層出水次數(shù)較少，但平均涌水量大，含水性強，距離二1煤底板較近，突水危險性中等；二者之間無暢通的水力聯(lián)系。

2)工作面內(nèi)含6個嚴(yán)重危險區(qū)，多受到斷層影響，以L2含水層出水為主，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ嚴(yán)重危險區(qū)含水性為J型，突水危險性低；Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ嚴(yán)重危險區(qū)含水性為U型，突水危險性中等，三參量對6個嚴(yán)重危險區(qū)注漿評價效果為“好”。

3)工作面正常帶單位面積注漿量為0.012t/m3，斷層帶為0.220t/m3，注漿系數(shù)為18.3，注漿工程經(jīng)歷了初始平衡—注漿平穩(wěn)—相互影響—終壓穩(wěn)固四個階段，工作面注漿效果綜合評價結(jié)果為“好”，突水危險性綜合評價為“較低”。