陳四樓煤礦高承壓水復(fù)雜工作面水害治理技術(shù)

李春陽 段李宏

（河南能源化工集團(tuán)永城煤電控股集團(tuán)有限公司）

陳四樓煤礦目前開采山西組二2煤層，煤層底板下伏石炭系太原組巖溶裂隙承壓水水壓為2～6.5 MPa，二2煤層與石炭系太原組上段L11灰?guī)r距離42 m左右。在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，二2煤底板受褶皺、斷層、裂隙等構(gòu)造破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致與太原組上段灰?guī)r含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，在采動(dòng)影響下造成工作面突水。尤其是水壓大于5 MPa，標(biāo)高在-600 m以下的南翼區(qū)域，構(gòu)造發(fā)育、巖漿巖零散分布，含水層富水性強(qiáng)，水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。陳四樓煤礦主要采取局部底板改造的方法進(jìn)行水害防治。實(shí)踐表明，自建礦以來，發(fā)生多次底板太原組灰?guī)r水突水，給礦井生產(chǎn)造成了較大的損失，通過長期的探索和實(shí)踐形成了一套完整的煤層底板水害綜合治理技術(shù)，即“瞬變電磁探測(cè)—底板改造鉆探—高壓注漿—瞬變電磁探測(cè)復(fù)探—底板改造效果驗(yàn)證”，對(duì)煤層底板太原組上段灰?guī)r承壓含水層進(jìn)行綜合治理，提高了防治水工程的針對(duì)性，有助于開采受水害嚴(yán)重威脅的煤炭資源，確保煤礦安全生產(chǎn)，降低防治水成本，具有重要的理論指導(dǎo)意義和較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

21701工作面位于陳四樓煤礦南翼十七采區(qū)，開采山西組二2煤層，工作面標(biāo)高范圍為-715.7～-515.4 m。工作面總體為一個(gè)單斜構(gòu)造，地層傾角為7°～21°，平均為16°，走向?yàn)楸北蔽鳌北睎|，傾向?yàn)槟衔魑鳌蔽魑鳌?1701工作面構(gòu)成充水影響的構(gòu)造主要為周邊區(qū)域斷層及工作面實(shí)際揭露斷層，下順槽臨近最大落差15 m的Fs5正斷層、切眼臨近最大落差19 m的Fs4正斷層，這2條斷層對(duì)太原組上段灰?guī)r的完整性影響較大；21701工作面在巷道掘進(jìn)時(shí)實(shí)際揭露8條斷層，均為正斷層，落差大于3 m（含3 m）的斷層有2條，落差大于1 m（含1 m）、小于3 m的斷層有2條，落差小于1 m的斷層有4條，見表1。太原組上段灰?guī)r含水層是二2煤層的主要間接充水含水層，其中，二2煤下距太原組距L8灰?guī)r75.9 m，距L9灰?guī)r70.2 m、距L10灰?guī)r58.6 m，距L11灰?guī)r42.2 m，這4層灰?guī)r平均厚度分別為14.4、4.6、4.8、1.5 m，太原組上段灰?guī)r靜水壓力達(dá)到5.0~5.8 MPa，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為了確保工作面安全回采，礦井進(jìn)行了底板注漿改造工程施工［1-8］。

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2 工程設(shè)計(jì)概況

2.1 設(shè)計(jì)目的

為消除21701工作面受底板灰?guī)r水威脅，采取物探、鉆探相結(jié)合的手段，沿工作面順槽大面積布置注漿鉆孔，通過鉆孔注漿來充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，將受注含水層改造為隔水層或弱含水層，同時(shí)增強(qiáng)煤層底板隔水層的強(qiáng)度，降低工作面底板出水的可能性，有利于工作面的安全回采。

2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）根據(jù)所需安全隔水層厚度確定，底板注漿改造終孔層位為L8灰?guī)r底部約90 m厚的地層。

（2）鉆孔布置在平面上采用放射狀展布，以斜孔為主。在剖面上長短結(jié)合，使鉆孔揭露的含水層段盡量長；盡量與斷層、裂隙垂直或斜交，穿過多個(gè)含水層（鉆場(chǎng)之間的鉆孔盡量進(jìn)行交叉布孔，以達(dá)到揭露的裂隙最多，避免出現(xiàn)注漿空檔）；終孔點(diǎn)輻射L8灰?guī)r含水層，空間上把煤層底板改造成箱形隔水單元，隔斷工作面深部與外圍導(dǎo)水構(gòu)造之間的水力聯(lián)系。

（3）鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制鉆孔傾角，減少布置傾角較大鉆孔，確保鉆孔最大程度揭露灰?guī)r與導(dǎo)水裂隙。

（4）鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，在平面上、剖面上充分考慮灰?guī)r覆蓋范圍，確保鉆孔覆蓋無盲區(qū)。

（5）按照整體加固并對(duì)物探異常區(qū)和構(gòu)造發(fā)育區(qū)重點(diǎn)布置鉆孔探查的原則，前期鉆孔以探查為主，鉆孔布置較為稀疏，共布置鉆孔87個(gè)，鉆孔密度為0.000 7個(gè)/m2，探明灰?guī)r含水層富水性及導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度，后期重點(diǎn)對(duì)富水異常區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行加密布置鉆孔，檢查和驗(yàn)證注漿效果。

（6）對(duì)出水量大于50 m3/h的鉆孔，L11、L10灰層位出水量大于20 m3/h且注漿量與出水量比值小于0.5的鉆孔和L8灰層位出水量大于30 m3/h的鉆孔，在控制區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔檢查和驗(yàn)證注漿效果。

（7）根據(jù)鉆孔的出水量、出水層位、注漿量和施工順序進(jìn)行綜合分析，對(duì)整體富水性較強(qiáng)、注漿效果較差的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔檢查和驗(yàn)證。最后序次施工的檢驗(yàn)、驗(yàn)證鉆孔效果，原則上以出水量小于10 m3/h為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 鉆孔設(shè)計(jì)

工作面共設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)13組（軌順7組，皮順6組），共設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)量87個(gè)（軌順48個(gè)，皮順39個(gè)），預(yù)計(jì)鉆探工程量為12 736 m。鉆孔實(shí)際施工中，根據(jù)鉆孔出水量和注漿量，適當(dāng)調(diào)整鉆孔參數(shù)及孔數(shù)；在掘進(jìn)過程中，根據(jù)實(shí)際煤層底板等高線發(fā)生變化及工作面物探結(jié)果，需要及時(shí)修改鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)或補(bǔ)加鉆孔，使鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)目的和效果。

3 施工質(zhì)量及技術(shù)要求

（1）施工單位接到本設(shè)計(jì)后，必須立即編制工作面底板改造作業(yè)規(guī)程，規(guī)程中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高壓注漿及高壓水起鉆時(shí)的安全注意事項(xiàng)，報(bào)生產(chǎn)科和有關(guān)科室及總工程師審批，并在隊(duì)內(nèi)貫徹學(xué)習(xí)、簽名。

（2）施工順序。每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔交叉施工，先施工奇數(shù)孔后施工偶數(shù)孔；奇數(shù)孔施工時(shí)，先施工大角度或與巷道夾角大的鉆孔，后施工小角度或與巷道夾角小的鉆孔；偶數(shù)孔作為檢查孔，確保對(duì)兩側(cè)相鄰奇數(shù)孔起到驗(yàn)證注漿效果和補(bǔ)充改造的作用。

（3）所有鉆孔必須下入二級(jí)套管，一級(jí)孔口管直徑為127 mm，二級(jí)孔口管直徑為108 mm，并且要分層進(jìn)行套管加固，透過套管后必須進(jìn)行耐壓試壓，壓力達(dá)到13 MPa無漏水現(xiàn)象，穩(wěn)壓30 min后，方可視為合格。

（4）每個(gè)鉆場(chǎng)最多只能同時(shí)施工3個(gè)鉆孔，并且只能1個(gè)鉆孔揭露含水層，第1個(gè)鉆孔注漿結(jié)束后，第2個(gè)鉆孔才能揭露含水層；相鄰2個(gè)鉆場(chǎng)的交叉孔，不能同時(shí)施工，防止出現(xiàn)串漿和孔口管事故。

（5）在鉆孔施工期間，孔口要安裝防噴反壓裝置，制定切實(shí)可行的鉆孔出水快速止水措施；鉆場(chǎng)附近要備有堵水材料（?89 mm孔口管、?73 mm孔口管、鋸末、麻捻等）；鉆場(chǎng)附近或巷道最低處安裝具有不小于300 m3/h的排水設(shè)備，并保證完好，可隨時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（6）施工時(shí)若鉆孔突然發(fā)生突水，施工單位要及時(shí)向調(diào)度室匯報(bào)，并詳細(xì)記錄出水位置、鉆孔深度，測(cè)出水壓、水溫、水量，并把詳細(xì)情況及時(shí)報(bào)生產(chǎn)技術(shù)科，必要時(shí)取樣交生產(chǎn)科送驗(yàn)，經(jīng)生產(chǎn)技術(shù)部門硏究同意后注漿或繼續(xù)鉆進(jìn)。

4 注漿鉆孔成果分析

21701工作面施工底板注漿改造鉆孔共計(jì)268個(gè)，鉆探總進(jìn)尺為37 513 m，總注漿量為23 124.25 t，所有鉆孔施工均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工期間未出現(xiàn)鉆孔工程質(zhì)量事故。施工期間共計(jì)出水394次，說明太原組上段灰?guī)r含水層富水性較強(qiáng)，巖溶裂隙較發(fā)育。

4.1 鉆孔出水量對(duì)比分析

所施工鉆孔總體出水量較大，施工鉆孔總數(shù)268個(gè)，鉆孔最大出水量為180 m3/h，出水量大于等于50 m3/h的鉆孔共96個(gè)，占鉆孔總數(shù)的35.8%；出水量大于等于20 m3/h、小于50 m3/h的鉆孔計(jì)91個(gè)，占鉆孔總數(shù)的34.0%；出水量大于10 m3/h、小于20 m3/h的鉆孔共20個(gè)，占鉆孔總數(shù)的7.5%；出水小于10 m3/h的鉆孔計(jì)61個(gè)，占鉆孔總數(shù)的22.7%。

從所施工鉆孔出水量統(tǒng)計(jì)分析，出水20 m3/h以上的鉆孔達(dá)到了鉆孔總數(shù)的69.8%。說明21701工作面煤層底板太原組上段灰?guī)r巖溶含水層富水性較強(qiáng)，且灰?guī)r巖溶裂隙較為發(fā)育。

4.2 鉆孔出水次數(shù)分析

出水鉆孔個(gè)數(shù)較多，單孔最多出水次數(shù)為8次，出水次數(shù)大于等于3次的鉆孔共47個(gè)，占鉆孔總數(shù)的17.5%；出水2次的鉆孔共57個(gè)，占鉆孔總數(shù)的21.3%；出水1次的鉆孔共103個(gè)，占鉆孔總數(shù)的38.4%，出水小于10 m3/h共61個(gè)，占鉆孔總數(shù)的22.8%。

從所施工鉆孔出水次數(shù)分析，灰?guī)r含水層層位出水率達(dá)到了77.2%，出水2次以上鉆孔占38.8%。

4.3 鉆孔注漿量分析

21701工作面注漿總量為23 124.25 t，單孔最大注漿量為688.6 t，單孔注漿量大于等于300 t的鉆孔16個(gè)，占鉆孔總數(shù)的6.0%；大于等于100 t、小于300 t的鉆孔62個(gè)，占鉆孔總數(shù)的23.1%；大于等于50 t、小于100 t的鉆孔共44個(gè)，占鉆孔總數(shù)的16.4%；小于50 t的鉆孔共146個(gè)，占鉆孔總數(shù)的54.5%。

從注漿量方面分析，21701工作面單孔平均注漿量86.1 t/孔，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，工作面整體注漿量較大，說明該工作面底板太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙較發(fā)育，鉆孔可注性較強(qiáng)，巖溶裂隙得到有效封堵。

4.4 不同序次鉆孔出水情況分析

21701工作面在施工過程中根據(jù)物探及三維地震資料，按照先期探查富水區(qū)域，后期加密布置鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充注漿改造，并在后期布置鉆孔進(jìn)行效果驗(yàn)證的方法施工，施工中根據(jù)鉆孔出水情況不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，從施工序次上，多數(shù)鉆場(chǎng)歷經(jīng)5個(gè)序次的施工。通過不同序次鉆孔出水、注漿情況分析，后期序次施工鉆孔出水量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，出水次數(shù)大于2次、出水量大于20 m3/h鉆孔所占比例大幅減小，注漿量較大，經(jīng)鄰近鉆孔鉆探驗(yàn)證，鉆孔注漿效果較好。

4.5 灰?guī)r出水量及注漿量分層分析

21701工作面在施工底板注漿改造工程期間共計(jì)出水394次，該工作面底板太原組上段灰?guī)r含水層富水性較強(qiáng)，巖溶裂隙較發(fā)育。其中L11灰?guī)r層位出水87次，占出水總次數(shù)的22.1%，最大出水量為120 m3/h，總注漿量5 009 t，占注漿總量的23.1%；L10灰?guī)r層位出水182次，占出水總次數(shù)的46.2%，最大出水量為180 m3/h，總注 漿量 為11 052 t，占 注漿 總量 的50.8%；L8灰?guī)r層位出水125次，占出水總次數(shù)的31.7%，最大出水量為140 m3/h，總注漿量為5 670 t，占注漿總量的26.1%。工作面底板L11、L10、L8灰?guī)r層出水次數(shù)比值為1∶2∶1.4；注漿量比值為1∶2.2∶1.1。

通過施工鉆孔數(shù)據(jù)分析，21701工作面鉆孔設(shè)計(jì)終孔層位為L8灰?guī)r，并對(duì)L11、L10灰?guī)r出水量較大的區(qū)域加密鉆孔布置，從出水次數(shù)上分析，L10、L8灰?guī)r出水次數(shù)明顯大于L11灰?guī)r；從出水量上分析，L11、L10灰?guī)r平均出水量基本一致，且明顯大于L8灰?guī)r；從鉆孔可注性上分析，L11、L10灰?guī)r出水點(diǎn)可注性明顯優(yōu)于L8灰?guī)r。說明工作面內(nèi)L11灰?guī)r呈現(xiàn)富水不均一的特點(diǎn)，L11灰?guī)r裂隙發(fā)育不均一，局部區(qū)域易與L10灰?guī)r發(fā)生水力聯(lián)系；L10灰?guī)r富水性較強(qiáng)，且較為均一；L8灰?guī)r含水層富水性較為均一，但富水性比L10灰?guī)r弱。綜合以上情況分析，L10灰?guī)r含水層為21701工作面的主要富水含水層，該含水層水量大，裂隙較為發(fā)育，鉆孔出水后可注性較好。

5 水害效果治理評(píng)價(jià)

5.1 物探、鉆探驗(yàn)證方法評(píng)價(jià)

21701工作面主要采用物探及鉆探相結(jié)合的方法指導(dǎo)優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)，該工作面共進(jìn)行了3次物探，施工過程中先布置鉆孔對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行探查。經(jīng)探查，部分區(qū)域鉆孔出水呈現(xiàn)出水量大、出水次數(shù)多、水壓較大的特征，且出水點(diǎn)呈面狀密集形態(tài)，為確保施工質(zhì)量可靠，工程施工中分序次針對(duì)出水量大的異常區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)補(bǔ)孔，增加鉆孔施工密度，提高注漿效果，補(bǔ)加鉆孔施工過程中較上序次鉆孔出水情況減小，最后施工的驗(yàn)證鉆孔出水量、出水次數(shù)均大幅減小。

21701工作面共計(jì)施工鉆孔268個(gè)，鉆探總進(jìn)尺為37 513 m，總注漿量為23 124.25 t，施工時(shí)對(duì)出水量較大的L10、L11灰?guī)r含水層加密布置鉆孔，鉆孔終孔層位為L8灰?guī)r含水層，鉆孔密度達(dá)到0.002個(gè)/m2，鉆孔密度較大，使鉆孔對(duì)工作面L8、L10、L11灰?guī)r含水層做到了全覆蓋，其中鉆孔揭露L11、L10、L8灰?guī)r間距最密處分別達(dá)到了9，7，15 m，含水層施工過程中鉆孔出水量、注漿量均較大，富水含水層以L10灰?guī)r為主，鉆孔出水后地面注漿期間，及時(shí)調(diào)整漿液濃度，且注漿終壓不小于13 MPa，確保了注漿改造質(zhì)量。后期根據(jù)鉆孔的出水量、出水層位、注漿量、施工順序進(jìn)行了綜合分析，對(duì)整體富水性較強(qiáng)、注漿效果較差的區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)孔檢查和驗(yàn)證，得出鉆孔在L8灰?guī)r的出水量小于30 m3/h，在L11、L10灰?guī)r的出水量均小于20 m3/h；在鉆孔施工達(dá)到終孔深度后，對(duì)每個(gè)鉆孔均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，所有鉆孔封孔質(zhì)量合格。

綜合以上分析評(píng)價(jià)，說明該工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，底板灰?guī)r含水層富水性強(qiáng)，裂隙較為發(fā)育，施工期間重點(diǎn)對(duì)斷層附近灰?guī)r含水層及底板裂隙、物探異常區(qū)和鉆探富水區(qū)進(jìn)行了注漿改造，注漿量較大，經(jīng)過后期鉆探驗(yàn)證，工作面底板灰?guī)r含水層改造效果較好，有效封堵了煤層底板導(dǎo)水裂隙，將二2煤層底板至L8灰?guī)r底部約為90 m的3層灰?guī)r含水層改造成了有效隔水層及弱含水層。

5.2 突水系數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)三維地震資料及21701工作面掘進(jìn)時(shí)實(shí)際揭露資料，工作面內(nèi)僅發(fā)育8條落差較小的斷層，構(gòu)造發(fā)育程度一般，臨界突水系數(shù)取為0.1 MPa/m。由鉆孔施工情況已知工作面底板灰?guī)r含水層實(shí)測(cè)水壓值為3.0～5.0 MPa，根據(jù)突水系數(shù)計(jì)算公式:

式中，T為突水系數(shù)，MPa/m；P為保護(hù)層底板承受的水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

計(jì)算該工作面突水系數(shù)T=5.0 MPa/90 m=0.056 MPa/m（水壓取最大值）。經(jīng)計(jì)算，該工作面經(jīng)底板改造后突水系數(shù)遠(yuǎn)小于0.1 MPa/m，底板注漿改造效果較好，達(dá)到了預(yù)期要求，可以安全回采［9-10］。

6 結(jié)論及建議

21701工作面底板注漿改造期間通過加密布置鉆孔，對(duì)物探異常區(qū)、富水異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)進(jìn)行了重點(diǎn)注漿改造，工作面注漿量很大，且后期施工驗(yàn)證鉆孔期間出水量、出水次數(shù)均大幅減小，工作面底板灰?guī)r含水層改造效果較好?；夭善陂g需對(duì)部分問題進(jìn)行關(guān)注，具體注意事項(xiàng)如下。

（1）工作面切眼東側(cè)臨近2502工作面采空區(qū)有動(dòng)水約為15 m3/h，21701下順在施工期間在迎頭施工引流孔，連接引水管后將該動(dòng)水引入21701下順槽水溝內(nèi)，回采期間需超前連接排水管路，并堅(jiān)持觀測(cè)孔內(nèi)水量變化情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)匯報(bào)生產(chǎn)科。

（2）該工作面鉆孔出水次數(shù)較多、局部區(qū)域出水深度較淺，雖地面注漿量很大，但在構(gòu)造發(fā)育處，受擾動(dòng)破壞后，易破壞煤層底板隔水層，回采至該區(qū)域時(shí)需加快回采速度，減小擾動(dòng)破壞深度。

（3）加強(qiáng)工作面涌水量觀測(cè)，尤其是過斷層期間，發(fā)現(xiàn)斷層附近裂隙滲水，工作面涌水量增大等異常情況時(shí)，需立即匯報(bào)，經(jīng)分析后及時(shí)采取措施。

（4）加強(qiáng)工作面排水路線的檢查，及時(shí)清理兩巷水溝，保證排水路線暢通。