大體積人工阻水墻體在治理老空水中的應用

秦立濤， 楊 猛， 韓 暖

(1.中煤地華盛水文地質勘察有限公司第二分公司，河北邢臺 054000； 2.冀中能源邯鄲郭二莊礦，河北邯鄲 056000)

煤炭資源在我國能源結構中占據(jù)不可替代的戰(zhàn)略位置，根據(jù)《中國可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略》到2050年，煤炭所占比例不會低于50%，依然占據(jù)主要位置。但是，受歷史原因影響，大量小煤礦開采形成的老空水對礦井防治水安全造成嚴重影響。據(jù)統(tǒng)計，2000年煤礦企業(yè)數(shù)量35 159座，小型和小礦數(shù)量34 643座，占比98.5%[1]。截至2020年底我國煤礦數(shù)量經(jīng)關停整合減小為4 700座[2]，30 459座被關小礦遺留下大量老空積水隱患，也使得老空水害問題更加突出。據(jù)山西省有關統(tǒng)計，2010—2016年較大水害事故中老空水害事故起數(shù)占比86.08%，老空水害造成的遇難人數(shù)占比91.70%[3]。在山西省第二輪煤炭兼并重組整合以后，較大以上水害事故起數(shù)和遇難人數(shù)占比比兼并重組前分別上升25.53%和43.69%[3]。老空水害的防治問題將是未來礦井防治水安全開采的重中之重。

《煤礦防治水細則》要求采取“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施，也有人提出“放、堵、隔”的“三治”源頭對策[4]，但以上“堵”的思路基本都是對含水層或破碎帶裂隙進行封堵。薛建坤利用靶向帷幕注漿治理導水斷層，陳少帥等利用預注漿封堵圍巖裂隙，翟麗娟利用地面區(qū)域治理對底板含水層改造等[5-7]；在老空水封堵方面，于文杰對明斜井兩側老空區(qū)進行注漿建墻[8]，朱明誠利用筑壩、加固、引流注漿也實現(xiàn)了老空水封堵[9]?；凇胺舛隆彼悸?，針對山西省陽泉固莊煤礦15709掘進巷道存在的大空洞巷道導水引發(fā)的老空水害問題，提出了通過鉆孔巷道注漿人工建立阻水墻體，封堵老空積水區(qū)域，有效隔離水害來源，疏堵結合防治老空積水的治理思路，取得良好效果。

1 大體積人工阻水墻體技術

1.1 理論依據(jù)

大體積人工阻水墻體是在以往采掘工程基礎上，選取關鍵導水巷道進行注漿，建立人工阻水墻體。該阻水墻體除能起到阻隔水作用以外，還應能夠承受一定的側向水頭壓力，阻水墻體成功與否關鍵在于厚度確定，其理論依據(jù)與水利工程壩體帷幕注漿理論相同[10-12]，可以通過允許比降確定阻水墻體厚度，進而建立人工阻水墻體；此外，側向人工阻水墻體與底板安全隔水層留設相似，區(qū)別在于將存在于下部的水害威脅轉變?yōu)閭认虻乃ν{，因此，也可以利用安全隔水層厚度法確定阻水墻體厚度，從而建立人工阻水墻體，阻隔老空水導水通道，消除老空水水害威脅[13-14]。

1.1.1 安全隔水層厚度理論

根據(jù)《煤礦防治水細則》，安全隔水層厚度計算公式如下[5]：

T=L(√(γL+8Kpp)-γL)/(4Kp)

(1)

式中：T為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，m；γ為隔水層的平均重度，N/cm3；Kp為隔水層的平均抗拉強度，MPa；P為隔水層承受的水頭壓力，MPa。

1.1.2 阻水帷幕法

阻水帷幕法是冶金、水利、煤炭等行業(yè)常用治水方法，一般是通過向地層裂隙中注漿，建立阻水帷幕[6]。對于大體積空洞建立側向人工阻水墻體，阻水帷幕厚度的確定可以借鑒水利工程壩體帷幕厚度計算方法，其主要影響因素是阻水墻體承受的水頭壓力和阻水墻體質量所確定允降比例，其計算公式為

J允=J破/K

(2)

式中：J允為允許比降；J破為漿液結石的滲透破壞比降；K為安全系數(shù)，按3取值。

帷幕厚度為

T=ΔH/J允

(3)

式中：T為帷幕所需厚度，m；ΔH為最大作用水頭，m。

1.2 技術方案

大塊體人工阻水墻體技術首先應準確確定老空水的導水通道，如果是以往采掘巷道為主要導水通道時，選取關鍵巷道作為封堵對象，順巷道方向以15～30m間距布置不少于3個地面鉆孔，鉆穿巷道上部地層，施工至目標巷道內(nèi)進行注漿封堵，建立大體積人工阻水墻體。阻水墻體成型后，再次鉆穿至巷道底部進行耐壓試驗，檢查阻水墻體和巷道圍巖漿液充填質量，必要時補充注漿，確保大塊體人工阻水墻體與巷道圍巖融為一體，起到良好阻隔水作用。

大體積人工阻水墻體注漿過程中應根據(jù)巷道高低起伏、空間大小、水動力條件、水質酸堿性、巷道殘存物等因素確定注漿方案，為防止?jié){液擴散太遠，造成材料浪費，一般應先在兩端建立擋墻，而后進行中間空間充填，為確保阻水墻體內(nèi)部不出現(xiàn)真空空洞，擋墻應預留一定泄水空間；注漿過程中應密切監(jiān)測阻水墻體的高度、強度質量以及巷道水位和水流變化，及時調整注漿對策。

1.3 適用條件

老空水的治理首先應判明積水范圍、積水量、積水標高。當積水范圍廣，積水量很大，采用常規(guī)疏放方法短時間不能見效，而且老空水的充水通道又主要是以往采掘巷道時，可以采用大體積人工阻水墻體技術封堵巷道，建立大體積人工阻水墻體，阻斷老空水的充水通道，從而達到快速隔離老空水，實現(xiàn)安全掘進和工作面緊密銜接的目的。

2 應用實例

2.1 礦井地質及水文地質條件

山西省陽泉固莊煤礦位于陽泉市郊區(qū)，實際生產(chǎn)能力100～120萬t/a。井田內(nèi)揭露地層從老到新依次有奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組；二疊系山西組、下石盒子組，上石盒子組及第四系。含煤地層為山西組和太原組，可采煤層3、8(8-1、8-2)、9(9-1、9-2)、12、15號煤，其中山西組3號煤，太原組8(8-1、8-2)、9(9-1、9-2)號煤層均已采空；僅余少量12、15號煤。本次施工揭露地層為太原組15號煤以淺地層，單個鉆孔鉆進過程中揭露8號、12號、15號三條不同高程巷道，對鉆孔安全和防斜影響較大。

井田構造簡單，總體呈北西走向，向西南傾斜的單斜構造，并在此基礎上，發(fā)育次一級寬緩褶皺；傾角小，一般5°左右；斷層不發(fā)育，未見大型斷裂，僅發(fā)現(xiàn)少量小型斷層。

井田內(nèi)奧陶系巖溶水水位標高456～475m,低于15號煤層底板標高(780～863m)，底板標高735～1 050m，各可采煤層不受奧灰水影響。對煤層開采有影響的含水層：石炭系太原組巖溶裂隙含水層、二疊系山西組和上下石盒子組砂巖裂隙含水層和第四系松散沉積物孔隙含水層。太原組發(fā)育三層灰?guī)r含水層(K2、K3、K4)，K2灰?guī)r厚度9.41～12.34m，平均厚度11.08m， K3、K4灰?guī)r較薄，平均厚度分別為1.00m和1.79m，且位于地下水位以上。K2灰?guī)r賦水性相對較好，單位涌水量為0.012 9～0.019 4L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.054 6～0.069 4m/d，屬弱富水性含水層，且在12、15號煤層采掘疏放中未發(fā)現(xiàn)較大涌水點，涌水量均較小，水量0.5m3/h左右，破碎段1.0m3/h；山西組和上下石盒子組砂巖裂隙含水層單位涌水量0.000 2L/(s·m)，富水性弱；第四系松散沉積物孔隙含水層主要分布于溝谷河流沖積地帶，受降雨影響明顯。

2.2 礦井水害分析

固莊煤礦以往15號煤采空區(qū)因埋藏淺，易接受降雨和上覆砂礫石含水層補給，長期以來積存了大量老空積水，且各工作面間相互聯(lián)系，使得老空積水聯(lián)成一體，探放老空水面臨很大困難。尤其是規(guī)劃的15709工作面， 掘進巷道東鄰15203、 15204工作面采空積水區(qū)，西鄰15501、15502、15503工作面采空積水區(qū)，以上積水區(qū)又與遠處其他積水區(qū)聯(lián)通，形成大范圍、大體量老空積水(圖1)。

圖1 規(guī)劃采掘工作面與以往采空區(qū)域位置示意Figure 1 Schematic diagram of planned winning, opening faces and previous gob area positions

經(jīng)分析，礦井水文地質條件中等，周邊工作面采掘中未揭露斷層，巷道掘進面臨的主要充水水源為老空水。15709工作面掘進巷道在掘進過程中需要直接揭露以往15204回風巷，該巷道直接聯(lián)通15204和15203采空積水區(qū)，并與15501、15502、15502采空積水區(qū)通過15502進風巷道與15204回風巷之間的鉆孔聯(lián)通，而且15204回風巷在掘進過程中未見構造發(fā)育，老空積水對掘進工作面的影響主要是因為直接揭露15204回風巷所致，其充水水源是15204等各采空工作面積水，充水通道是15204回風巷和15502進風巷，積水量預計數(shù)10萬t，甚至更多。

2.3 適用條件判斷

對比固莊煤礦15709工作面掘進巷道存在的老空水水害問題可以發(fā)現(xiàn)存在以下特點：

1)存在積水量大，幾個采空積水區(qū)相互聯(lián)通。

2)充水通道明確且單一，老空水的充水通道就是巷道掘進揭露的15204回風巷和15502進風巷。

3)為保證礦井工作面接續(xù)，急需解決15709掘進巷道面臨的老空積水問題，時間緊迫，采取常規(guī)疏放措施，難以滿足要求。

水量大、通道明確且單一、時間緊迫的水害特點符合采用大體積人工阻水墻體技術治理老空水的條件，可以通過在15204回風巷和15502進風巷施工鉆孔，鉆穿至巷道，注漿形成人工阻水墻體，阻斷老空水充水路徑，解決存在的老空水害問題。

2.4 關鍵技術確定

2.4.1 注漿阻水墻體有效厚度計算

通過分析該巷道面臨的老空水害特點，可以確定注漿有效厚度計算參數(shù)如下：巷道寬度L，取3.2m；15709掘進巷道揭露15204回風巷時承受的水頭壓力0.4MPa，取3倍的安全系數(shù)，水頭壓力值P為1.2MPa；注漿阻水墻體采用水泥砂漿制成，受骨料摻入比例影響，其抗壓強度值按M5的60%取值即3MPa，抗拉強度取抗壓強度值的0.1倍取值，即為0.3MPa；注漿阻水墻體的平均重度γ取0.030 4MN/m3；J破取值參考以往試驗成果中砂泥巖試驗的中間值，即28.4[7]；允許比降的安全系數(shù)K按3取值；最大作用水頭ΔH，根據(jù)當前的實際情況，取值40m。

根據(jù)以上參數(shù)，按照《煤礦防治水細則》中安全隔水層厚度法計算可知，注漿隔水墻體的有效厚度應不小于4.27m；按照阻水帷幕理論，帷幕厚度應不小于4.22m；與按照《煤礦防治水細則》中安全隔水層厚度計算的結果基本相同，說明按照此方法所得厚度值較為可靠。

鑒于巷道計劃封堵巷道采掘時間長，巷道內(nèi)殘存物質雜亂，為保證注漿阻水墻體有效厚度能夠滿足要求，同時兼顧控制漿液擴散，防止材料浪費，實際實施中，注漿阻水墻體按不小于計算有效厚度的3倍，約為13m。結合地形地貌條件布置鉆孔5個，終孔孔徑φ127mm，終孔深度進入巷道底板5m。其中，在15204回風巷布置鉆孔3個，間距15m，注3、注4兩孔對注漿段和巷道圍巖做耐壓試驗確保阻水墻體質量，以孔口壓力1MPa，保持30min為標準，注5孔以成墻擋漿為目的，不做耐壓試驗；在15502進風巷布置鉆孔2個，間距30m，注2孔對注漿段和頂?shù)装遄隽四蛪涸囼?，標準同上，?孔以成墻擋漿為目的。各孔相對位置及注漿材料用量見圖2。

圖2 注漿鉆孔及巷道相對位置Figure 2 Relative position of grouting borehole and roadway

2.4.2 有效阻水墻體段選取

有效阻水墻體應緊鄰掘進巷道兩側外部，距離太遠會造成后期驗證工程量偏大，不利于成本控制。根據(jù)前述計算結果，項目施工中選擇自15709集中運輸巷向右、集中回風巷向左分別截取不小于13m作為有效阻水墻體段。鉆孔布置必須包含選定的兩側有效阻水墻體注漿段，有效阻水墻體注漿段內(nèi)應盡量留設耐壓驗證孔。該項目15709集中回風巷左側為巷道端頭，為確保注漿段阻水墻體質量，將15204回風巷端頭至注5孔間全部注漿充填，注3、注4孔作耐壓試驗驗證阻水效果。

2.4.3 鉆孔防斜

因單孔深度淺，僅185m左右；地層傾角小；施工中利用綜合地面環(huán)境和地層特點優(yōu)選孔位，減小鉆孔防斜難度；利用鉆進前端扶正技術提高鉆孔垂直度；針對傾角大、地層復雜的地層采用取心鉆進，同時，根據(jù)地層情況優(yōu)化鉆壓、轉速、泥漿等技術參數(shù)，使鉆孔垂直度得到保障，并取得良好效果。表明小孔徑常規(guī)防斜技術在淺埋深、緩傾斜地層中能夠有效利用。

2.4.4 注漿工藝

人工阻水墻體屬大體積水泥塊體，又因處于一個井下封閉空間，一次性大量注漿成型容易因為散熱不均勻產(chǎn)生內(nèi)生裂隙，影響阻水墻體質量。因此，注漿材料應適當添加骨料，降低水泥凝固產(chǎn)生的水化熱。水泥漿的配合比可根據(jù)鉆孔間距和巷道形態(tài)調配。采用間歇式注漿方式，一方面隨時掌握阻水墻體成型高度，合理控制漿液擴散距離，另一方面可有效控制漿液的擴散半徑和單次水泥結石體高度，使得水泥在凝固過程中產(chǎn)生的水化熱得到逐次散發(fā)，避免了封閉空間、大體積水泥因內(nèi)部溫度過高，使得內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生大內(nèi)生裂隙。

2.5 阻水墻體材料用量及充填范圍

根據(jù)巷道底板標高、漿液擴散距離以及鉆孔材料用量可以估算各孔注漿充填范圍，如圖3所示；同時，可以為人工阻水墻體質量驗證提供基礎依據(jù)。

圖3 鉆孔材料用量及井下充填范圍示意Figure 3 Schematic diagram of drilling material consumption and underground filling extent

2.6 治理效果驗證

2.6.1 鉆孔驗證

阻水墻體質量驗證共布置井下探放水鉆孔5個，如圖4所示。

圖4 井下探放水驗證鉆孔平面布置Figure 4 Plane layout of underground water exploration, drainage and validation boreholes

通過以上探放水驗證孔可以發(fā)現(xiàn)，采用注漿封堵巷道，形成大體積人工阻水墻體可以阻斷老空水充水通道，隔離老空水。同時，可以發(fā)現(xiàn)采用耐壓試驗進行封堵效果檢驗補注后，結石體質量明顯優(yōu)于沒有進行耐壓試驗部分。

2.6.2 巷道掘進驗證

經(jīng)鉆孔驗證后，礦方進行了巷道掘進。在掘穿15204回風巷道過程中，巷道圍巖僅有滴淋水，總涌水量小于2m3/h，達到預期目標。

3 結論

1)小孔徑常規(guī)防斜措施能夠保證鉆孔在淺埋深、緩傾斜地層中的鉆孔垂直度，可以有效降低施工成本，擴大收益。

2)治理巷道寬度3.2m，以水泥漿和水泥砂漿封堵，鉆孔以15～30m間距布置，φ127mm孔徑成孔，漿液擴散能夠填充縱橫兩個方向的巷道空間。

3)設計阻水墻體有效厚度注漿段兩端，通過7倍水頭壓力進行耐壓試驗，證實人工阻水墻體質量滿足側向壓力要求。

4)漿液擴散距離應結合地形地勢、構造裂隙發(fā)育具體確定，一般可取15m布置鉆孔。

5)應加強不同配比漿液的結石體密度、抗拉強度、抗壓強度值的監(jiān)測，進一步完善人工阻隔思路的老空水治理成果。