煤礦小帷幕動水注漿截流技術(shù)實(shí)踐

趙明卿

（焦煤集團(tuán) 中馬村礦，河南 焦作 454000）

1 概況

煤礦井下動水注漿治理工作一直是防治水工作的難題之一。因突水點(diǎn)涌水通道涌水量大，流速快，動水注漿情況下，僅對主涌水通道附近的小涌水通道進(jìn)行封堵或增透，對主涌水通道封堵效果不佳。另伴隨注漿孔的施工，對其他含水層巖層擾動明顯，二次增加導(dǎo)水補(bǔ)給通道，造成涌水量未顯著減小，同時由于井下施工空間有限，采用大范圍帷幕注漿加固難度大?；诖?，中馬村礦結(jié)合21106工作面突水點(diǎn)特征及現(xiàn)場實(shí)際條件，采取小帷幕動水注漿截流技術(shù)，即通過人為構(gòu)筑地下隔水帷幕，對過水通道進(jìn)行截流，降低動水的流速及流量，為后期動水注漿創(chuàng)造條件，井下動水注漿效果較好。

中馬村礦水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜型。礦區(qū)內(nèi)含水層主要由二1 煤頂?shù)装搴畬訕?gòu)成，煤層頂板含水層為二疊系砂巖裂隙含水層及新近系、第四系砂、卵礫石孔隙含水層，底板含水層為奧陶系及石炭系灰?guī)r（O2、L2、L8） 巖溶裂隙含水層，其中石炭系灰?guī)r含水層是礦井水的主要充水水源。結(jié)合該礦歷年突水事故分析，由L8灰?guī)r巖溶裂隙水引起的突水事故最多、突水威脅最大，是該礦最直接的突水水源。

中馬村礦211 采區(qū)西翼地質(zhì)及水文地質(zhì)條件極復(fù)雜。21106 工作面回風(fēng)、運(yùn)輸巷及運(yùn)輸改造巷在向西掘進(jìn)距211 軌道437～484 m 時揭露落差H=0.8～14 m 的斷層6 條，且回風(fēng)、運(yùn)輸巷均發(fā)生斷層滯后突水。

2004 年4 月，21106 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間揭露落差1 m 的斷層且發(fā)生滯后突水，突水最大水量達(dá)55.2 m3/h，在追排水過程中該斷層與211-9 斷層（H=14 m） 溝通的深部含水層通道被打開，突水量激增，最大水量360 m3/h，為59 號突水點(diǎn)，造成巷道被淹沒；2005 年11 月，21106 運(yùn)輸巷在修理到老切眼西約10 m 時，揭露落差2.2 m 的斷層且發(fā)生滯后突水，最大水量906 m3/h，為63 號突水點(diǎn)，工作面被迫后退做切眼回采。59 號、63 號突水點(diǎn)自2005 年至2019 年井下突水點(diǎn)封堵工程開工前，經(jīng)過長時間疏放，突水點(diǎn)水量基本穩(wěn)定在408 m3/h 左右。21106 工作面構(gòu)造及突水點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 21106 工作面構(gòu)造及突水點(diǎn)布置平面Fig.1 No.21106 face structure and water outburst point layout plane

2 動水注漿技術(shù)路線

211 采區(qū)西翼水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，該區(qū)域斷層較多且存在一條近南北走向的強(qiáng)徑流帶，礦井?dāng)?shù)次大的突水均發(fā)生在該徑流帶上，斷層附近含水層富水性強(qiáng)，且存在深部L2灰?guī)r、O2灰?guī)r強(qiáng)含水層對L8灰?guī)r含水層水平或垂直補(bǔ)給現(xiàn)象。

自2005 年至今對59 號、63 號突水點(diǎn)進(jìn)行3次封堵工程，目前該區(qū)域L8灰?guī)r水位由-158.7 m左右疏降至-210 m 左右。

第一階段。分別于2005 年和2007 年在地面對2 個突水點(diǎn)進(jìn)行封堵。2005 年對59 號突水點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵，注漿期間涌水量由360 m3/h 降至70 m3/h，注漿效果明顯；2007 年對21106 工作面切眼斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固，加固后總涌水量未減小，之后一直采取疏放的措施。

第二階段。在井下施工，主要對L8灰?guī)r進(jìn)行注漿加固，L8灰?guī)r水位在注漿期間整體呈上升趨勢。由于主涌水通道涌水量大，流速快，動水注漿情況下，對主涌水通道封堵效果不佳，同時注漿期間對L2灰?guī)r擾動明顯，增加了L2灰?guī)r與L8灰?guī)r之間的小補(bǔ)給通道。

第三階段。在地面通過多分支水平井對斷層面走向發(fā)育情況進(jìn)行探查，并進(jìn)行注漿加固，同時對L2灰?guī)r進(jìn)行注漿加固，L8灰?guī)r受深部水補(bǔ)給，在注漿期間整體呈上升趨勢，由于主涌水通道涌水量大，流速快，動水注漿情況下，對主涌水通道封堵效果不佳，造成總涌水量只是略有減小。

結(jié)合以往3 次封堵工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對動水條件下實(shí)施注漿過程中出現(xiàn)的問題，制定“切斷突水點(diǎn)的過水通道，降低動水的流速及流量，形成近似‘靜水’注漿條件”的注漿方案，同時結(jié)合井下施工空間有限、無法利用大型設(shè)備及采用大范圍帷幕加固等實(shí)際條件，確定采用小帷幕動水注漿截流技術(shù)，對突水點(diǎn)涌水的過水通道構(gòu)筑地下隔水帷幕，配合地面注漿工程，達(dá)到快速堵水的目的。

另外，如組織施工隊(duì)伍構(gòu)筑防水閘墻，將耗費(fèi)大量的人力、物力，同時也會面臨工期長、堵水時間將向后延續(xù)的問題，不利于211 采區(qū)西翼工作面的生產(chǎn)接替。因此，確定采用煤、矸裝袋直接填充巷道作為小帷幕加固回填手段，不再構(gòu)筑防水閘墻。

3 帷幕墻設(shè)計(jì)

3.1 帷幕施工地點(diǎn)

通過對211 采區(qū)西翼附近地質(zhì)資料分析，確定63 號突水點(diǎn)出水水量會通過4 條通道向外流出。63 號突水點(diǎn)附近斷層及過水通道情況如圖2 所示。

圖2 63 號突水點(diǎn)附近斷層及過水通道情況Fig.2 Faults and water channel near No.63 water outburst point

（1） 21106 泄水巷。

該泄水巷是作為突水點(diǎn)涌水長期過水通道，已在泄水巷出水口構(gòu)筑控水密閉墻，控水密閉墻如圖3 所示。下一步211 采區(qū)西翼地面注漿期間，通過控水閘墻的控水作用，該過水通道將不會形成主要的過水通道。

圖3 21106 泄水巷控水密閉墻示意Fig.3 Water control closed wall in 21106 face drainage roadway

（2） 21106 運(yùn)輸巷東段。

該巷道前期已在涌水通道口位置留設(shè)有密閉墻，如圖4 所示。在涌水過水時會起到一定的阻隔作用，過水通道有限。

圖4 21106 運(yùn)輸巷東段密閉墻示意Fig.4 Closed wall in east section of 21106 face transport roadway

（3） 21106 切巷。

該通道在涌水過水時會經(jīng)過塌實(shí)的21106 工作面，塌實(shí)后形成的空間通道有限，在后期注漿時該巷道不會形成主要的過水通道。

（4） 21106 運(yùn)輸巷西段。

該巷道出水口位于211 采區(qū)西回風(fēng)底抽巷，塌實(shí)情況不理想，在后期注漿過程中將會形成主要的過水通道。

綜上所述，確定21106 運(yùn)輸巷西段作為本次井下小帷幕加固的施工地點(diǎn)。

3.2 帷幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 帷幕加固長度。21106 運(yùn)輸巷西段不再構(gòu)筑防水閘墻，設(shè)計(jì)在井下采用簡單的巷道回填加固手段，帷幕加固回填的巷道要足夠長，以保證在大量涌水涌出時對水流形成一定的阻隔作用。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，確定21106 運(yùn)輸巷西段帷幕加固回填巷道長度為21 m。21106 運(yùn)輸巷西段帷幕加固平面如圖5 所示。

圖5 21106 運(yùn)輸巷西段帷幕加固平面示意Fig.5 Curtain Reinforcement Plane Diagram in west section of 21106 face transport roadway

（2） 注漿孔設(shè)計(jì)。注漿管在矸石袋填充過程時提前預(yù)埋，預(yù)埋管路分上、中、下3 排，注漿管采用φ50 mm 鋼管和軟管加工制作而成，材質(zhì)必須符合設(shè)計(jì)規(guī)定，連接膠管、快速接頭能承受的最大壓力不小于3 MPa。注漿管布置如圖6 所示。

圖6 注漿孔布置Fig.6 Grouting holes layout

4 帷幕墻施工

4.1 墻體施工

帷幕加固施工取材為就近取材，直接用巷道內(nèi)清理的矸石、浮煤裝袋作為小帷幕加固的主要填充材料。先將21106 運(yùn)輸巷西段清理出21 m 長度，對清理出的矸石、浮煤等裝袋備用。在巷道清理完成后，開始對巷道進(jìn)行帷幕加固，首先在巷道內(nèi)從里往外用矸石袋分層碼放整齊，矸石袋之間用水泥撒勻加固。為保證所填的矸石與矸石間存在孔隙盡量小，增強(qiáng)回填矸石的抗壓能力，減少地面注漿期間此處的跑漿量，在矸石袋之間預(yù)埋注漿管，在矸石回填完成后通過注漿管對回填縫隙二次加固。

施工期間，重點(diǎn)做好以下工作：巷道內(nèi)管子、舊荊棍等雜物清理干凈；巷道內(nèi)矸石、浮煤清理干凈并裝袋；矸石袋擺放彼此壓“縫”；矸石袋接頂時收口用小袋搗實(shí)；每班結(jié)束把最外邊袋縫抹實(shí)。

4.2 注漿施工

注漿材料采用單液水泥漿，水灰比為1∶0.7～1∶1，水泥采用32.5 號普通硅酸水泥，注漿壓力不小于0.5 MPa。施工順序?yàn)榍脦蛦栱敗惭b注漿管—安裝止?jié){閥—拌漿—注漿—封堵注漿孔。

注漿期間檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、管路連接情況，撤出注漿段作業(yè)地點(diǎn)范圍內(nèi)的所有無關(guān)人員；漿液制備好后，打開泥漿泵注漿閥門，啟動注漿泵；注漿時必須有專人觀測、記錄漿液耗量、注漿時間、壓力，達(dá)到注漿泵不再吸漿，并達(dá)到注漿終壓；每根注漿管未注漿完畢前，必須連續(xù)注漿，不能停止；若不能連續(xù)注漿時，必須往孔內(nèi)壓清水，防止管路被水泥堵塞；發(fā)現(xiàn)漏漿嚴(yán)重時，必須立即停止注漿進(jìn)行處理；按照先稀后稠的注漿原則，盡量多注入；注漿結(jié)束時，先停注漿泵，關(guān)閉孔口進(jìn)漿閥，最后打開卸壓閥，開注漿泵壓清水沖洗注漿泵、高壓管、球閥及混合器等。

5 應(yīng)用效果

（1） 通過小帷幕動水注漿截流技術(shù)的實(shí)施，在211 采區(qū)西翼地面注漿封堵工程開始后，21106運(yùn)輸巷西段的小帷幕加固段，降低了原突水點(diǎn)的動水流速，隨著地面注漿工程的不斷推進(jìn)，現(xiàn)211 西突水點(diǎn)涌水量已由408 m3/h 減小至60 m3/h，堵水工作取得階段性成果。

（2） 經(jīng)濟(jì)效益顯著?，F(xiàn)階段每小時減少排水量273 m3，23 泵房水泵排水高度391.4 m，每百米排高需0.43 度電，電價按0.57 元/度，則23 泵房每年節(jié)約排水費(fèi)用229.4 萬元。

6 結(jié)語

中馬村礦總結(jié)以往3 次堵水工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合井下施工空間有限、無法利用大型設(shè)備、采用大范圍帷幕加固難度大等實(shí)際條件，通過實(shí)施井下小帷幕動水注漿截流技術(shù)配合地面注漿堵水工程，211 采區(qū)西突水點(diǎn)涌水量由408 m3/h 降至60 m3/h，每年節(jié)省排水費(fèi)用229.4 萬元，取得了階段性成果。該技術(shù)適用于各礦井老突水點(diǎn)的注漿堵水工程，為類似條件下的工程提供借鑒。