帷幕注漿工藝在鼎盛煤礦突水治理中的應(yīng)用研究

蔣杰

（安徽省地礦局325地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000）

0 引 言

煤層底板奧灰突水是目前主要的礦井水害地質(zhì)類型之一[1]，隨著淺部煤層的資源枯竭，在開采深部下組煤時(shí)面臨的底板水害問題越發(fā)明顯[2]。國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)開展了大量研究，也取得了較好成果[3-5]，但由于煤層底板突水是多種地質(zhì)因素綜合影響下的復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，在實(shí)際生產(chǎn)中很難完全避免[6]。目前，采取底板含水層的注漿加固和治理等相關(guān)技術(shù)手段，在業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高、應(yīng)用較為廣泛，可有效的改造含水層，甚至消除底板奧灰水害威脅[7-11]。

渭北石炭二疊紀(jì)煤田鼎盛煤礦在建井階段施工+800 m水平軌道運(yùn)輸大巷時(shí)，發(fā)生了最大涌水量達(dá)400 m3/h的底板奧灰突水事故，此次研究從突水情況、突水水源和突水通道等多方面綜合分析了其突水機(jī)理，并依據(jù)帷幕注漿改造結(jié)果，對(duì)治理效果和煤層開采可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究成果為未來(lái)采掘范圍內(nèi)的底板奧灰水害防治提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

陜西銅川市鼎盛煤礦位于渭北石炭二疊紀(jì)煤田銅川礦區(qū)南部，井田面積2.1 km2，礦井采用單一水平開拓，開拓水平標(biāo)高+800 m左右，主采上石炭統(tǒng)太原組的5號(hào)和10號(hào)煤層。

井田位于銅川礦區(qū)陳爐正斷層的北部，王石凹—李家塔寬緩背斜東翼?？傮w構(gòu)造形態(tài)為一向北北西緩傾斜的單斜構(gòu)造，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造受東北部的棗廟逆斷層與西南部的董家溝正斷層擠壓、影響，在單斜的基礎(chǔ)上發(fā)育有小型次級(jí)背、向斜和小型斷層。產(chǎn)狀較平緩，傾角一般為5°~10°，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。

依據(jù)《鼎盛煤礦建井地質(zhì)報(bào)告》評(píng)價(jià)結(jié)果，該礦礦井水文地質(zhì)類型屬于中等型。

2 突水機(jī)理分析

2.1 突水基本情況

軌道運(yùn)輸大巷位于鼎盛煤礦四采區(qū)中部，巷道在掘進(jìn)至3-3勘探線N692鉆孔附近時(shí)，巷道周邊裂隙發(fā)生滲水現(xiàn)象，涌水量約20 m3/h。巷道掘進(jìn)至四采區(qū)和五采區(qū)交匯處時(shí)涌水量增至60 m3/h，停止掘進(jìn)，進(jìn)行了頂板和掘進(jìn)迎頭的井下探放水工作，待涌水量下降至30 m3/h左右后采取了邊掘邊放的方法繼續(xù)掘進(jìn)，期間水量最大增至140 m3/h，平均在100 m3/h左右，巷道掘進(jìn)至五采區(qū)中段118 m時(shí)，掘進(jìn)迎頭揭露一斷裂破碎帶，涌水量猛增至300 m3/h，繼續(xù)推進(jìn)后涌水量最大高達(dá)400 m3/h左右，在礦方采取一系列的井下探放水工作后，涌水量基本穩(wěn)定在210 m3/h（圖1）。

圖1 各階段突水水量變化Fig.1 Change of water outburst quantity in each stage

突水后采取堵水工程，在初期施工了擋水墻，但由于擋水墻基底施工質(zhì)量不佳，加上采用的是普通混凝土擋水墻及水泥—水玻璃注漿工藝，擋水墻僅使用30 d左右，由于墻內(nèi)水壓逐漸上升至1.1 MPa，墻內(nèi)水體從底部滲透。而后該礦采用縱橫錨桿高密度快凝早強(qiáng)混凝土擋墻及MG911系列雙組合分聚氨酯化學(xué)液注漿工藝，在原擋水墻外側(cè)建成新?lián)跛畨Γㄟ^(guò)關(guān)閘試壓，7 d內(nèi)水壓由0.65 MPa逐漸增加并穩(wěn)定在1.2 MPa左右，期間未發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，堵水效果良好。

2.2 突水機(jī)理分析

2.2.1 突水水源

當(dāng)+800 m軌道運(yùn)輸大巷突水后，位于突水點(diǎn)東南部約1 km處的N641水源孔在+942 m取水點(diǎn)的涌水量從原來(lái)65 m3/h左右銳減至10 m3/h，造成供水緊張的局面。而在該礦實(shí)施堵水工程后，水源孔涌水量又恢復(fù)了正常。此外，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果也顯示，井下突水點(diǎn)和N641水源孔的水質(zhì)相近，同屬HCO3--Ca2+型水質(zhì)。

綜合以上2點(diǎn)可以看出，+800 m軌道運(yùn)輸大巷突水的水源為灰?guī)r水，來(lái)自煤層底板奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水。

2.2.2 突水通道

（1）斷層。

根據(jù)以往勘探和井下地質(zhì)編錄結(jié)果，突水區(qū)段共發(fā)現(xiàn)斷層2條，分別是F7和F突斷層。

綜上所述，城市化進(jìn)程為建筑行業(yè)發(fā)展提供良好契機(jī)的同時(shí)也為工程項(xiàng)目管理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。作為建筑管理的重要方面，進(jìn)度管理直接關(guān)系著工程質(zhì)量和成本，因此應(yīng)該加強(qiáng)進(jìn)度管理模式的改進(jìn)創(chuàng)新，促進(jìn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

F7斷層走向NNE，傾向NWW，傾角61°，正斷層，落差大于30 m，破碎帶寬度2 m左右。該斷層有4個(gè)鉆孔控制，其中3個(gè)鉆孔不導(dǎo)水，1個(gè)鉆孔導(dǎo)水性極弱；井巷工程有3個(gè)控制點(diǎn)，均不導(dǎo)水。可見，F(xiàn)7斷層一般不導(dǎo)水。

F突斷層早期三維地震勘探未解譯出該斷層，為此次突水區(qū)段井下實(shí)際揭露斷層。+800 m軌道大巷掘進(jìn)過(guò)程中井巷地質(zhì)編錄成果顯示，突水點(diǎn)有斷層通過(guò)，斷裂帶走向NE，傾向SE，斷裂帶中巖層破碎，石英脈異常發(fā)育?？梢奆突為+800m軌道運(yùn)輸大巷突水的直接導(dǎo)水通道，但該斷層在早期勘探階段未被發(fā)現(xiàn)，因此推斷其應(yīng)該是落差小于10 m的小斷層，沒有切割到馬家溝組灰?guī)r，不會(huì)導(dǎo)通至灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。

（2）封閉不良鉆孔。

建井地質(zhì)報(bào)告資料顯示，井田內(nèi)以往的勘探鉆孔封孔質(zhì)量基本可靠，但2000年之前施工的資源勘查孔多采用泥漿作沖洗液，可能會(huì)存在某些孔段由于泥漿沖洗不干凈，水泥柱與孔壁凝結(jié)不牢的現(xiàn)象。其中，N711孔為封閉不良鉆孔，該孔揭露到奧陶系馬家溝組含水層，但未進(jìn)行封孔。該孔孔深701.2 m，在終孔提鉆測(cè)井時(shí)發(fā)生事故，鉆具掉在孔內(nèi)，雖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期處理，但終因鉆具彎曲度大，掃孔困難而放棄。

N711孔位于此次最大突水點(diǎn)的北側(cè)附近，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的F突產(chǎn)狀，F(xiàn)突會(huì)切割到N711鉆孔，此外，+800 m軌道運(yùn)輸大巷突水時(shí)，突水點(diǎn)初期的水中可見少量氣泡，并伴有較濃的臭味，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果顯示SO42-、Fe2+含量高，到突水量猛增后，水質(zhì)才變?yōu)镠CO3--Ca2+型，推測(cè)N711鉆孔里的鉆具腐蝕后釋放出來(lái)的Fe2+離子。由此推測(cè)N711鉆孔可能導(dǎo)通了馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水。

綜上所述，+800 m軌道運(yùn)輸大巷突水是F突導(dǎo)水?dāng)鄬雍蚇711封閉不良鉆孔綜合作用的結(jié)果，即導(dǎo)致此次突水事故的原因是奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水通過(guò)斷裂帶或封閉不良鉆孔補(bǔ)給上石炭統(tǒng)太原組煤系地層所致。

3 帷幕注漿治理方法和效果分析

3.1 治理方案和方法

此次煤層底板突水的治理方案是基于鼎盛煤礦實(shí)際的地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，并通過(guò)突水水源和突水通道的探查分析后綜合確定的。此次治理采用帷幕注漿堵水技術(shù)封閉馬家溝組組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水和煤系地層的導(dǎo)水?dāng)鄬?，在突水區(qū)段內(nèi)形成帷幕，確保在巷道掘進(jìn)施工過(guò)程中的安全。

圖2 注漿管路連接示意Fig.2 Grouting pipeline connection

3.2 注漿過(guò)程和效果分析

此次注漿共計(jì)施工鉆孔22個(gè)，其中第一階段施工了6號(hào)探水孔，孔深150 m，累計(jì)消耗水泥12 400 kg，水玻璃435 kg，注漿前水量為393.3 L/min，注漿后出水量?jī)H為0.1 L/min；第二階段施工15個(gè)孔，孔深516.9 m，累計(jì)消耗水泥10 250 kg，水玻璃662.25 kg，注漿前最大出水量為16.67 L/min（9號(hào)孔），注漿后出水量幾乎都將至0；第三階段施工6個(gè)孔，孔深440 m，累計(jì)消耗水泥14 000 kg，水玻璃319.5 kg，注漿前最大出水量為441.8 L/min（7號(hào)探水孔），注漿后出水量均將至0，各階段注漿情況見表1。此外，施工過(guò)程中和施工結(jié)束對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行了全面的綜合檢驗(yàn)，主要包括單孔注漿結(jié)束后的最終壓力、注漿結(jié)束后的壓水試驗(yàn)、鉆孔的簡(jiǎn)易水文觀測(cè)和取心分析、井下涌水點(diǎn)的水量和水質(zhì)情況觀測(cè)等。

表1 注漿情況匯總表Table 1 Summary of grouting

依據(jù)前文所述，通過(guò)帷幕注漿改造和治理，取得了較好的工程效果。突水區(qū)段的涌水量從治理前的980.96 L/min下降到13.8 L/min，堵水率達(dá)到85%以上，基本上解除了該區(qū)現(xiàn)有的水患威脅，為鼎盛煤礦5采區(qū)的開拓設(shè)計(jì)和接續(xù)生產(chǎn)提供了安全保證。且經(jīng)過(guò)估算，劃定的突水危險(xiǎn)區(qū)的煤炭資源量約為1 200萬(wàn)t，按礦井回采率60%計(jì)算，預(yù)計(jì)5采區(qū)可采出煤炭資源量720萬(wàn)t。

4 結(jié) 論

（1）鼎盛煤礦+800 m軌道運(yùn)輸大巷突水水源為奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層水，突水通道為F突斷層和N711封閉不良鉆孔，此次突水事故的原因是奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水通過(guò)斷裂帶和封閉不良鉆孔導(dǎo)通至上石炭統(tǒng)太原組煤系地層所致。

（2）通過(guò)井下帷幕注漿改造技術(shù)，封閉了切通馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水和煤系地層的導(dǎo)水?dāng)鄬樱谕凰畢^(qū)段內(nèi)形成了帷幕，取得了良好的工程效果。

續(xù)表

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