煤礦巷道涌水勘探與地面成孔注漿加固治理

梁東 張昕 宋黑

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某煤礦位于登封市，東臨白沙水庫，煤礦采區(qū)范圍南北寬0.4 km，東西長 0.8 km，一對豎井，開采②1煤層，主井口標(biāo)高286.8 m，落底標(biāo)高69.8 m(井深217 m)，副井口標(biāo)高272.0 m，見煤標(biāo)高192.0 m。年開采能力在10萬t左右，目前采煤深度在50 m～250 m之間。2004年自主井大巷向東北開掘+60 m平巷接近北部井田邊界時出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，造成井巷被淹事故。事故出現(xiàn)后，曾采取在地面相應(yīng)井下出水點位置成孔注漿，堵水初見成效，但排水未完成時，又出現(xiàn)二次涌水淹井，排水量達(dá)200 t/h，水混蝕，水量還有增大的趨勢。為盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)，對礦區(qū)分別進行了二維地震勘探和瞬變電磁法控制富水帶分布特征勘探等兩項工作，之后根據(jù)勘探情況，針對性的進行地面成孔注漿堵水的加固方案。

1.2 地質(zhì)條件

該煤礦礦區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地表多被第四系覆蓋，局部有二疊系地層出露，淺表層有卵石層發(fā)育。本井田地表多為第四系所覆蓋，屬隱伏井田。根據(jù)鉆孔揭露，本區(qū)地層由老至新依次為:寒武系、奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)和第四系(Q)，井田構(gòu)造趨勢總體為一單斜構(gòu)造。煤礦臨近白沙水庫，地面徑流自西向東，主要為表層水和第四系松散層孔隙水。深層地下水主要為碎屑巖類基巖裂隙水和②1煤底板下碳酸鹽巖類巖溶水。隔水層多為層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖、薄層砂巖鋁土質(zhì)泥巖，裂隙不發(fā)育，透水性差，層位穩(wěn)定，巖性致密，隔水性能良好。

2 勘探成果應(yīng)用分析

2.1 二維地震成果

二維地震勘探控制的井田內(nèi)構(gòu)造特征，查出了主要的邊界斷層DF1及與井田相關(guān)的區(qū)內(nèi)落差大于5 m的小斷層3條。

地震控制中的DF1斷層主要表現(xiàn)為近東西向展部，斷層落差較大，西側(cè)(S3線以西)斷點斷面清晰可見，向東延展表現(xiàn)為多組斷裂所構(gòu)成，斷點復(fù)雜，向東出井田邊界有向東北偏移的趨勢。此斷層性質(zhì)的變化與井田內(nèi)②1煤底板構(gòu)造形態(tài)密切相關(guān)，②1煤層底板受斷層影響，總體上為一向斜形態(tài)，煤層走向NS～NE、傾向E～SE的，地層傾角15°～46°。向斜軸北翼地層最陡，地層傾角一般為35°～46°，局部可達(dá)50°;向斜軸南翼地層較緩，地層傾角一般為15°～25°，局部可達(dá)30°。②1煤埋藏最淺部位于西北部，標(biāo)高為235 m，最深部位于東部，標(biāo)高為－90 m。

從地震的分析成果來看，礦井開采+60 m巷井沿走向接近DF1斷層，并且涉及到本次勘察斷層預(yù)留安全煤帶的禁地之內(nèi)，是造成本次井下出水的根本所在。

2.2 瞬變電磁法成果

瞬變電磁法是根據(jù)大地電性和電磁反應(yīng)原理，通過對電磁反應(yīng)平面圖和剖面圖的解釋，較好地控制了井區(qū)內(nèi)②1煤底板灰?guī)r富水分布特征和斷層附近富水特征。井田內(nèi)的富水情況除井區(qū)內(nèi)東南部煤層底板下灰?guī)r的弱含水富水外，主要集中在DF1斷層帶附近形成富水帶。與地震所揭露的DF1表現(xiàn)形式一致，即在電法1240線以西，表現(xiàn)為斷層導(dǎo)水性質(zhì)，而1240線以東表現(xiàn)為強富水帶性質(zhì)，主要集中在DF1斷層1320線與1480線附近，而+60 m平巷北端點恰好落在電性反應(yīng)一富水帶中心附近，另斷層帶的復(fù)雜性是導(dǎo)致多次巷道出水的主要原因。

2.3 井下掘進出水情況

當(dāng)回采21工作面僅3 m許時，上位角發(fā)生突水20 t/h～40 t/h(以下簡稱突1)。前期亦曾發(fā)生距下位角以上約20余米處的下山夾水20 t/h(以下簡稱突2)。為了治理突1，沿上位角向前掘巷3 m(巖層傾角驟然變大到35°～45°左右)，結(jié)果地下水又自煤層頂板的采動空隙涌出。再從突1退后8 m左右，在上覆巷上方開切眼朝突水方向掘巷，放炮后，發(fā)現(xiàn)巖層雜亂無章，且有地下水溢出，同時工作面實施跳采。突水量則逐漸增加，決定放棄井下堵水，實施井口排水，水量達(dá)200 t/h，水仍混濁如故，水量還有增大的趨勢，因此決定地表打孔注漿堵水。

2.4 構(gòu)造位置和突水層位

根據(jù)前期注漿堵水資料:突水點位于DF1正斷層的上盤，斷距大于100 m，平距斷層約70 m～80 m。下盤為寒武系上統(tǒng)崮山組，白云巖、巖溶～裂隙發(fā)育，地下水量充沛，是②1煤層的間接充水含水層。后來的鉆孔揭露證實，是該斷層的支斷層(斷距約12 m～20 m)下盤太原組石灰?guī)r含水層(屬②1煤層底板直接充水含水層)突水。

2.5 前期注漿鉆孔布置

優(yōu)先考慮巖溶可能最發(fā)育、集中突水的部位，再考慮該點被堵以后，可能從其他最薄弱部位突水的危險性，從而形成帷幕注漿，以達(dá)到治理斷層下盤太原組石灰?guī)r含水層水潰入生產(chǎn)礦井的危險。

2.6 新突水點分析

在上位角突水點附近，已發(fā)現(xiàn)的大的突水通道已被堵死，但尚有隱蔽的，當(dāng)時由于巖溶～裂隙沉淀物的充填或斷層破碎帶的充填，注漿水泥也輻射不進去，當(dāng)?shù)V井水位下降，它受的動水壓水也在增大，從而突破充填物形成新的突水通道。支斷層導(dǎo)致②1煤層底板直接充水含水層水潰入巷道。大斷層往往構(gòu)成煤田或礦井的自然邊界，容易辯認(rèn)和重視，而其支斷層和沿斷層形成的導(dǎo)水巖溶～裂隙發(fā)育帶，則比較隱蔽，即使斷距10 m左右，也會使上盤②1煤層的采空區(qū)與下盤的太原組石灰?guī)r含水層對接，致使下盤地下水潰入巷道，危及生產(chǎn)安全，這是本次突水的主要原因。沿斷層形成的巖溶～裂隙發(fā)育帶是不均一的，即其形狀、大小和裂隙的寬度，延展長度各不相同。就本次施工的鉆孔而言，1號鉆孔巖溶最發(fā)育，換言之為最薄弱環(huán)節(jié)，3，4孔巖溶～裂隙較發(fā)育，是次薄弱環(huán)節(jié)，2號孔巖溶～裂隙不發(fā)育，上盤②1煤層采空區(qū)與其對接，造成突水的可能性就小，上位角的突1正處于支斷層下盤巖溶最發(fā)育的薄弱環(huán)節(jié)，②1煤層底板直接充水含水層潰入巷道，已形成必須的條件，這是突水的第二個主要原因。

3 注漿工藝

1)注漿施工順序:先施工巷道出水點相應(yīng)地面四周帷幕孔，再施工中間的注漿孔，注漿分兩次進行。2)注漿過程:注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度，為便于注漿質(zhì)量控制，實際注漿時可選稀、稠兩種配比的漿液進行灌漿，稀漿灌注量取單孔注漿量的10%為宜，但平均水灰比不宜低于1∶1.2，當(dāng)注漿量較大時，可在漿液中加入水泥重量3%的速凝劑。注漿過程中應(yīng)根據(jù)泵壓、泵量變化，調(diào)整漿液濃度;注漿壓力宜控制在靜水壓力的2倍～4倍，注漿以稀漿開始到稠漿再到稀漿結(jié)束;注漿過程中每10 min觀測記錄一次泵壓、泵量、漿液比重等數(shù)據(jù)，壓力變化時作觀測記錄;每個注漿段注漿次數(shù)不少于3次(初注和兩次復(fù)注);每次注漿結(jié)束后，壓力表無壓力時可起塞，透孔在24 h后進行，復(fù)注在48 h后進行。3)止?jié){方法:采用KWS-115型止?jié){塞止?jié){方式，止?jié){塞的位置選擇在受注段頂界5 m～7 m的巖體較完整孔段內(nèi)，上下止?jié){塞過程中要嚴(yán)格執(zhí)行KWS型止?jié){塞操作規(guī)程。還有一種孔口套管止?jié){:此方法用于當(dāng)鉆孔塌孔嚴(yán)重，孔壁強度不好，容易縮徑，鉆孔較深，鉆進時需用套管跟進的鉆孔，具體做法是用φ159 mm的注漿管跟管鉆進至止漏點頂部，井口與φ159 mm止?jié){裝置以絲扣相接，頂部接注漿壓力表和輸漿管。4)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):各注漿孔段注漿標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)注漿次數(shù)、注入量、終壓、終量來衡量的，一般終壓達(dá)到設(shè)計值，終量100 L/min，并穩(wěn)定30 min即可結(jié)束注漿。5)壓水試驗:壓水試驗是檢查注漿質(zhì)量的主要手段，是預(yù)計井筒剩余涌水量的重要依據(jù)，可根據(jù)壓水試驗計算單位吸水量大小，確定漿液配比;壓水試驗時間確定為15 min。

4 結(jié)語

本工程針對某煤礦巷道出現(xiàn)的二次涌水淹井事故，進行了地面成孔注漿加固，突水點經(jīng)過注漿加固后，排除了再次突水的危險，說明二次注漿堵水取得成功，經(jīng)濟效益明顯。工程實踐表明，地面成孔注漿無論從施工條件和實施效果來看，都是一種行之有效的涌水治理技術(shù)，但這種技術(shù)對注漿效果的判斷上不夠直觀，因此在鉆進和注漿過程中要認(rèn)真做好施工記錄，以保證注漿施工連續(xù)進行。

[1]張先哲，尚照順.某煤礦+60巷道地面成孔注漿堵水設(shè)計方案[R］.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司，2005.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，煤田鉆探技術(shù)規(guī)程[S］.

[3]YSJ 211-92，YBJ 44-92，注漿技術(shù)規(guī)程[S］.

[4]彭振斌.注漿工程設(shè)計計算與施工[M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.