綜采工作面底板注漿加固改造技術研究

尹思遠 皇 偉

（河南能源化工集團永煤集團陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

1 概況

陳四樓煤礦2801工作面位于八采區，工作面對應地面標高為+35.16m，工作面標高為-529.0～-579.5m，走向長908～965m，傾斜長105～234m，總面積198079m2。

由于2801工作面區域的灰巖含水層水位標高遠高于煤層標高，如不采取可靠的措施，無法保證工作面的安全開采。

2 注漿加固方案

根據出水鉆孔水壓值及孔口標高，計算出2801工作面區域太原組上段灰巖含水層水位標高約為-93m，二2煤下距太原組上段L11灰巖52.74m，由此推測2801工作面底板隔水層所受灰巖靜水壓力為4.9～5.4MPa。

根據采煤工作面安全水頭壓力值計算公式：

P=TSM

則：M=P/TS

其中：

P-水壓，MPa；

Ts-突水系數（一般情況下，在具有構造破壞的地區按0.06MPa/m計算，隔水層完整無斷層構造破壞地區按0.1MPa/m計算）；

M-隔水層厚度，m；

工作面底板灰巖靜水壓力取最大值5.4MPa，則2801工作面按正常塊段計算安全隔水層厚度：

M=P/Ts=5.4MPa/0.1=54m

根據《陳四樓煤礦煤層底板擾動規律及突水預測預報研究》結果，得到底板破壞深度(h1)和采深(H)之間的預測公式：

h1=6.3615ln(H)-26.946

式中：

ln-代表以e為底的自然對數；

H-工作面采深（工作面對應地面標高與工作面底板標高的絕對值之和），m；

已知工作面對應地面標高為+35.16m，回采范圍內二2煤底板標高-529.0～-579.5m，計算得到H=564.16～614.66m，則工作面采動對煤層底板破壞深度：

h1=6.3615ln(H)-26.946=13.36～13.90m

由以上計算可知，工作面安全回采隔水層厚度為54m，工作面采動對煤層底板破壞深度取最大值13.90m，則工作面安全隔水層厚度應為69.90m。已知L11灰巖距離二2煤層52.74m，即在無褶曲、斷層等構造破壞的正常地層塊段內，工作面也存在底板太原組灰巖水突水威脅。

為確保2801工作面安全回采，確定將工作面底板改造至L10灰巖下部約75m厚的完整巖層，從而起到安全隔水的作用。

因2801工作面為八采區首采面，受F13-1、F13斷層影響，水文地質單元相對獨立，因此隨著底板注漿工程的開展，根據施工鉆孔出水量、出水深度、水壓資料進行分析后，對于出水量較大、富水異常、水壓較大區域可考慮延孔鉆進至L8灰巖，以達到板注漿加固效果，增強煤層底板有效隔水層厚度的目的。

3 注漿施工

3.1 設備、材料選型及材料配比

鉆探設備選用ZDY3200S型全液壓鉆機，開孔選用Φ140mm鉆頭，正常鉆進期間為Φ92mm的PDC復合片鉆頭；圓鉆桿Φ73mm，單根長1m，三棱鉆桿Φ73mm，單根長1m及配套直徑4寸高壓閘閥和防噴裝置。

注漿設備：井下注漿泵選用2TGZ-60/210型和2TGZ-120/105型，地面注漿站選用3NBB-260/7型泥漿泵。見表1。

表1 鉆探注漿設備一覽表

3.2 鉆場的布置

每組鉆場包括鉆機窩、注漿泵窩、沉淀池及其連通的水溝。

鉆場采用工作面一側布置，切眼與停采線間每100m布置一組，遇有斷層或其他構造影響時可做適當調整。

注漿泵窩用于放置注漿泵、鉆機泵站、注漿材料、配件等。

3.3 鉆孔施工管理及要求

（1）鉆孔出水后必須測定出水深度、出水量、水溫、水壓等基本參數，以便于進行分析。

（2）當鉆孔施工過程中揭露斷層及其破碎帶時，易發生塌孔埋鉆現象。因此，要進行注漿加固破碎帶，封堵導水裂隙，防止在鉆孔揭露含水層后，出現斷層裂隙帶跑水或跑漿現象，并能解決塌孔埋鉆問題。

注漿方式采用下行式注漿：當鉆孔出水后，由于水量較大頂水無法鉆進或鉆孔水量達到20m3/h以上，滿足地面注漿條件時，可以拔鉆地面注漿，每次地面注漿終壓必須達到11MPa，待孔內漿液凝固12h后方可透孔鉆進，直至終孔。鉆孔注漿合格后，必須于2d內進行封孔處理，以達到較好的封孔效果，防止由于放置時間過長造成封孔質量下降。

（3）判定單孔施工質量合格并結束應滿足以下要求：鉆孔施工按設計傾角、方位施工并達到設計孔深；地面及井下注漿壓力達到設計壓力值；注漿量（以t為單位）小于出水量（以m3/h為單位）的1/2，經過掃孔、延孔的；鉆孔封孔后周邊無漏水、滲水。

（4）判定鉆場施工質量合格并結束應滿足以下要求：鉆場內所有設計鉆孔均施工合格并經過驗收；鉆場內所有設計鉆孔的套管露出底板長度均不大于100mm；鉆場內出現掉鉆具、塌孔無法鉆進、注漿量與出水量不匹配等異常鉆孔補加鉆孔施工；鉆場內針對富水異常區、構造發育區域所施工的檢驗鉆孔，出水量須小于該鉆場原出水鉆孔的平均水量的1/2；鉆場內所有鉆孔封孔質量合格。

（5）每個鉆孔施工完畢后，都要進行驗收和總結。內容包括鉆孔開孔日期、終孔日期、下套管長度及質量、出水深度、出水層位、出水量、水壓、水溫、注漿量、封孔質量、施工過程中出現的故障等，對鉆孔注漿質量進行分析評價，對施工的鉆孔分段記錄施工負責人和施工人員，并分鉆場、工作面建立技術檔案。

（6）綜采工作面底板灰巖含水層富水性中等，灰巖含水層富水性、裂隙發育程度不均一，施工期間重點對斷層附近灰巖含水層及底板裂隙、物探異常區和鉆探富水區進行注漿改造，施工中通過引流注漿的方法提高鉆孔的可注性，使其注漿量提高。

3.4 施工效果

2801工作面施工鉆孔終孔層位為L8灰巖，工作面里段區域鉆孔出水量較小，工作面外段區域對出水量較大的灰巖含水層加密布置鉆孔，使鉆孔對工作面L11、L10、L8灰巖做到了全覆蓋，富水含水層以L10灰巖為主，各層灰巖含水層注漿量與出水量比值遠大于0.5:1，注漿質量較好。

后期根據鉆孔的出水層位、出水量、注漿量和施工順序進行綜合分析，對部分出水量較大、注漿量較小的區域周邊20m范圍進行了補孔檢查和驗證，最后序次施工的檢驗、驗證鉆孔在L11、L10灰巖未出水或出水量小于20m3/h，在L8灰巖出水量小于30m3/h，證明部分鉆孔雖注漿量較小，但由于灰巖裂隙發育不均一，注漿期間已對灰巖主要裂隙進行了封堵，達到了較好的注漿效果。

4 結語

2801工作面通過開展底板灰巖含水層改造，有效封堵了煤層底板導水裂隙，將煤層底板至灰巖底部的灰巖含水層改造成有效隔水層及弱含水層，可以確保工作面安全回采，降低防治水成本，達到增加經濟效益的目的。