巴拉素煤礦強富水煤層注漿改造設計

劉 洋，王春剛，梁向陽，方 剛

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000）

榆橫北區位于陜北侏羅紀煤田中西部的榆陽區和橫山縣境內，面積3 200 km2，探明煤炭儲量270億 t，共規劃 11 個井田，建設規模3 300 萬 t/a。目前，整個榆橫北區僅小紀汗煤礦和袁大灘煤礦為生產礦井，其他礦井正處于基建或勘探階段。作為生產礦井的小紀汗煤礦和袁大灘煤礦，在井筒揭露2 號煤層及后期開采過程中，均發生了煤層突水事故[1-2]。小紀汗煤礦進風井筒由于未采用凍結法施工，在揭露 2 號煤時，煤層涌水量 80 m3/h、水壓 2.2 MPa，連續排水超過1 個月，水量未出現衰減，在采取單液漿、雙液漿及化學漿等多種方式無果的情況下，礦井最后將設置在 2 號煤中的馬頭門底板標高上調20 m，以避開出水煤層段；袁大灘煤礦回風立井在揭露2 號煤時，瞬時涌水量最高達305 m3/h，連續排水2 個多月水量未出現衰減，最后礦井采用加大排水能力，超前疏放掩護掘進的方式完成馬頭門施工。這2 個礦井在后續掘進煤層巷道過程中，一直飽受2 號煤出水的影響，僅能通過疏放水的方式掩護巷道掘進。

從上述礦井井筒開鑿過程中煤層出水情況表明，2 號煤層水已經嚴重影響榆橫北區礦井建設進度。目前，在井筒開鑿階段，由于井筒無法形成穩定的排水系統，臨時排水設施的排水能力較低，井筒一旦揭露強富水、高壓力的煤層水，安全風險極高，防治措施采取不當，極易造成井筒被淹事故的發生，當前主要采取疏放水或注漿改造2 種措施，疏放水易實行但放水時間無法確定，加之礦井建設初期外排水處理能力低，且涉及水資源費及環保政策等一系列問題，礦方一般不會采取該種措施；煤層注漿改造不但能夠快速封堵馬頭門出水部位，減少甚至消除礦井涌水量，使礦井的建設進度按照計劃工期進行，還可以為井筒周邊2 號煤層內附屬硐室的安全掘進提供條件，因此該措施得到煤炭企業的普遍認可。然而，針對石炭-二疊紀煤層開采面臨底板奧灰水威脅，煤層底板含、隔水層注漿改造及加固的報道較多，對煤層自身進行注漿改造卻尚未見報道，根據調研，也有部分礦井如小紀汗袁大灘等礦井也開展過煤層注漿堵水工程試驗，但是均以失敗告終。據此，以巴拉素煤礦副立井馬頭門過強富水2號煤為例，根據煤層出水特征及裂隙發育特點編制針對性的注漿設計，為出水煤層封堵改造提供依據，以大幅度減小井筒涌水量，確保馬頭門及相關硐室的正常掘進。

1 工程概況

巴拉素煤礦為陜西延長石油集團正在籌建的1個大型現代化礦井，地處毛烏素沙漠邊緣，井田南北長約 22.5 km，東西寬約 13.4 km，總面積 300.40 km2，采用全立井開拓方式[3-4]。在井田中部場地布置主立井、副立井、中央回風立井。其中副立井設計為圓形斷面，井筒凈直徑 φ10.5 m，凈斷面積 86.59 m2，井口標高＋1 205.500 m，井底標高＋ 674.15 m，井筒垂直深度 531.35 m。

巴拉素煤礦副立井井筒已落底，在準備掘進2號煤馬頭門時，根據井筒防治水設計，掘進前礦方在井筒2 號煤位置針對待掘馬頭門進行了超前探放水。2018 年7 月19 日，礦方在東側馬頭門施工了的1 個煤層探放水孔，在鉆進至5 m 時鉆孔開始有少量出水（2 m3/h），至 52 m 時出水量為 35 m3/h，停鉆測水溫為 22.5 ℃，水壓為 2 MPa，水質清澈，有硫磺味，一直開孔放水至7 月21 日，水量未出現衰減。2018 年7 月21 日，礦方在副立井西側馬頭門施工了1 個煤層探放水孔，鉆進至9.5 m 出水量約19 m3/h，水溫 22.5 ℃，水壓 2.0 MPa，水質清澈，有硫磺味。疏放水鉆孔關閉后，兩側馬頭門煤壁開始出水，隨著凍結圈解凍范圍擴大，水量持續增大，截至8月2 日，兩側馬頭門煤壁涌水量穩定在180 m3/h。根據東側馬頭門探放水孔的水壓觀測，通過15 d 的馬頭門出水，初始水壓力由 3.2 MPa 穩定至 3.0 MPa，副井馬頭門總出水量雖然近6.5 萬m3，但總涌水量未見衰減，含水層水壓力衰減緩慢。

針對副井馬頭門出水情況，現場第一時間取水樣進行了水質全分析，并在隨后間斷取樣進行了化驗，截至7 月31 日，共取水化學樣品3 組，測試結果的礦化度為 5 293.53～5 744.17 mg/L，水質類型為SO4-Na·（Ca）。通過與水文補勘階段各含水層水化學特征對比，初步判定充水水源為2 號煤煤層水。

根據勘探報告[5]結果，巴拉素井田內2 號煤含水，水位埋深 21.12～117.25 m，水位標高＋1 104.96～＋1 216.23 m，單位涌水量0.002～0.034 L/（s·m），滲透系 0.060～1.173 m/d，富水性弱。與副立井最近的DCC-1水文勘探孔揭露的2 號煤水位標高為＋1 054.96 m，副立井揭露的2 號煤底板標高為＋721.6 m，據此得出副立井揭露的2 號煤承受水壓為 3.53 MPa，與出水煤層觀測的水壓基本相同。

從水質、水壓及鉆孔實際揭露情況分析，最終確定副立井出水水源為2 號煤層水。由于副井馬頭門涌水量大，礦井地面外排水壓力較大，加之經過近15 d 的疏放，水量衰減程度不明顯，因此對副立井2號煤出水位置進行注漿封堵是最可行的方案。

2 注漿堵水

2.1 總體設計

巴拉素煤礦副立井井筒剛落底，井筒排水能力及礦井外排水能力均不足，因此本次注漿堵水設計的總體思路是采用新材料、新工藝進行“引流注漿，帷幕封堵”，在待掘馬頭門巷道周圍注漿形成止水帷幕[6-7]，將掘進巷道與含水煤層隔開，減少井筒涌水量，保障馬頭門巷道的安全掘進。

本次工程目標是單側馬頭門掘進過程中涌水量不超過30 m3/h，為后續2 號煤層馬頭門掘進及砌碹提供安全保障，方案總體分為4 步：

1）對馬頭門上部40 m 井筒范圍內壁間及壁后環形空間進行充填注漿，避免煤層水封堵后水位上升，加速凍結孔及凍結壁的解凍速度。

2）在待注漿堵水區域周邊施工一定數量疏水泄壓鉆孔，通過集中放水截流，降低待注漿區域內煤層水壓力，并在注漿過程中起到引流注漿作用。

3）對2 號煤內待掘馬頭門兩幫及迎頭影響范圍內施工一定數量注漿孔，采用水泥漿和雙液漿相結合的方式，對煤層孔隙、裂隙進行注漿改造，單孔注漿過程采用見水就堵的注漿方法；注漿孔在煤層頂板砂巖中開孔，并在砂巖段安裝止水套管。

4）對注漿改造區域施工檢查孔，通過單孔壓水試驗、出水量指標檢查注漿效果，對不滿足要求的區域，通過檢查孔進行補充注漿。

通過上述4 個注漿過程，最終實現副立井2 號煤兩側馬頭門的注漿封堵，總體目標為注漿工程實施完畢后，副立井2 號煤馬頭門單側涌水量不超過30 m3/h，兩側總涌水量≤50 m3/h。

2.2 防隔水煤巖柱

《煤礦防治水細則》中防隔水煤巖柱寬度計算公式見下式：

式中：L 為巷道迎頭或側幫與含水層間安全隔水煤（巖）柱寬度，m；K 為安全系數，取值 2.5；M 為巷道跨度，m；p 為巖（煤）柱承受的水頭壓力，MPa；KP為水巖（煤）柱的抗拉強度，0.5 MPa。

根據《巴拉素井田水文地質補充勘探報告》2 號煤的飽和抗拉強度KP為0.5 MPa，副立井井筒直徑為 10.5 m，煤層最大水壓力為 3.0 MPa，求得防隔水煤巖柱寬度L=17.5 m。根據《煤礦防治水細則》第九十三條規定，防隔水煤巖柱的尺寸不得小于20 m。安全起見，本次設計安全隔水煤巖柱寬度取值20 m。

2.3 馬頭門上部井壁注漿

進行馬頭門上部井壁壁間、壁后充填的主要目的：是防止封堵后的高壓煤層水沿著外層井壁環形空間向井筒上部流動，加速井壁圍巖凍結圈及凍結孔的解凍速度，將延安組、直羅組及洛河組含水層水導入井下；防止對馬頭門施工及后續穩定性產生影響；防止引發次生災害[8-9]。

本次馬頭門上部壁間、壁后環形空間充填利用現有的預埋注漿孔進行施工，由于是局部止水注漿，只需在-490 m 及-470 m 施工 2 排孔（6 孔/排，共12 個注漿孔），按照設計要求完成注漿工作即可，注漿壓力一般以能克服注漿管道阻力和靜水壓力為宜，但必須小于井壁能夠承受的壓力。井壁能夠承受的壓力按以下公式確定：

式中：pj為注漿處井壁能承受的壓力，MPa；f 為井壁材料允許抗壓強度，50 MPa；B 為井壁厚度，1 200 mm；R0為井筒內半徑，4 000 mm。

計算出井壁能夠承受的壓力為10.2 MPa。在實際注漿過程中，由于注漿段井筒深度不一，注漿結束標準存在差異，施工時按下式進行動態調整：

注漿孔達到設計終壓并穩定2 min，方可結束單孔注漿。計算得到-490 m 處注漿孔壓力為5.9 MPa，-470 m 處注漿孔壓力為 5.7 MPa。

2.4 泄水孔

施工泄水孔的主要目的降低帶注漿區域的水壓，在注漿過程中起到引流注漿的作用，并確定注漿影響半徑，關鍵時刻可以起到補充注漿的作用。

1）鉆孔結構。泄水孔一開孔直徑為φ127 mm，孔深17 m；套管固結，套管孔徑為φ108 mm，套管長度16 m；二開用φ94 mm 無芯鉆頭鉆進至設計孔深。

2）鉆孔布置。副井馬頭門泄壓孔布置平面圖如圖1。平面上，在副立井2 號煤馬頭門東、西兩側各布置5 個泄壓孔，鉆孔終孔位置為注漿范圍以外5 m?？紤]到副井周圍有1 圈凍結管，為避免鉆孔施工過程中，碰到凍結管，鉆孔平面設計避開凍結管。剖面上，泄壓孔開孔位置為煤層底板以下3 m，在底板粉砂巖中開孔，保證孔口管可以完整地固定在巖層中；相鄰鉆孔開孔位置間距為1.5 m；鉆孔穿過煤層，進入底板砂巖1 m 后終孔。

2.5 注漿堵水設計

2.5.1 注漿鉆孔

1）鉆孔結構。鉆孔結構同注漿孔。

2）鉆孔布置。平面上，注漿鉆孔覆蓋范圍為巷道兩幫各20 m 范圍及待掘巷道迎頭20 m 范圍；鉆孔終孔位置平距為35 m，在兩側馬頭門分別布置13 個注漿孔，考慮到副井周圍有1 圈凍結管，為避免鉆孔施工過程中，碰到凍結管，鉆孔平面設計避開凍結管，副井馬頭門注漿孔布置平面圖如圖2。剖面上，鉆孔開孔位置為2 號煤層頂板砂巖中，開孔位置距離煤層頂板3～4 m，同一排相鄰2 個鉆孔開孔位置間距為 0.7 m。

官方資料顯示，郝建華，女，出生于1969年5月，河北涉縣人，在職研究生學歷，1996年3月加入民革。1994年12月，她在山西省政府法律服務處（三晉律師事務所）工作，于2005年7月起任山西佳鏡律師事務所主任。

圖1 副井馬頭門泄壓孔布置平面圖Fig.1 Pressure relief hole design plan of auxiliary shaft inset

圖2 副井馬頭門注漿孔布置平面圖Fig.2 Grouting hole design plan of auxiliary shaft inset

副立井2 號煤東、西兩側馬頭門共設計26 個深部注漿孔，累計進尺892 m。為防止注漿效果達不到預期目標，在東西兩側馬頭門各設置3 個機動孔，孔深40 m。即本次設計注漿孔累積孔深1 132 m。

2.5.2 注漿工藝參數

1）注漿材料。首先，采用水灰比 3∶1 的 P.O42.5R 水泥進行地面高壓劈裂支撐注漿，達到8 MPa 的注漿設計壓力后停止注漿，其質量須符合GB 175—2007國家標準；其次，采用水灰比3∶1、比表面積600 的高性能水泥基注漿料進行恒壓滲透充填注漿，增加漿液擴散半徑，強化孔隙、裂隙充填密實度，提高煤層整體抗水壓強度；造漿用水水質須滿足JGJ 63—2006 國家混凝土用水標準其 SO42-濃度應＜2 700.0 mg/L，pH 應＞4.0。

2）注漿工藝。帷幕注漿堵水治理注漿采用孔口封閉靜壓前進式分段注漿法。注漿開始前，先進行壓水，注漿過程中若吃漿量大，可用稠漿進行注漿或采用間歇式注漿法。若吃漿量小，可用稀漿進行注漿。注漿時首先采用P.O42.5R 水泥進行地面高壓劈裂支撐注漿，達到注漿設計壓力后，再采用比表面積600 m2/g 的NF 高性能水泥基注漿料進行恒壓滲透充填注漿，達到設計壓力后注漿結束。單回次注漿起壓等凝后，進行掃孔再注漿，若能吃漿則須繼續注漿，然后再掃孔，直至掃孔不吃漿，則繼續向前鉆進，如此循環式前進。煤層注漿時孔口終止壓力不大于10 MPa，由于注漿工程的特殊性，施工中可根據現場情況進行調整，如遇到較大垂向通道可能造成漿液大量漏失時，可采用間歇注漿方式對鉆孔進行升壓。

3）注漿壓力。注漿壓力的大小直接影響到漿液擴散距離和有效充填范圍。由于本方案鉆孔間距較大，漿液壓力較小時擴散范圍有限，為了提高注漿效果，增加擴散距離，注漿過程中遇到細微裂隙時，采用高壓稀漿灌注工藝，使原有裂隙通道變大，溝通無效封閉裂隙，提高充填效果[10-11]。根據以往注漿經驗[11-12]，注漿總壓力應不小于受注含水層最大靜水壓力。根據水文地質補充勘探結果，2 號煤水壓3.8 MPa，為提高注漿效果，注漿總壓定為靜水壓力的2 倍，即注漿終壓不小于 7.6 MPa，按照密度為1.5 kg/cm3的水泥漿計算，本地區注漿孔口終壓不大于8 MPa。

4）注漿程序。程序為：①注漿前先疏放水10～15 min，并控制好疏放水量，將沉積在孔內的煤巖粉沖出；②對注漿設備、注漿管路進行打壓試驗，地面試驗的最大壓力不超過6.0 MPa，井下最大壓力不超過10.0 MPa；③造漿：水泥漿由稀到稠，再根據注漿壓力、泄水孔壓力及鉆孔涌水量進行反應速度的調整；④注漿：注漿過程中根據進漿情況隨時調節泵壓、泵量及漿液濃度。一般要連續注漿，發現跑、串漿時，可對漿液反應時間進行調節，確保不發生上述現象；⑤當全孔段注漿達到結束標準時，向孔內注入一定體積清水，將管路清洗干凈，關閉注漿孔閥門，2 h 后打開閥門，觀測孔內是否還有涌水。

5）注漿孔施工順序。注漿孔施工順序為：先施工副立井2 號煤東側馬頭門注漿孔，待東側馬頭門注漿結束后，再施工西側馬頭門注漿孔。同一側馬頭門注漿工施工過程中，采用從兩側向中間注漿的方式，即先施工北側1#孔，完成注漿后施工南側7#孔，依次類推，最后施工13#孔，一方面檢查注漿效果，另一方面對中部進行補充注漿。在同一側注漿鉆孔施工過程中，采用跳孔注漿的方式，即先對1#、7#、3#、9#、5#、11#、13#孔注漿，在對 2#、8#、4#、10#、6#、12#孔注漿，注漿過程中觀測泄水孔水量變化情況，若泄水孔出現漏漿、水量增加的現象，應關閉相應鉆孔，進行升壓注漿。注漿孔的施工順序為：鉆孔定位→開孔鉆進至孔口管設計深度→下入孔口管注漿固結→漿液凝固后繼續鉆進至設計層位→全控端注漿方法。注漿孔施工與注漿的配合方式：每施工完1個鉆孔，即進行注漿，注漿完成后，再施工下一個鉆孔，依次類推。

6）擴散半徑。預計漿液擴散半徑為10～15 m，本次設計取值10 m。

7）注漿量預計。經計算，副立井帷幕注漿漿液注入量為 3 554 m3。預計水灰比 3∶1 的 P.O42.5 R 水泥漿注漿量為總注漿量的1/3，注漿量為1 185 m3，漿液密度 1.20 g/cm3，用量 355 t；水灰比 3∶1 的比表面積600 NF 高性能水泥基注漿料為總注漿量的2/3，注漿量為 2 369 m3，漿液密度為 1.29 g/cm3，用量為764 t。實際施工過程中，漿液可能沿著外層井壁邊緣向上、下部空間流動，致使注漿量增大。為了避免漿液流失量過大，注漿前，先進行井筒壁后空間的注漿封堵。帷幕注漿漿液注入量Qj按以下公式計算：

式中：L 為注漿范圍長度，m；Bj為注漿范圍寬度，m；Mj為受注層段厚度，煤層厚度 3.3 m；η 為受注層平均孔隙率，取值9.0%；ε 為充填率，取值90%；δ 為漿液流失系數，取值 2.5；ω 為漿液結石率，取值60%。

8）單孔注漿結束標準。在檢查注漿段前，每個注漿孔都應達到單孔結束標準。單孔注漿結束標準的參數指標包括：注漿壓力pd、注漿量Qd及單位吸水率q。煤層注漿壓力不大于8.0 MPa，即可認為該受注層段注漿已達到壓力結束標準。當注漿壓力達到結束標準后，應逐次換檔降低泵量，直至泵量達到10 L/min，并維持30 min。在注漿量達到要求后，每個孔必須進行壓水試驗（試驗壓力為結束壓力的80%），并求解單位吸水率q，確定是否繼續注漿。根據 2 號煤層涌水情況，Qd和pd取壓水試驗記錄數據，Ld取孔口管位置至孔底的距離。當單位吸水率小于標準值0.01 L/（min·m·m），表明煤層內裂隙已達到充填加固封堵的效果。單位吸水率可根據注漿泵壓、吸水段長度等計算，單位吸水率公式如下：

式中：qd為單位吸水率，L/（min·m·m）；Qd為壓入流量，L/min；p 為作用于試段內的壓力換算水頭高度，m；Ld為受注段長度，m。

2.5.3 檢查方案

注漿工程結束后，須布置一定量的檢查孔，其數量占注漿孔總數的20%。檢查孔一般布置在鉆孔稀疏和待掘進區域內，其作用是：一是可以用來檢查注漿改造的效果；二是可起到補充注漿的作用。本次檢查孔暫設計 6 個，后期根據注漿效果檢查情況進行適量增減[10-12]。

1）檢查孔標準。檢查孔須開展壓水試驗，以判斷注漿結石體的穩固性，檢查孔出水量必須小于0.4 L/（min·m），任一檢查孔總出水量小于10 L/min；然后進行壓水檢查，在 1.0 MPa 壓力下，吸水量小于2 L/min，否則重新進行補充注漿。

2）注漿圈內外水壓差。注漿工作完成后，施工2個水壓觀測孔，1 個孔終孔位置超過注漿帷幕以外，水壓應為3.0 MPa，另1 個孔終孔位置在注漿固結圈徑內，應呈現無壓、無水狀態，水壓觀測不少于12 h，出現上述現象，說明待掘巷道外圍止水帷幕形成，否則繼續補充注漿，直至滿足水壓差為止。本次在副井東西兩側馬頭門各設置 6 個檢查孔，預計鉆探進尺 480 m。

3 結 語

根據“引流注漿，帷幕封堵”的堵水思路及工程設計，巴拉素煤礦通過近2 個月的現場工程實施，煤層內孔隙和裂隙得到漿液固結加固，成功實現了在動水條件下的煤層注漿封堵。注漿工作完成后，副立井兩側馬頭門揭露的2 號煤實測涌水量為11 m3/h，堵水率越93 %，滿足硐室開鑿條件。本次注漿堵水能夠取得如此高的堵水率，主要原因取決于注漿工藝的改進及NF 高性能水泥基注漿料在煤層堵水中的創新性使用。