底板注漿加固治理水害技術

高偉林

(青海省西海煤炭開發有限責任公司，青海 海北 812303)

1 工程概況

某礦一采區東翼回采工作面切眼已貫通，開采煤層平均厚度2.26 m，屬近水平煤層，煤層直接頂為泥巖，老頂為K8砂巖，底板為泥巖。回采巷道掘進期間共揭露1個陷落柱和13條斷層。X-32陷落柱位于回風巷開口處右側，距該工作面停采線約180 m，且不導水，故不對該工作面的回采造成影響；位于回采范圍外3條斷層不對回采造成影響，回采范圍內有6條斷層的平均落差僅為0.5 m，對回采影響較小；F1164斷層位于回風巷5號點前72 m，落差1.8 m、傾向SE39°、傾角55°，為對回采影響程度較大的正斷層；F1162斷層位于運輸巷5號點前25 m，落差17 m、傾向SW18°、傾角20°，為對回采影響程度較大的正斷層；F1164與F1162斷層走向相同，預計為一條橫穿整個工作面的斷層延伸所致。F1033斷層位于運輸巷7號點前56 m，落差13.2 m、傾向SW56°、傾角60°，為對回采影響程度較大的正斷層；F1062斷層位于運輸55號點前36 m，落差12.26 m、傾向SE68°、傾角60°，為對回采影響程度較大的正斷層。

2 潛在突水風險分析

該礦奧灰靜水的水位標高約+515 m，高于工作面所采煤層底板+261～+306 m的標高，故該工作面屬于帶壓工作面，需對可能存在的導水因素進行排查。工作面巷道掘進過程中部分區段頂板有淋水現象，頂板水源有限，故富水性較弱，掘進過程中已對該部分頂板水疏放完畢；工作面內斷層不導水，預計老頂K8砂巖的裂隙水對回采影響極小；該工作面周邊存在3個地質鉆孔，經復查其封孔情況全部合格，對工作面回采不構成影響；X-32陷落柱由于距工作面較遠且該陷落柱不導水，故不影響工作面回采；回采工作面與其東側的采空區之間的最小距離為63 m，基本不對該面的回采造成影響。對一采區回采工作面安全回采造成隱患的水源有以下兩點：

1) 奧灰含水層。礦井地質資料顯示，井田內+505 m標高存在的奧灰(O2)水含水層與一采區回采工作面底板的平均層間距為110 m，導致該工作面為承壓2～2.5 MPa的帶壓工作面，而經過對巷道內多個揭露斷層的長期監測，發現斷層對奧灰(O2)水含水層的影響較小，導水性較弱，因此奧灰(O2)水含水層對一采區回采工作面的回采基本無影響。

2) 太灰含水層。礦井地質資料顯示，井田內+497 m標高存在的太灰含水層與一采區回采工作面底板的平均層間距為80 m，導致該工作面承受1.89～2.41 MPa的壓力。一采區回采工作面巷道掘進過程中發現，幾個落差較大的斷層在接露時有大量水從底板涌出，并且持續時間較長，為導水性較強的斷層，因此太灰含水層可能對回采造成較大影響。

3 工作面下伏巖層破壞情況分析

使用FLAC3D數值模擬軟件[1-3]分析一采區回采工作面下伏含水層對工作面回采的影響，建模時將斷層簡化為落差16 m、傾角為55°的正斷層，對模型施加9 MPa的載荷代替覆巖載荷，將工作面向斷層方向回采，直至通過斷層影響范圍，共150 m，以此來研究斷層影響下工作面回采時底板的破壞情況，并準確了解下伏太灰水、奧灰水的突水情況，以指導一采區回采工作面安全回采，所建模型如圖1所示。

圖1 建模示意

共設計三個方案來研究水害及其治理情況：方案一為無斷層正常回采情況；方案二為有斷層不采取治理措施的回采情況；方案三為有斷層并進行底板注漿加固的回采情況。三種方案下底板塑性區模擬結果見圖2。

圖2 底板塑性區發育情況

由圖2(a)可知，當工作面不受地質構造影響時，工作面的塑性發育區主要為工作面頂板及兩端頭的底板，工作面端頭底板的最大破壞深度為24.96 m，遠小于工作面與含水層的層間距，整體上看底板較完整，故無斷層時工作面回采無突水風險；由圖2(b)可知，當工作面內存在落差16 m的斷層時，工作面回采圍巖的塑性區范圍明顯增大，尤其工作面兩端頭的底板破壞深度達到60.49 m和93.38 m，而工作面與太灰水含水層的層間距為80 m，故工作面回采擾動會導致斷層與太灰水含水層溝通，致使工作面及采空區有大量水涌出，影響安全生產；由圖2(c)可知：對斷層區域底板進行注漿加固后再進行回采作業，工作面圍巖的塑性區范圍較有斷層不治理情況下明顯減小，斷層附近底板受回采擾動影響后的最大破壞深度縮小至56 m，小于工作面與太灰水含水層80 m的層間距，故斷層存在并對底板進行注漿加固后可使底板的破壞深度小于工作面與含水層的層間距，避免了斷層受回采擾動溝通含水層而涌水的情況。

綜上分析，針對工作面回采范圍內存在的F1162、F1033、F1062等斷層由于落差較大可能受回采擾動與太灰水含水層溝通，造成底板突水，需對底板注漿加固有效降低底板的破壞深度，避免突水。

4 斷層影響范圍內底板注漿加固現場試驗

4.1 注漿方案

工作面范圍內共有4條落差較大的斷層對回采影響程度較大，為徹底杜絕回采過程中突水事故的發生，在兩巷道內工作面前方500 m均布置7個鉆場，相鄰鉆場間隔50 m，每個鉆場內沿各個方向布置6個垂直深度達80 m的注漿鉆孔，使漿液可以加固全部底板。應用礦方注漿加固自行配比所得的注漿材料進行底板注漿加固，水泥與粘土的配比為1∶3。用二級套管作為注漿管，在斷層附近底板裂隙發育程度高的區域用三級套管作為注漿管，采用三級法蘭盤結構固定注漿管[4]，現場根據注漿情況調節漿液配比，底板注漿加固示意如圖3所示。

圖3 回采工作面底板注漿加固鉆孔布置

4.2 效果分析

注漿加固完成后，通過在工作面運輸巷內進行瞬變電磁探測，以檢驗注漿加固底板的堵水效果。自運輸巷1 600 m處起至切眼處共500 m范圍內每隔10 m布置1個測點，每個測點選俯角30°和60°向工作面底板內進行探測以提高結果的精確性，底板注漿加固前后的探測結果如圖4所示。

由圖4(a)可知，底板未注漿加固時，瞬變電磁探測結果顯示一采區回采工作面切眼前500 m范圍內受斷層影響，存在圖中A、B、C三片面積較大的富水區域，存在較大突水風險；圖4(b)顯示，切眼前500 m范圍內進行底板注漿加固后，該范圍內已無明顯的富水區域，說明底板注漿加固后可以避免回采過程中底板裂隙與含水層溝通，效果良好。

圖4 探測結果

5 結 語

針對某礦一采區回采工作面范圍內存在4條落差較大的斷層，有可能導通太灰水含水層影響工作面的安全回采，通過底板注漿加固的方式，有效治理了底板水害，取得了良好效果。