工作面底板含水層的探測與注漿防突水實踐

張 瑯

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

底板突水是煤層底板含水層中的水在采掘過程中通過天然或人為的導水通道進入礦井的過程與結果。我國華北型的石炭二疊系煤田主要受煤系底部巨厚層奧陶系及太原群巖溶含水層的威脅。奧陶系灰巖含水層富水性強，水壓可達到2.0～6.5 MPa，下組煤層與下伏的灰巖巖溶含水層之間的隔水層厚度一般只有10～20 m，最大50～60 m，承壓水危害嚴重。國內外眾多學者在底板突水機理和防治方法方面均展開了大量的研究工作；在突水機理方面先后提出了“突水系數”、“原位張裂”、“薄板理論”、“強滲通道”、“關鍵層”及“下三帶”等理論，從不同方面探討了頂底板突水發生的機理，并對突水危險性給出了評價預報方法，對煤礦水災的防治起到了積極的指導作用；底板突水防治技術方面主要形成了以疏水降壓、注漿堵水改造底板及含水層、改變開采方法的防突水體系。本文依據辛置煤礦10-428B工作面的具體地質條件，通過瞬變電磁技術進行底板富水性的探測，并基于探測結果進行注漿堵水方案設計和效果分析，為類似工程背景防治水作業提供一定的參考。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦10-428B工作面位于+540水平東四左翼采區北側，南面為東四左翼軌道巷、皮帶巷，西面為10-428A工作面。工作面主要開采10#煤層，煤層厚度為1.43～2.67 m，平均厚度為2.6 m，煤層平均含2～3層夾矸，平均傾角為4°。直接頂巖層為9#煤和泥巖互層，平均厚度為3.0 m；基本頂巖層為K2灰巖層，平均厚度為8.0 m；直接底巖層為砂質泥巖，均厚為0.8 m；基本底巖層為中-細砂巖，均厚為7.0 m。工作面采用綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。

根據工作面地質資料，工作面采用帶壓開采。工作面標高+403～+451 m，帶壓0.74～1.02 MPa；10#煤層底板距下覆奧灰頂面平均間距為32 m，由于工作面底板巖層砂質泥巖和中細砂巖層節理裂隙發育，且工作面區域范圍內發育有4條斷層，在工作面回采期間存在著較大的突水危險性。為掌握工作面底板的富水區域和富水量，結合目前技術較為成熟的探測技術，綜合確定10-428B工作面底板富水區域探測采用瞬變電磁技術，并采用注漿加厚底板隔水層厚度以防止底板產生突水，見圖1。

圖1 10#煤層頂底板巖層柱狀圖

2 工作面瞬變電磁探測分析

為掌握10-428B工作面巷道底板40 m范圍內巖層含水層、富水區域位置及導水裂縫帶的高度，采用瞬變電磁技術進行探測。探測作業分別在工作面進風巷和回風巷的側幫進行，測點從距離工作面切眼10 m的位置處開始布置，并每間隔10 m布置1個測點，工作面共設置兩條測線[1-2]，其中在運輸巷設置測點106個，探測角度為-15°、-60°；在回風巷設置測點37個，探測角度45°。

根據工作面的地質條件及巷道內的探測作業環境，確定工作面視電阻率剖面圖中的數值低于3時，即可認定為相對富水區域。根據探測結果得出工作面視電阻剖面見圖2。

據圖2可知，工作面區域存在視電阻率小于2的富水性較強的區域1處，存在視電阻率＞2且＜3的區域1處。另外，從物探剖面圖中能夠看出，工作面不同位置底板低阻異常區域數量較多，但大部分低阻區域導高都較低，僅存在2處低阻區域范圍內的導高比較大，該處區域存在著較高的突水危險性。考慮到工作面底板巖層節理裂隙較為發育，為保障工作面回采的安全，確定對工作面底板采取注漿，以加厚底板隔水層的厚度。

圖2 10-428B工作面物探視電阻剖面

3 底板注漿改造及效果

3.1 底板注漿方案

（1）底板注漿改造原理：工作面底板巖層注漿加固后，其巖層性質在一定程度上會得到改造。底板注漿改造時，首先對單孔漿液的有效擴散半徑進行預計，隨后在工作面運輸順槽和回風順槽內設置足夠數量的注漿鉆孔，在合理的注漿壓力下，將注漿材料注入到底板巖層內，使漿液充滿底板巖層裂隙中原有被水占據的孔隙區域，使注漿材料在注漿壓力的作用下不斷向構造裂隙和導水裂隙區域擴散和固結，使漿液凝結體與底板隔水巖層間連成一體，從而增強煤層底板有效隔水層的厚度和強度，降低原底部含水層的富水性[3-4]，以此確保工作面的安全回采。

（2）底板注漿方案設計：基于10-428B工作面的地質條件，結合底板注漿改造原理，確定在工作面一側設置鉆場，在工作面運輸巷和軌道巷內布置8個鉆場，在開切眼內布置2個鉆場，共布置18個鉆場，共計設置注漿鉆孔54個。設置鉆場斷面為矩形，鉆場長×寬×高=4 m×4 m×3 m； 注漿材料采用單液水泥漿，設置漿液的水灰比為0.75:1，根據類似注漿工程實踐[5-6]，取漿液的擴散半徑為30 m，設置底板注漿深度為含水層以下3 m左右，確保注漿鉆孔能夠在灰巖含水層及其上方的隔水層內部的孔隙和裂隙內有效充填和固結。注漿鉆孔布置形式見圖3。

圖3 工作面底板注漿鉆孔布置形式

（3）注漿系統及工藝：10-428B工作面底板注漿系統主要由地面泥漿泵站將漿液通過注漿管路注入到井下的鉆孔中。注漿設備主要包括：粘土破碎機、輸送機、制漿機、供水泵、射流泵、二次攪拌池等。本次底板注漿作業的制漿流程和注漿系統見圖4。

圖4 工作面底板制漿及注漿系統流程

（4）注漿結束標準：基于地下水壓力相關設計規范[5-6]，對擬注漿區域進行出水孔靜水壓力的測定，綜合底板注漿區域的整體靜水壓力，確定本次注漿壓力為3 MPa。在注漿壓力達到3 MPa，注漿流量小于40 L/min時，且持續穩定20 min后即可停止注漿作業，即代表著單孔注漿作業的完成。

（5）注漿量記錄：根據工作面底板注漿作業時的記錄，匯總得出鉆場的注漿量數據見表1。

表1 注漿量數據記錄

鉆場編號鉆孔編號單孔注漿量/m3鉆場注漿量/m3鉆場編號鉆孔編號單孔注漿量/m3鉆場注漿量/m3 5 1#/2#/3#740.3/730.5/630.6 2 101.4 14 1#/2#/3#690.5/810.6/820.3 2 321.4 6 1#/2#/3#780.5/760.5/850.5 2 391.5 15 1#/2#/3#790.5/850.6/860.2 2 501.3 7 1#/2#/3#890.6/890.3/910.2 2 691.1 16 1#/2#/3#710.3/720.6/710.6 2 141.5 8 1#/2#/3#910.2/610.3/860.2 2 380.7 17 1#/2#/3#790.5/810.3/820.6 2 421.4 9 1#/2#/3#830.5/860.5/910.2 2 601.2 18 1#/2#/3#830.5/860.5/835.6 2 526.6

3.2 效果分析

通過底板注漿作業注漿量的監測可知，0-428B工作面共計注漿42 313.37 m3，各鉆孔的注漿量見表1。每個注漿孔的注漿壓力達到3 MPa，注漿流量小于40 L/min，且持續20 min后才停止的注漿作業。

為評價本次底板注漿堵水的效果，在注漿全部結束后進行底板注漿區域鉆孔出水量的監測作業。根據監測結果，注漿完成后底板鉆孔的涌水量在0～0.5 m3/h的范圍內，符合注漿工程設計提出的注漿結束后單孔涌水量小于1 m3/h的要求。另外通過現場觀測，10-428B工作面在回采過程中無涌水現象出現，底板注漿保障了工作面的順利回采。

4 結語

根據10-428B工作面的地質條件，采用瞬變電磁技術進行底板富水區域和富水量的大小的探測。基于探測結果，工作面底板存在著兩處突水危險性較強的區域，工作面底板大部分存在突水的危險性，依據探測結果和地質條件，進行了底板注漿方案的設計，根據注漿結束后的底板鉆孔涌水量的監測，注漿作業起到了增強了底板的阻水能力的作用，保障了工作面的順利回采。