礦井注漿堵水預(yù)防水害方案設(shè)計(jì)

席觀偉

(河南省資源環(huán)境調(diào)查三院，河南 鄭州 450000)

0 引言

礦井水害主要是指礦井在建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中，由于防治水措施不到位而導(dǎo)致的老空水、地表水和地下水通過(guò)裂隙、構(gòu)造、塌陷區(qū)、井筒、老窯等多種通道突入礦井工作面，造成災(zāi)害事故。近年來(lái)我國(guó)的煤礦生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了很大變化，但不少礦井還面臨著水害威脅，礦井水害和瓦斯是同等的煤礦安全重大危險(xiǎn)源。為了防止水害事故的發(fā)生，保證礦井建設(shè)和生產(chǎn)的安全，一系列新的防治水措施在煤礦得到廣泛應(yīng)用。這些措施概括起來(lái)主要有：防治地表水涌入礦井、探放水、疏放排水、防水煤柱的留設(shè)、水閘門(mén)和水閘墻的設(shè)置使用、注漿堵水、建立防治水保障制度、加強(qiáng)水文地質(zhì)工作，做好礦井涌水、積水預(yù)報(bào)等。礦井水害防治不僅關(guān)系到煤炭企業(yè)的健康發(fā)展，更關(guān)系到國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全。

煤礦的情況各不相同，可以有針對(duì)性地選擇相應(yīng)防治水措施。文中重點(diǎn)分析礦井水害的充水水源、充水通道、充水強(qiáng)度等自然與人為致害條件，詳細(xì)論述在礦井堵巷方面的水害防治技術(shù)，提出新的防治水害方法，供從事水害防治、水文地質(zhì)、注漿堵水等相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員參考。

1 礦井水害分析

1.1 基本情況

礦井22采區(qū)緊鄰的九合煤礦已閉坑，存在采空區(qū)積水，22采區(qū)與九合煤礦之間的保護(hù)煤柱，部分區(qū)段其厚度小于規(guī)范規(guī)定的安全厚度(最近距離僅19 m)，水位-200 m，靜水壓力1.30 MPa，目前防水煤柱處在安全狀態(tài)；北部的辛全煤礦因儲(chǔ)量枯竭也將于近幾年關(guān)停，一旦辛全煤礦停產(chǎn)，區(qū)域水位上升到+125 m，靜水壓力將達(dá)到4.55 MPa，防水煤柱可能失衡。這部分水源在閉坑后水位逐漸抬高的情況下，與九合煤礦老空水連通，有可能壓垮22采區(qū)的防水煤柱薄弱帶而突入本礦井。本礦井頂板管理方法為全部垮落法，22采空區(qū)于2014年回采結(jié)束，距今已6 a，工作面及其外兩邊范圍內(nèi)都是移動(dòng)變形區(qū)域，煤層頂板巖層冒落對(duì)采空區(qū)空間的充填已完成，采掘工作面塌陷變形已經(jīng)穩(wěn)定，形成了松散的碎石堆積體。因此，決定對(duì)22采區(qū)進(jìn)行水害治理，就能杜絕未來(lái)水害的發(fā)生。如圖1所示。

圖1 礦井地下水靜水壓力示意

1.2 周邊礦井情況

九合煤礦(2018年8月閉坑)位于本礦北部，該礦為斜井運(yùn)輸，礦井閉坑前涌水量為180 m3/h，與本礦在-311 m標(biāo)高處最小煤柱19 m，存在裂縫帶導(dǎo)水現(xiàn)象。煤礦觀測(cè)水位標(biāo)高在-200 m，22采區(qū)老空水水位標(biāo)高為-330 m。

辛全煤礦位于九合煤礦北部，目前正常生產(chǎn)，生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/年，礦井涌水量500 m3/h，剩余服務(wù)年限4～6 a(礦井關(guān)閉后最高水位將上升至+125 m)，-50 m以上與九合煤礦連通，辛全煤礦在標(biāo)高-300 m處施工放水孔(孔底標(biāo)高-260 m)，九合煤礦老空水放水量150 m3/h，觀測(cè)九合煤礦老空水水位標(biāo)高-200 m。

礦井西部為三峰礦，南部為崗窯礦，兩礦與本礦井不連通。如圖2、3所示。

圖2 周邊礦井位置關(guān)系

圖3 礦井充水情況示意

2 22采區(qū)水害預(yù)測(cè)

2.1 工作面?zhèn)认蛲凰治?/h3>

側(cè)幫防止突水的理論靜水壓力采用斯列薩列夫公式

P理安=(4/3)×Kp×(a/L)2

(1)

式中，P理安為側(cè)幫承受含水層的靜水壓力，Pa；Kp為防水煤柱平均抗張強(qiáng)度，Pa，采用井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)3.74×105Pa；a為礦柱寬度，m，采用最小值19 m；L為工作面開(kāi)采煤層高度，m；采用煤層平均厚度5.20 m。

需要指出的是：工作面采動(dòng)礦壓對(duì)煤柱的破壞就是采空區(qū)邊緣上覆地層的集中支承壓力將使煤柱側(cè)邊的一定范圍受到壓裂破壞，產(chǎn)生裂縫，失去阻隔水的作用，真正起隔水作用的是扣除這種塑性破壞后的核心部分。求算這種壓裂帶(即塑性破壞帶)寬度的公式還不成熟，本次以破壞4 m(每側(cè)工作面壓裂破壞2 m)計(jì)算。即礦柱有效厚度a=15 m。

目前防水煤柱承受的理論安全水壓為

代入公式，P理安=4.15 MPa

P實(shí)=[-200-(-330)]m×1 MPa/100 m=1.30 MPa

P實(shí)

待北部辛全煤礦關(guān)閉，雨季水位恢復(fù)到+190 m標(biāo)高，則

P實(shí)=[+190-(-330)]m×1 MPa/100 m=5.20 MPa

P實(shí)>P理安，防水煤柱是不安全的，側(cè)幫水會(huì)滲入本礦井。

從以上分析可得出如下結(jié)果：①目前開(kāi)采情況下，礦井不受周邊采空區(qū)積水的威脅，不會(huì)發(fā)生透水事故；②幾年后辛全煤礦閉坑，區(qū)域地下水位恢復(fù)到+125 m標(biāo)高，本礦井受周邊礦井采空區(qū)積水的威脅，可能會(huì)發(fā)生透水事故；③礦井開(kāi)采造成底板破壞，底板破壞深度4.30～14 m，礦井水可能會(huì)沿底板破裂帶滲流進(jìn)入礦井，需對(duì)底板進(jìn)行加固改造。

2.2 工作面塌陷變形分析

礦開(kāi)采二1煤層，采煤方法為井下綜采放頂煤開(kāi)采，頂板管理方法為全部垮落法，平均采煤深度約為450 m，其中松散層厚100 m，其余350 m，上覆巖層由砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖組成。采空區(qū)于2014年形成，距今已6 a，采掘工作面塌陷變形已經(jīng)穩(wěn)定，煤層頂板巖層冒落對(duì)采空區(qū)空間的充填已完成，形成了松散的碎石堆積體，工作面及其外兩邊范圍內(nèi)都是移動(dòng)變形區(qū)域。

2.3 注漿隔水墻寬度

根據(jù)2018年煤礦防治水細(xì)則(煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號(hào))，附錄六防隔水煤(巖)柱的尺寸要求，第2條含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲?巖)柱的留設(shè)經(jīng)驗(yàn)公式

(2)

式中，L為煤柱留設(shè)的寬度,m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，本礦井取3.5，即礦井水文地質(zhì)條件中等；M為煤層厚度或者采高，m，取巷道高度3.50 m；P為最大水頭值,MPa，取5.20 MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，采用礦井實(shí)測(cè)煤層抗拉強(qiáng)度值0.374 MPa。代入數(shù)據(jù)，阻水墻寬度等于39.60 m。

2.4 治理要點(diǎn)

通過(guò)地面施工定向透巷鉆孔命中巷道后，進(jìn)行靜水或動(dòng)水引流注骨料、注漿加固，形成人工堰塞段達(dá)到截流目的，使周邊礦井水不能進(jìn)入新的采掘面。

通過(guò)對(duì)井下廢棄巷道注漿及頂、底板裂隙加固形成阻水閘墻，可截?cái)嘀苓叺V井水進(jìn)入本礦井，防止周邊礦井水給本礦井造成危害；施工同時(shí)可對(duì)頂、底板裂隙進(jìn)行注漿加固，增加堵水效果。

利用現(xiàn)有的鉆探技術(shù)，通過(guò)測(cè)斜和定向鉆進(jìn)等手段，可以保證鉆孔準(zhǔn)確命中巷道。

3 水害治理設(shè)計(jì)方案

3.1 方案設(shè)計(jì)思路

注漿堵水設(shè)計(jì)，考慮封堵22采區(qū)皮帶、軌道、運(yùn)輸大巷等5處巷道，堵截廢棄礦井老空水通過(guò)22采區(qū)下流到其他采區(qū)通道的注漿堵水方案。要求對(duì)每個(gè)要封堵的巷道，從地面施工多個(gè)定向分支孔，對(duì)鉆孔穿過(guò)的煤層頂?shù)装辶严哆M(jìn)行注漿加固，通過(guò)定向分支鉆孔向巷道投注骨料，構(gòu)建兩道防跑漿墻體(要封閉的巷道處原建有封閉墻時(shí)，可利用封閉墻替代該位置的注料孔)，再通過(guò)中間定向鉆孔向前面2個(gè)分支孔注料形成的封閉空間灌注水泥漿，最終形成阻水的混凝土閘墻，阻斷22采區(qū)從九合煤礦方向的來(lái)水，達(dá)到水害治理目的。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)要綜合考慮工作量、施工難點(diǎn)、投入等方面；鉆孔布設(shè)要合理，定向分支要考慮鉆孔軌跡、井斜、全角變化率等方面，造斜點(diǎn)盡量提前，計(jì)算要準(zhǔn)確，資料要搜集全面；鉆孔結(jié)構(gòu)及套管要考慮滿足大徑骨料順利進(jìn)入巷道，保證注漿封堵質(zhì)量；鉆井定向時(shí)注意磁性工具面和重力工具面的轉(zhuǎn)換，井斜在超過(guò)10°時(shí)，才會(huì)采用重力工具面；漿液應(yīng)采取先稀后濃，并遵照“能注盡注”原則。

3.3 鉆孔布設(shè)及工作量

本方案設(shè)計(jì)要求對(duì)每個(gè)要封堵的巷道，從地面施工多個(gè)定向分支孔，對(duì)鉆孔穿過(guò)的煤層頂?shù)装辶严哆M(jìn)行注漿加固。根據(jù)本次水害治理目的，根據(jù)要封堵的巷道條件，每處阻水墻位置設(shè)計(jì)1～3個(gè)定向分支孔，命中需截流的巷道并沿巷道走向排成一列，各鉆孔均穿過(guò)巷道地板10 m終孔，以超過(guò)底板采動(dòng)破壞帶的深度為準(zhǔn)。定向鉆孔在穿過(guò)巷道時(shí)，注料孔與注漿孔之間的間距為20 m，注漿構(gòu)筑的灰凝土阻水閘墻總厚40 m。設(shè)計(jì)地面孔位2個(gè)，共計(jì)11個(gè)定向分支孔，鉆探工作量3 180 m。如圖4所示。

圖4 22采區(qū)水害治理工程布置

3.4 注漿孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工順序

依據(jù)本次施工的任務(wù)特點(diǎn)，所施工鉆孔均為無(wú)線隨鉆定向鉆孔，設(shè)計(jì)開(kāi)孔φ311 mm，鉆進(jìn)至新生界以下10 m，下入φ244.5 mm×8.94 mm的護(hù)壁管，管外水泥固井；二開(kāi)φ215 mm孔徑鉆進(jìn)至巷道底部10 m，下入φ146 mm×5.5 mm注漿、注料管。鉆孔設(shè)計(jì)軌跡如圖5所示。

圖5 鉆孔設(shè)計(jì)軌跡水平投影

先施工巷道迎水側(cè)注料孔，再施工巷道背水側(cè)注料孔，巷道原有密閉門(mén)的可代替擋漿墻；注料孔下入φ146 mm×5.5 mm注料管，然后注骨料并注水引流骨料，封頂時(shí)注入一定量的水泥漿使骨料和水泥漿凝固一體形成擋漿墻；再使用割刀割斷套管，起出上部套管，使用水泥漿封固造斜段；凝固后再施工注漿孔，注漿孔下入φ146 mm×5.5 mm注漿管，經(jīng)過(guò)管路連接且打壓試驗(yàn)合格后準(zhǔn)備注漿。鉆孔剖面如圖6所示。

圖6 鉆孔剖面示意(單條巷道)

4 注漿方法

4.1 投(注)骨料

兩側(cè)鉆孔是在套管內(nèi)少量引流的微動(dòng)水條件下投注骨料，骨料被流水搬運(yùn)距離較近，一般堆積在鉆孔附近巷道內(nèi)，不容易封頂，在后期即將封頂時(shí)可用水泥、水玻璃雙漿液，以減少跑漿。

通過(guò)透巷鉆孔向巷道內(nèi)投放填充骨料。骨料一般采用10 mm左右的石子，經(jīng)鉆孔注入巷道內(nèi)，骨料從巷道底板到接近頂板時(shí)形成一堆積錐體，要加工一掃孔器使其向四周擴(kuò)散，最終使巷內(nèi)水流由管道流變?yōu)闈B透流，然后用水泥漿采用間歇注入法注入，每次注漿結(jié)束后注入一定量的清水清洗注漿管路，待水泥初凝后進(jìn)行再次注漿，直至充填完所有空隙。最終完全封閉形成擋漿墻體，為下一步注漿打下基礎(chǔ)。

4.2 注水泥漿

中間鉆孔注漿以水泥單漿液為主，以骨料和水泥、水玻璃雙漿液為輔。注漿前，必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)注漿段單位吸水量，確定漿液濃度及注漿材料。中間注漿孔的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)(終壓)應(yīng)為靜水頭壓力的1.5～2倍，故本次注漿終壓設(shè)計(jì)為8 MPa。

4.3 其他材料

馬麗散膨脹劑：馬麗散是一種低粘度，雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料，采用高壓灌注，當(dāng)它被高壓推擠，注入到煤巖層或裂縫，可沿煤巖層或裂縫延展直到將所有裂隙充填。具有膨脹時(shí)間可控、膨脹倍數(shù)可控、粘度低，能很好的滲入細(xì)小裂隙中、發(fā)泡膨脹固結(jié)后，迅速使破碎基體得到補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

凝膠膨脹劑：凝膠膨脹劑為灰綠色或褐色固體顆粒及粉末混合物，遇水膨脹，與交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑、促凝劑聯(lián)合使用，生成高粘度的凝膠堵水劑。其粘附性好，使用時(shí)可攜帶各種固體支撐劑增加堵劑強(qiáng)度；對(duì)水無(wú)特殊要求，對(duì)設(shè)備、管道無(wú)腐蝕；對(duì)地層的適應(yīng)性好；凝膠時(shí)間可調(diào)，凝膠粘度高、強(qiáng)度大、堵后不污染地層。

馬麗散膨脹劑和凝膠膨脹劑在該工程中主要應(yīng)用于注料孔中構(gòu)建的防跑漿墻，能夠有效地使骨料快速封頂，能夠有效地封堵防跑漿墻中的空隙，降低水泥漿的流失，提高防跑漿墻的質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)水害治理的設(shè)計(jì)方案是以防治周邊礦井未來(lái)突破邊界防水煤柱，突入22采區(qū)并通過(guò)巷道向本礦井突水的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的方案；需要指出的是，增加排水強(qiáng)度也是防治水害的方法，但突水時(shí)水量極大、時(shí)間短且無(wú)法預(yù)知，故不能貿(mào)然采用；人員與設(shè)備如能在井下施工可以在井下構(gòu)筑防水墻來(lái)防治水害更為直接，但本礦井的巷道及采空區(qū)停采多年，已形成塌陷，人員與設(shè)備無(wú)法滿足井下施工，故只有通過(guò)地面施工注漿孔的方式來(lái)防治水害。

(2)地面施工注漿鉆孔有3種方案可供選擇：①可以在地面沿邊界防水煤柱施工注漿鉆孔加固防水邊界，但工作量太大，且容易破壞原有防水煤柱，不適用本次水害設(shè)計(jì)；②可以在地面施工水平分支井，對(duì)需要截留的通道進(jìn)行全覆蓋注漿加固，但水平段無(wú)法下骨料形成擋漿墻，注漿時(shí)沒(méi)有擋漿墻的阻擋，會(huì)有跑漿現(xiàn)象甚至充滿整個(gè)采區(qū)的情況，造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，且一旦注漿封堵失敗沒(méi)有很好的補(bǔ)救措施；③本方案設(shè)計(jì)是在綜合考慮2個(gè)方案的優(yōu)劣之后提出的，其優(yōu)點(diǎn)有工作量少、施工難度小、注漿失敗時(shí)可以補(bǔ)打注漿孔能保障注漿效果。

(3)值得注意的是，在計(jì)算注漿隔水墻的寬度時(shí)應(yīng)增加一定的安全系數(shù)。注骨料的分支孔要在套管底部以上200 m范圍內(nèi)先用水泥漿封固，且要在合適的套管位置安裝正反扣的安全接頭，注骨料后更有利于把套管起出孔外，便于下一步施工。