陳四樓煤礦高承壓水復雜工作面水害治理技術

李春陽 段李宏

（河南能源化工集團永城煤電控股集團有限公司）

陳四樓煤礦目前開采山西組二2煤層，煤層底板下伏石炭系太原組巖溶裂隙承壓水水壓為2～6.5 MPa，二2煤層與石炭系太原組上段L11灰巖距離42 m左右。在構造發育區域，二2煤底板受褶皺、斷層、裂隙等構造破壞嚴重，導致與太原組上段灰巖含水層產生水力聯系，在采動影響下造成工作面突水。尤其是水壓大于5 MPa，標高在-600 m以下的南翼區域，構造發育、巖漿巖零散分布，含水層富水性強，水文地質條件比較復雜。陳四樓煤礦主要采取局部底板改造的方法進行水害防治。實踐表明，自建礦以來，發生多次底板太原組灰巖水突水，給礦井生產造成了較大的損失，通過長期的探索和實踐形成了一套完整的煤層底板水害綜合治理技術，即“瞬變電磁探測—底板改造鉆探—高壓注漿—瞬變電磁探測復探—底板改造效果驗證”，對煤層底板太原組上段灰巖承壓含水層進行綜合治理，提高了防治水工程的針對性，有助于開采受水害嚴重威脅的煤炭資源，確保煤礦安全生產，降低防治水成本，具有重要的理論指導意義和較高的實際應用價值。

1 研究區概況

21701工作面位于陳四樓煤礦南翼十七采區，開采山西組二2煤層，工作面標高范圍為-715.7～-515.4 m。工作面總體為一個單斜構造，地層傾角為7°～21°，平均為16°，走向為北北西—北北東，傾向為南西西—北西西。21701工作面構成充水影響的構造主要為周邊區域斷層及工作面實際揭露斷層，下順槽臨近最大落差15 m的Fs5正斷層、切眼臨近最大落差19 m的Fs4正斷層，這2條斷層對太原組上段灰巖的完整性影響較大；21701工作面在巷道掘進時實際揭露8條斷層，均為正斷層，落差大于3 m（含3 m）的斷層有2條，落差大于1 m（含1 m）、小于3 m的斷層有2條，落差小于1 m的斷層有4條，見表1。太原組上段灰巖含水層是二2煤層的主要間接充水含水層，其中，二2煤下距太原組距L8灰巖75.9 m，距L9灰巖70.2 m、距L10灰巖58.6 m，距L11灰巖42.2 m，這4層灰巖平均厚度分別為14.4、4.6、4.8、1.5 m，太原組上段灰巖靜水壓力達到5.0~5.8 MPa，水文地質條件復雜，為了確保工作面安全回采，礦井進行了底板注漿改造工程施工［1-8］。

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2 工程設計概況

2.1 設計目的

為消除21701工作面受底板灰巖水威脅，采取物探、鉆探相結合的手段，沿工作面順槽大面積布置注漿鉆孔，通過鉆孔注漿來充填底板灰巖含水層的巖溶裂隙和導水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補給通道，將受注含水層改造為隔水層或弱含水層，同時增強煤層底板隔水層的強度，降低工作面底板出水的可能性，有利于工作面的安全回采。

2.2 設計原則

（1）根據所需安全隔水層厚度確定，底板注漿改造終孔層位為L8灰巖底部約90 m厚的地層。

（2）鉆孔布置在平面上采用放射狀展布，以斜孔為主。在剖面上長短結合，使鉆孔揭露的含水層段盡量長；盡量與斷層、裂隙垂直或斜交，穿過多個含水層（鉆場之間的鉆孔盡量進行交叉布孔，以達到揭露的裂隙最多，避免出現注漿空檔）；終孔點輻射L8灰巖含水層，空間上把煤層底板改造成箱形隔水單元，隔斷工作面深部與外圍導水構造之間的水力聯系。

（3）鉆孔設計時嚴格控制鉆孔傾角，減少布置傾角較大鉆孔，確保鉆孔最大程度揭露灰巖與導水裂隙。

（4）鉆孔設計時，在平面上、剖面上充分考慮灰巖覆蓋范圍，確保鉆孔覆蓋無盲區。

（5）按照整體加固并對物探異常區和構造發育區重點布置鉆孔探查的原則，前期鉆孔以探查為主，鉆孔布置較為稀疏，共布置鉆孔87個，鉆孔密度為0.000 7個/m2，探明灰巖含水層富水性及導水裂隙發育程度，后期重點對富水異常區和裂隙發育區進行加密布置鉆孔，檢查和驗證注漿效果。

（6）對出水量大于50 m3/h的鉆孔，L11、L10灰層位出水量大于20 m3/h且注漿量與出水量比值小于0.5的鉆孔和L8灰層位出水量大于30 m3/h的鉆孔，在控制區域進行補孔檢查和驗證注漿效果。

（7）根據鉆孔的出水量、出水層位、注漿量和施工順序進行綜合分析，對整體富水性較強、注漿效果較差的區域進行補孔檢查和驗證。最后序次施工的檢驗、驗證鉆孔效果，原則上以出水量小于10 m3/h為結束標準。

2.3 鉆孔設計

工作面共設計鉆場13組（軌順7組，皮順6組），共設計鉆孔數量87個（軌順48個，皮順39個），預計鉆探工程量為12 736 m。鉆孔實際施工中，根據鉆孔出水量和注漿量，適當調整鉆孔參數及孔數；在掘進過程中，根據實際煤層底板等高線發生變化及工作面物探結果，需要及時修改鉆孔設計參數或補加鉆孔，使鉆孔達到設計目的和效果。

3 施工質量及技術要求

（1）施工單位接到本設計后，必須立即編制工作面底板改造作業規程，規程中重點強調高壓注漿及高壓水起鉆時的安全注意事項，報生產科和有關科室及總工程師審批，并在隊內貫徹學習、簽名。

（2）施工順序。每個鉆場的鉆孔交叉施工，先施工奇數孔后施工偶數孔；奇數孔施工時，先施工大角度或與巷道夾角大的鉆孔，后施工小角度或與巷道夾角小的鉆孔；偶數孔作為檢查孔，確保對兩側相鄰奇數孔起到驗證注漿效果和補充改造的作用。

（3）所有鉆孔必須下入二級套管，一級孔口管直徑為127 mm，二級孔口管直徑為108 mm，并且要分層進行套管加固，透過套管后必須進行耐壓試壓，壓力達到13 MPa無漏水現象，穩壓30 min后，方可視為合格。

（4）每個鉆場最多只能同時施工3個鉆孔，并且只能1個鉆孔揭露含水層，第1個鉆孔注漿結束后，第2個鉆孔才能揭露含水層；相鄰2個鉆場的交叉孔，不能同時施工，防止出現串漿和孔口管事故。

（5）在鉆孔施工期間，孔口要安裝防噴反壓裝置，制定切實可行的鉆孔出水快速止水措施；鉆場附近要備有堵水材料（?89 mm孔口管、?73 mm孔口管、鋸末、麻捻等）；鉆場附近或巷道最低處安裝具有不小于300 m3/h的排水設備，并保證完好，可隨時正常運轉。

（6）施工時若鉆孔突然發生突水，施工單位要及時向調度室匯報，并詳細記錄出水位置、鉆孔深度，測出水壓、水溫、水量，并把詳細情況及時報生產技術科，必要時取樣交生產科送驗，經生產技術部門硏究同意后注漿或繼續鉆進。

4 注漿鉆孔成果分析

21701工作面施工底板注漿改造鉆孔共計268個，鉆探總進尺為37 513 m，總注漿量為23 124.25 t，所有鉆孔施工均達到設計要求，施工期間未出現鉆孔工程質量事故。施工期間共計出水394次，說明太原組上段灰巖含水層富水性較強，巖溶裂隙較發育。

4.1 鉆孔出水量對比分析

所施工鉆孔總體出水量較大，施工鉆孔總數268個，鉆孔最大出水量為180 m3/h，出水量大于等于50 m3/h的鉆孔共96個，占鉆孔總數的35.8%；出水量大于等于20 m3/h、小于50 m3/h的鉆孔計91個，占鉆孔總數的34.0%；出水量大于10 m3/h、小于20 m3/h的鉆孔共20個，占鉆孔總數的7.5%；出水小于10 m3/h的鉆孔計61個，占鉆孔總數的22.7%。

從所施工鉆孔出水量統計分析，出水20 m3/h以上的鉆孔達到了鉆孔總數的69.8%。說明21701工作面煤層底板太原組上段灰巖巖溶含水層富水性較強，且灰巖巖溶裂隙較為發育。

4.2 鉆孔出水次數分析

出水鉆孔個數較多，單孔最多出水次數為8次，出水次數大于等于3次的鉆孔共47個，占鉆孔總數的17.5%；出水2次的鉆孔共57個，占鉆孔總數的21.3%；出水1次的鉆孔共103個，占鉆孔總數的38.4%，出水小于10 m3/h共61個，占鉆孔總數的22.8%。

從所施工鉆孔出水次數分析，灰巖含水層層位出水率達到了77.2%，出水2次以上鉆孔占38.8%。

4.3 鉆孔注漿量分析

21701工作面注漿總量為23 124.25 t，單孔最大注漿量為688.6 t，單孔注漿量大于等于300 t的鉆孔16個，占鉆孔總數的6.0%；大于等于100 t、小于300 t的鉆孔62個，占鉆孔總數的23.1%；大于等于50 t、小于100 t的鉆孔共44個，占鉆孔總數的16.4%；小于50 t的鉆孔共146個，占鉆孔總數的54.5%。

從注漿量方面分析，21701工作面單孔平均注漿量86.1 t/孔，由統計數據可知，工作面整體注漿量較大，說明該工作面底板太原組上段灰巖巖溶裂隙較發育，鉆孔可注性較強，巖溶裂隙得到有效封堵。

4.4 不同序次鉆孔出水情況分析

21701工作面在施工過程中根據物探及三維地震資料，按照先期探查富水區域，后期加密布置鉆孔進行補充注漿改造，并在后期布置鉆孔進行效果驗證的方法施工，施工中根據鉆孔出水情況不斷地優化設計，從施工序次上，多數鉆場歷經5個序次的施工。通過不同序次鉆孔出水、注漿情況分析，后期序次施工鉆孔出水量呈現逐漸減小的趨勢，出水次數大于2次、出水量大于20 m3/h鉆孔所占比例大幅減小，注漿量較大，經鄰近鉆孔鉆探驗證，鉆孔注漿效果較好。

4.5 灰巖出水量及注漿量分層分析

21701工作面在施工底板注漿改造工程期間共計出水394次，該工作面底板太原組上段灰巖含水層富水性較強，巖溶裂隙較發育。其中L11灰巖層位出水87次，占出水總次數的22.1%，最大出水量為120 m3/h，總注漿量5 009 t，占注漿總量的23.1%；L10灰巖層位出水182次，占出水總次數的46.2%，最大出水量為180 m3/h，總注 漿量 為11 052 t，占 注漿 總量 的50.8%；L8灰巖層位出水125次，占出水總次數的31.7%，最大出水量為140 m3/h，總注漿量為5 670 t，占注漿總量的26.1%。工作面底板L11、L10、L8灰巖層出水次數比值為1∶2∶1.4；注漿量比值為1∶2.2∶1.1。

通過施工鉆孔數據分析，21701工作面鉆孔設計終孔層位為L8灰巖，并對L11、L10灰巖出水量較大的區域加密鉆孔布置，從出水次數上分析，L10、L8灰巖出水次數明顯大于L11灰巖；從出水量上分析，L11、L10灰巖平均出水量基本一致，且明顯大于L8灰巖；從鉆孔可注性上分析，L11、L10灰巖出水點可注性明顯優于L8灰巖。說明工作面內L11灰巖呈現富水不均一的特點，L11灰巖裂隙發育不均一，局部區域易與L10灰巖發生水力聯系；L10灰巖富水性較強，且較為均一；L8灰巖含水層富水性較為均一，但富水性比L10灰巖弱。綜合以上情況分析，L10灰巖含水層為21701工作面的主要富水含水層，該含水層水量大，裂隙較為發育，鉆孔出水后可注性較好。

5 水害效果治理評價

5.1 物探、鉆探驗證方法評價

21701工作面主要采用物探及鉆探相結合的方法指導優化鉆孔設計，該工作面共進行了3次物探，施工過程中先布置鉆孔對物探異常區進行探查。經探查，部分區域鉆孔出水呈現出水量大、出水次數多、水壓較大的特征，且出水點呈面狀密集形態，為確保施工質量可靠，工程施工中分序次針對出水量大的異常區域進行了重點補孔，增加鉆孔施工密度，提高注漿效果，補加鉆孔施工過程中較上序次鉆孔出水情況減小，最后施工的驗證鉆孔出水量、出水次數均大幅減小。

21701工作面共計施工鉆孔268個，鉆探總進尺為37 513 m，總注漿量為23 124.25 t，施工時對出水量較大的L10、L11灰巖含水層加密布置鉆孔，鉆孔終孔層位為L8灰巖含水層，鉆孔密度達到0.002個/m2，鉆孔密度較大，使鉆孔對工作面L8、L10、L11灰巖含水層做到了全覆蓋，其中鉆孔揭露L11、L10、L8灰巖間距最密處分別達到了9，7，15 m，含水層施工過程中鉆孔出水量、注漿量均較大，富水含水層以L10灰巖為主，鉆孔出水后地面注漿期間，及時調整漿液濃度，且注漿終壓不小于13 MPa，確保了注漿改造質量。后期根據鉆孔的出水量、出水層位、注漿量、施工順序進行了綜合分析，對整體富水性較強、注漿效果較差的區域進行了補孔檢查和驗證，得出鉆孔在L8灰巖的出水量小于30 m3/h，在L11、L10灰巖的出水量均小于20 m3/h；在鉆孔施工達到終孔深度后，對每個鉆孔均進行了現場驗收，所有鉆孔封孔質量合格。

綜合以上分析評價，說明該工作面水文地質條件復雜，底板灰巖含水層富水性強，裂隙較為發育，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了注漿改造，注漿量較大，經過后期鉆探驗證，工作面底板灰巖含水層改造效果較好，有效封堵了煤層底板導水裂隙，將二2煤層底板至L8灰巖底部約為90 m的3層灰巖含水層改造成了有效隔水層及弱含水層。

5.2 突水系數評價

根據三維地震資料及21701工作面掘進時實際揭露資料，工作面內僅發育8條落差較小的斷層，構造發育程度一般，臨界突水系數取為0.1 MPa/m。由鉆孔施工情況已知工作面底板灰巖含水層實測水壓值為3.0～5.0 MPa，根據突水系數計算公式:

式中，T為突水系數，MPa/m；P為保護層底板承受的水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

計算該工作面突水系數T=5.0 MPa/90 m=0.056 MPa/m（水壓取最大值）。經計算，該工作面經底板改造后突水系數遠小于0.1 MPa/m，底板注漿改造效果較好，達到了預期要求，可以安全回采［9-10］。

6 結論及建議

21701工作面底板注漿改造期間通過加密布置鉆孔，對物探異常區、富水異常區、構造發育區進行了重點注漿改造，工作面注漿量很大，且后期施工驗證鉆孔期間出水量、出水次數均大幅減小，工作面底板灰巖含水層改造效果較好。回采期間需對部分問題進行關注，具體注意事項如下。

（1）工作面切眼東側臨近2502工作面采空區有動水約為15 m3/h，21701下順在施工期間在迎頭施工引流孔，連接引水管后將該動水引入21701下順槽水溝內，回采期間需超前連接排水管路，并堅持觀測孔內水量變化情況，發現異常及時匯報生產科。

（2）該工作面鉆孔出水次數較多、局部區域出水深度較淺，雖地面注漿量很大，但在構造發育處，受擾動破壞后，易破壞煤層底板隔水層，回采至該區域時需加快回采速度，減小擾動破壞深度。

（3）加強工作面涌水量觀測，尤其是過斷層期間，發現斷層附近裂隙滲水，工作面涌水量增大等異常情況時，需立即匯報，經分析后及時采取措施。

（4）加強工作面排水路線的檢查，及時清理兩巷水溝，保證排水路線暢通。