辛置礦2 號煤奧灰水防治技術研究與應用

馬宏華

（霍州煤電集團，山西 霍州 031400）

隨著生產能力提升，煤礦大型突水事故頻發，造成了經濟損失和人員傷亡。根據統計，目前我國煤礦的開采深度平均每年向下延伸10 m，開采水平不斷向深部拓展，距底板奧灰、含灰等富水性強巖層的距離越來越近，突水威脅逐漸增加。底板強含水層條件下開采措施主要有2 種，即深降強排和帶壓開采，但由于強排費用高且對地下水資源破壞嚴重，帶壓開采成為主要的開采方式。因此加強底板奧灰水的治理，成為煤礦實現安全生產的關鍵。

1 工程概況

1.1 礦井條件

山西焦煤霍州煤電辛置礦主采煤層為2 號煤，位于二疊系下統山西組，煤層穩定可采，結構復雜，含2 層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩定，厚度稍大。2 號煤以半亮型煤為主，為低硫肥煤，煤質優良。煤層厚3.8～4.3 m，平均4.1 m，全區可采。

煤層直接頂板為泥巖—砂質泥巖，薄層狀，層面含豐富植物化石，半堅硬，下部為泥巖，局部相變為砂巖，厚度3.0 m。基本頂為K8 中細砂巖，厚層狀，石英為主，次圓狀，分選中等，堅硬，厚度7.2 m。直接底板為泥巖，厚層狀，水平層理，半堅硬，中上部含有菱鐵礦結核，厚度4.5 m。基本底為中厚層狀，分選中等，堅硬，厚度6.5 m。

辛置礦2-208 工作面采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤法，全部垮落法處理頂板。

1.2 井田地質構造

2-208 工作面掘進過程中共計揭露大小斷層13條，均為正斷層，其中有2 條斷層落差超過5 m。其中，F1167 斷層落差為5 m，預計在工作面內延伸長度約300 m，對回采影響較大；F1162 斷層與相鄰工作面揭露的斷層走向基本一致，橫穿整個工作面，預計對回采影響較大。

1.3 水文地質分析

影響2-208 工作面回采的主要水源有2 號煤層上覆的各砂巖裂隙水和奧灰含水層。

砂巖裂隙水主要是2 號煤頂板的K8～K10 砂巖含水層，在實際掘進過程中，巷道頂板僅有局部淋水，且水量較小。掘進期間揭露的斷層均不導水，因此該含水層對回采影響較小。

奧灰含水層位于工作面底板以下110 m，2-208 工作面平均標高為+280 m，奧灰水位標高為+505 m，工作面為帶壓開采，帶壓2～2.5 MPa。

2 奧灰水防治技術

2.1 奧灰水的特點

奧灰水為奧陶紀形成的灰巖中所含的水，與其他含水層相比，奧陶紀含水層具有以下特點。

（1） 水量大。奧陶紀灰巖含水層的主要補給源為大氣降水，補給充沛。因此，奧陶紀灰巖含水層的水量豐富，深降強排費用高，經濟性差。

（2） 奧灰水為巖溶裂隙水，導水通道一般為巖層中的裂隙，但由于巖層中裂隙的發育極不均勻，規律性差，因此，奧灰水具有明顯的非均質各向異性。

（3） 富水性差別大。不同地質年代形成的石灰巖中含水層的差別較大，并且隨著埋藏深度的增加，奧陶紀灰巖的含水性逐漸降低。

2.2 奧灰水的治理

受奧灰水威脅的礦井一般采用帶壓開采的方式，同時對煤層底板進行注漿加固，其加固機理如圖1 所示。

圖1 注漿加固Fig.1 Grouting reinforcement

通過注漿加固，可以降低底板巖層的含水層和導水性，將底板含水層加固為弱含水層，提高隔水層的完整性，封堵可能的導水通道，達到防止奧灰突水的目的，技術路線如圖2 所示。

圖2 底板注漿加固路線Fig.2 Grouting reinforcement of floor

3 煤層底板注漿改造

3.1 注漿層位的確定

為了研究奧灰的裂隙及巖性特征，確定注漿的層位，在辛置礦2 號煤底板進行打鉆，取芯統計，鉆探結果見表1。

表1 鉆探結果統計Table 1 Statistics of drilling results

由于該井田位于沁水煤田東南邊緣，地質工作開展較早，通過收集鉆孔資料，結合打鉆資料，分析可得奧陶紀灰巖頂板裂隙發育具有如下特征。

（1） 奧陶紀灰巖頂部裂隙發育程度最高，一般集中在0～10 m 的層位內，自上往下，裂隙發育程度逐漸降低。

（2） 奧陶紀灰巖頂部 0 ～15 m 均有巖溶裂隙水的存在，說明裂隙存在橫向聯系，連通性好。

（3） 多個鉆孔資料顯示，奧灰頂面以下30 m左右存在掉鉆現象，該區域存在巖溶通道，煤層開采時應該引起重視。

（4） 奧灰頂板40 m 以下裂隙發育不充分，該位置及以深的層位具有較好的隔水性。

通過以上分析可以看出，對奧灰進行注漿改造的最近層位為頂面20 m 范圍以內。該區域內裂隙發育，通過注漿可以對裂隙進行封閉，控制效果好。

3.2 鉆場及鉆孔布置

根據工作面的實際情況，每隔60 m 設計1 個鉆場，鉆場規格為5 m×4 m×3 m（長×寬×高），每個鉆場內布置3 個注漿孔。注漿孔的垂深為50 m，傾角不小于45°，實際鉆進深度大于100 m。

鉆孔的開孔直徑為146 mm，下三級套管，終孔的直徑不得小于80 mm。要求第三級套管進入到奧灰頂部以下5 m 的位置。鉆孔鉆至設計位置后，利用1∶1 的水泥漿液對鉆孔進行封孔。封孔結束24 h 后進行耐壓試驗，試驗壓力大于最大注漿壓力，打壓時間不少于30 min。待封孔合格后注漿。

3.3 注漿參數的計算

（1） 注漿壓力。

注漿壓力是奧灰注漿改造的重要參數，可按下式計算：

式中：PS為注漿泵壓力表數值，MPa；Pg為注漿液產生的壓力，MPa；Pg為注漿液流動過程中的阻力損失，MPa。

實際應用中具體的壓力大小可簡化為靜水壓力的2 倍，注漿末段的壓力為靜水壓力的3 倍。

（2） 注漿量計算。

研究表明，單孔注漿量與涌水量呈線性正比例關系，如圖3 所示。涌水量大的鉆孔一般吃漿量大，需要長時間注漿。

圖3 單孔注漿量與涌水量的關系Fig.3 Relationship between single hole grouting quantity and water inflow

按工作面采空區面積來計算底板奧灰改造的總注漿量，如下式所示：

式中：Q 為總注漿量，m3；l 為工作面面長，m；d為沿工作面方向漿液的擴散長度，m；L0為工作面推進長度，m；H0為奧灰巖層的厚度，m；η 為奧灰巖層的裂隙率；β 為漿液的填充系數，一般取0.9；λ 為漿液的損失系數，取0.95。

根據以上公式可測算出所需水泥漿液的總量。在實際應用中，注漿量還與涌水量有密切的關系，一般單孔注漿所用水泥的質量與涌水量相當時，注漿效果較好。

4 現場應用及效果

4.1 注漿孔止水

奧灰底板改造是利用高壓將水泥漿液注入目標巖層，充填裂隙，注漿壓力較大。在注漿孔的鉆進過程中，如果不能及時有效止水，則容易形成廢孔，影響工作面的正常生產。在成孔后，如果套管止水不嚴密，則容易造成跑漿，水泥漿液甚至有可能頂出套管，威脅施工人員安全。為此，在反復研究、多次試驗的基礎上，研發了高壓止水裝置，如圖4 所示。

圖4 高壓止水裝置Fig.4 High pressure water sealing device

4.2 鉆孔施工事故處理

（1） 巖粉卡鉆。由于注漿孔向下施工，巖粉容易在孔底沉積，造成卡鉆，不僅影響鉆進，而且成孔后影響注漿。可以在成孔之后利用注漿泵向孔內壓水，將底部的巖粉沖出，防止卡鉆。

（2） 塌孔。在底板巖層破碎時，注漿孔施工過程中極易出現塌孔。在地質構造等巖性差的地段提前利用水泥漿液加固，提高巖層的強度，同時在軟巖區域用水泥漿液沖孔，防止施工過程中塌孔。

4.3 工程效果

注漿結束后，采用單孔壓水試驗、井下鉆探、綜合物探等方式對底板注漿效果進行檢驗，未發現水文地質異常區域，水泥漿液將底板隱伏導水通道填充，降低了奧灰水與采空區的水力聯系，工作面回采過程中水量較小，無突水發生。

5 結 論

（1） 奧灰水為奧陶紀形成的灰巖中所含的巖溶裂隙水，與其他含水層相比，奧陶紀含水層水量大、補給充足，導水通道為裂隙，采用降強排經濟性差。

（2） 辛置礦奧陶紀灰巖頂部0～15 m 內裂隙存在橫向聯系，連通性好，20～30 m 存在掉鉆，由此確定注漿加固的層位為20 m。

（3） 通過對奧陶紀灰巖進行注漿改造，降低了奧灰水與采空區的水力聯系，工作面回采過程中水量較小，實現了安全回采。