帷幕注漿工藝在鼎盛煤礦突水治理中的應用研究

蔣杰

（安徽省地礦局325地質隊，安徽 淮北 235000）

0 引 言

煤層底板奧灰突水是目前主要的礦井水害地質類型之一[1]，隨著淺部煤層的資源枯竭，在開采深部下組煤時面臨的底板水害問題越發明顯[2]。國內外專家和學者針對煤層底板突水危險性的評價及預測開展了大量研究，也取得了較好成果[3-5]，但由于煤層底板突水是多種地質因素綜合影響下的復雜動力現象，在實際生產中很難完全避免[6]。目前，采取底板含水層的注漿加固和治理等相關技術手段，在業內認可度較高、應用較為廣泛，可有效的改造含水層，甚至消除底板奧灰水害威脅[7-11]。

渭北石炭二疊紀煤田鼎盛煤礦在建井階段施工+800 m水平軌道運輸大巷時，發生了最大涌水量達400 m3/h的底板奧灰突水事故，此次研究從突水情況、突水水源和突水通道等多方面綜合分析了其突水機理，并依據帷幕注漿改造結果，對治理效果和煤層開采可行性進行了評價。研究成果為未來采掘范圍內的底板奧灰水害防治提供了依據。

1 地質概況

陜西銅川市鼎盛煤礦位于渭北石炭二疊紀煤田銅川礦區南部，井田面積2.1 km2，礦井采用單一水平開拓，開拓水平標高+800 m左右，主采上石炭統太原組的5號和10號煤層。

井田位于銅川礦區陳爐正斷層的北部，王石凹—李家塔寬緩背斜東翼。總體構造形態為一向北北西緩傾斜的單斜構造，該區地質構造受東北部的棗廟逆斷層與西南部的董家溝正斷層擠壓、影響，在單斜的基礎上發育有小型次級背、向斜和小型斷層。產狀較平緩，傾角一般為5°~10°，未發現巖漿巖。

依據《鼎盛煤礦建井地質報告》評價結果，該礦礦井水文地質類型屬于中等型。

2 突水機理分析

2.1 突水基本情況

軌道運輸大巷位于鼎盛煤礦四采區中部，巷道在掘進至3-3勘探線N692鉆孔附近時，巷道周邊裂隙發生滲水現象，涌水量約20 m3/h。巷道掘進至四采區和五采區交匯處時涌水量增至60 m3/h，停止掘進，進行了頂板和掘進迎頭的井下探放水工作，待涌水量下降至30 m3/h左右后采取了邊掘邊放的方法繼續掘進，期間水量最大增至140 m3/h，平均在100 m3/h左右，巷道掘進至五采區中段118 m時，掘進迎頭揭露一斷裂破碎帶，涌水量猛增至300 m3/h，繼續推進后涌水量最大高達400 m3/h左右，在礦方采取一系列的井下探放水工作后，涌水量基本穩定在210 m3/h（圖1）。

圖1 各階段突水水量變化Fig.1 Change of water outburst quantity in each stage

突水后采取堵水工程，在初期施工了擋水墻，但由于擋水墻基底施工質量不佳，加上采用的是普通混凝土擋水墻及水泥—水玻璃注漿工藝，擋水墻僅使用30 d左右，由于墻內水壓逐漸上升至1.1 MPa，墻內水體從底部滲透。而后該礦采用縱橫錨桿高密度快凝早強混凝土擋墻及MG911系列雙組合分聚氨酯化學液注漿工藝，在原擋水墻外側建成新擋水墻，通過關閘試壓，7 d內水壓由0.65 MPa逐漸增加并穩定在1.2 MPa左右，期間未發現漏水現象，堵水效果良好。

2.2 突水機理分析

2.2.1 突水水源

當+800 m軌道運輸大巷突水后，位于突水點東南部約1 km處的N641水源孔在+942 m取水點的涌水量從原來65 m3/h左右銳減至10 m3/h，造成供水緊張的局面。而在該礦實施堵水工程后，水源孔涌水量又恢復了正常。此外，水質化驗結果也顯示，井下突水點和N641水源孔的水質相近，同屬HCO3--Ca2+型水質。

綜合以上2點可以看出，+800 m軌道運輸大巷突水的水源為灰巖水，來自煤層底板奧陶系馬家溝組灰巖巖溶裂隙承壓水。

2.2.2 突水通道

（1）斷層。

根據以往勘探和井下地質編錄結果，突水區段共發現斷層2條，分別是F7和F突斷層。

綜上所述，城市化進程為建筑行業發展提供良好契機的同時也為工程項目管理帶來了巨大的挑戰。作為建筑管理的重要方面，進度管理直接關系著工程質量和成本，因此應該加強進度管理模式的改進創新，促進行業持續健康發展。

F7斷層走向NNE，傾向NWW，傾角61°，正斷層，落差大于30 m，破碎帶寬度2 m左右。該斷層有4個鉆孔控制，其中3個鉆孔不導水，1個鉆孔導水性極弱；井巷工程有3個控制點，均不導水。可見，F7斷層一般不導水。

F突斷層早期三維地震勘探未解譯出該斷層，為此次突水區段井下實際揭露斷層。+800 m軌道大巷掘進過程中井巷地質編錄成果顯示，突水點有斷層通過，斷裂帶走向NE，傾向SE，斷裂帶中巖層破碎，石英脈異常發育。可見F突為+800m軌道運輸大巷突水的直接導水通道，但該斷層在早期勘探階段未被發現，因此推斷其應該是落差小于10 m的小斷層，沒有切割到馬家溝組灰巖，不會導通至灰巖巖溶裂隙承壓含水層。

（2）封閉不良鉆孔。

建井地質報告資料顯示，井田內以往的勘探鉆孔封孔質量基本可靠，但2000年之前施工的資源勘查孔多采用泥漿作沖洗液，可能會存在某些孔段由于泥漿沖洗不干凈，水泥柱與孔壁凝結不牢的現象。其中，N711孔為封閉不良鉆孔，該孔揭露到奧陶系馬家溝組含水層，但未進行封孔。該孔孔深701.2 m，在終孔提鉆測井時發生事故，鉆具掉在孔內，雖經過長期處理，但終因鉆具彎曲度大，掃孔困難而放棄。

N711孔位于此次最大突水點的北側附近，根據現場實測的F突產狀，F突會切割到N711鉆孔，此外，+800 m軌道運輸大巷突水時，突水點初期的水中可見少量氣泡，并伴有較濃的臭味，水質化驗結果顯示SO42-、Fe2+含量高，到突水量猛增后，水質才變為HCO3--Ca2+型，推測N711鉆孔里的鉆具腐蝕后釋放出來的Fe2+離子。由此推測N711鉆孔可能導通了馬家溝組灰巖巖溶裂隙承壓水。

綜上所述，+800 m軌道運輸大巷突水是F突導水斷層和N711封閉不良鉆孔綜合作用的結果，即導致此次突水事故的原因是奧陶系馬家溝組灰巖巖溶裂隙承壓水通過斷裂帶或封閉不良鉆孔補給上石炭統太原組煤系地層所致。

3 帷幕注漿治理方法和效果分析

3.1 治理方案和方法

此次煤層底板突水的治理方案是基于鼎盛煤礦實際的地質和水文地質情況，并通過突水水源和突水通道的探查分析后綜合確定的。此次治理采用帷幕注漿堵水技術封閉馬家溝組組灰巖巖溶裂隙承壓水和煤系地層的導水斷層，在突水區段內形成帷幕，確保在巷道掘進施工過程中的安全。

圖2 注漿管路連接示意Fig.2 Grouting pipeline connection

3.2 注漿過程和效果分析

此次注漿共計施工鉆孔22個，其中第一階段施工了6號探水孔，孔深150 m，累計消耗水泥12 400 kg，水玻璃435 kg，注漿前水量為393.3 L/min，注漿后出水量僅為0.1 L/min；第二階段施工15個孔，孔深516.9 m，累計消耗水泥10 250 kg，水玻璃662.25 kg，注漿前最大出水量為16.67 L/min（9號孔），注漿后出水量幾乎都將至0；第三階段施工6個孔，孔深440 m，累計消耗水泥14 000 kg，水玻璃319.5 kg，注漿前最大出水量為441.8 L/min（7號探水孔），注漿后出水量均將至0，各階段注漿情況見表1。此外，施工過程中和施工結束對工程質量進行了全面的綜合檢驗，主要包括單孔注漿結束后的最終壓力、注漿結束后的壓水試驗、鉆孔的簡易水文觀測和取心分析、井下涌水點的水量和水質情況觀測等。

表1 注漿情況匯總表Table 1 Summary of grouting

依據前文所述，通過帷幕注漿改造和治理，取得了較好的工程效果。突水區段的涌水量從治理前的980.96 L/min下降到13.8 L/min，堵水率達到85%以上，基本上解除了該區現有的水患威脅，為鼎盛煤礦5采區的開拓設計和接續生產提供了安全保證。且經過估算，劃定的突水危險區的煤炭資源量約為1 200萬t，按礦井回采率60%計算，預計5采區可采出煤炭資源量720萬t。

4 結 論

（1）鼎盛煤礦+800 m軌道運輸大巷突水水源為奧陶系馬家溝組灰巖含水層水，突水通道為F突斷層和N711封閉不良鉆孔，此次突水事故的原因是奧陶系馬家溝組灰巖巖溶裂隙承壓水通過斷裂帶和封閉不良鉆孔導通至上石炭統太原組煤系地層所致。

（2）通過井下帷幕注漿改造技術，封閉了切通馬家溝組灰巖巖溶裂隙承壓水和煤系地層的導水斷層，在突水區段內形成了帷幕，取得了良好的工程效果。

續表

參與文獻：

[1] 董書寧，虎維岳.中國煤礦水害基本特征及其主要影響因素[J].煤田地質與勘探，2007，35（5）：34-38.

[2] 謝和平.深部巖體力學與開采理論研究進展[J].煤炭學報，2019，44（5）：1 283-1 305.

[3] 武 強，李慎舉，劉守強，等.AHP法確定煤層底板突水主控因素權重及系統研發[J].煤炭科學技術，2017，45（1）：154-159.

[4] 武 強，李 博.煤層底板突水變權評價中變權區間及調權參數確定方法[J].煤炭學報，2016，41（9）：2 143-2 149.

[5] 朱宗奎，徐智敏，孫亞軍，等.基于無量綱多源信息融合的底板突水危險性評價方法研究[J].采礦與安全工程學報，2013，31（6）：911-916.

[6] 武 強，姚 義，趙穎旺，等.礦井突（透）水災害過程中涉險人員危險性評價方法與應用[J].煤炭學報，2020，45（7）：2 357-2 366.

[7] 陳軍濤，張 毅，武善元，等.黃河北煤田頂底板定向注漿關鍵技術[J].煤礦安全，2021，52（5）：104-111.

[8] 陳中山.河北省關閉煤礦“生態閉井”及關鍵技術探討[J].煤炭與化工，2021，44（2）：6-10，15.

[9] 程愛民，孔皖軍，吳 寒.井下帷幕注漿技術在導水斷層治理中的應用[J].煤炭與化工，2019，42（6）：57-60.

[10]劉樂平，李紅立，蘇 南.跨孔電磁波CT探測在采空區帷幕注漿工程中的應用[J].煤炭科學技術，2020，48（2）：98-103.

[11]柳昭星，靳德武，尚宏波，等.礦區巖溶裂隙巖體帷幕截流注漿參數確定研究[J].煤炭科學技術，2019，47（6）：81-86.