天安煤礦50601 工作面煤層底板注漿加固技術分析與應用

董躍清

（陽泉煤業集團 天安煤礦有限公司，山西 忻州 035100）

0 引 言

華北型煤田的儲量和產量對我國國民經濟的發展具有重要作用，然而華北型煤田開采最主要的影響因素之一是煤層底板承壓含水層中的高壓水，為了安全高效實施華北型煤田的開采，國內外眾多專家、學者和煤礦安全生產技術人員、管理人員從不同的角度進行了研究，提出了疏水降壓、疏干開采、注漿加固底板隔水層等多種防治水方法，對指導開發華北型煤田礦井的安全生產起到了重要的作用，但這些研究成果都是基于特定的地質條件，不同區域無法直接進行應用。天安煤礦是典型的華北型煤田，主采的5 號煤層受底板上馬家溝灰巖巖溶裂隙承壓含水層水的影響嚴重，針對這一情況，分析了礦井的地質和水文地質條件，最終確定了注漿加固煤層底板的防治水方案，通過實施煤層底板注漿加固，實現了50601 工作面的安全開采，為礦井的安全生產奠定了基礎。

1 工作面概況

天安煤礦存在2 層可采煤層，分別為2 號煤層和5 號煤層，其中2 號煤層位于太原組頂部，煤層厚度1.98～11.18 m，平均厚4.26 m，屬中厚-厚煤層，含1～3 層夾矸，結構簡單，賦存穩定，頂板和底板均為泥巖；5 號煤層位于太原組底部，煤層厚度10.84～16.93 m，平均厚12.06 m，屬厚煤層，含2～6 層夾矸，結構簡單-復雜，賦存穩定，頂板為泥灰巖、底板為砂質泥巖。

50601 工作面是5 號煤層的首采工作面，位于礦井的+1 220 m 水平，煤層厚度為11.2～13.8 m，平均為12.5 m，煤層結構簡單-復雜，含2～3 層夾矸，賦存穩定，硬度為中等，煤種為氣煤，根據前期勘探資料和井下實際揭露的地質資料，工作面范圍內煤層走向為NE，煤層傾向SE，傾角為4°～20°，平均為8°，工作面可采走向長度為508 m，傾向寬度為198.3 m，煤層頂板標高為+1 224—+1 263 m，井下位置工作面以東為DF5 斷層，以西為設計的50603 工作面，以北為井田邊界，以南為采區上山保護煤柱；工作面對應地表為丘陵林地，無河流及其它建筑物，工作面開采對地面無較大影響，地面標高為+1 508.1—+1 563 m，工作面煤層埋深為295～339 m。50601 工作面煤層直接頂板為泥灰巖，老頂為中粒砂巖，直接底為砂質泥巖，老底為細粒砂巖，煤層頂底板詳情如圖1 所示。

圖1 煤層頂底板巖層綜合柱狀示意圖Fig.1 Comprehensive columnar diagram of roof and floor strata in coal seam

據井田內ZK4 孔和ZK8 水文觀測孔資料，上馬家溝組灰巖含水層水位靜止標高在+1 468—+1 474 m，高于煤層底板標高，屬于承壓含水層，上馬家溝組灰巖含水層頂界面距離5 號煤層底板40～48 m，該含水層水壓最高為2.9 MPa，突水系數為0.725 MPa/m，單位涌水量為0.583～0.938 L/s·m，屬中等富水含水層，滲透系數5.21 m/d，巖溶水pH值為7.21，水質類型為HCO3-Ca 型水。上馬家溝組灰巖巖溶含水層在任家村北部山坡露頭處接受大氣降水的補給，沿傾向向深部徑流。

由于該灰巖含水層水壓大，5 號煤層開采時對底板巖層會造成一定程度的破壞，存在突水危險性，考慮到上馬家溝灰巖含水層厚度巨大，因而含水量巨大，疏放困難，因此決定對其進行注漿加固，確保50601 工作面安全生產。

2 煤層底板注漿加固設計

2.1 底板注漿加固原理

底板含水層注漿加固主要是通過在井下已經開掘的巷道中布置鉆場，向煤層底板含水層中施工鉆孔，用鉆孔揭露含水層的巖溶裂隙，然后向鉆孔中注入漿液，通過漿液在巖溶裂隙含水層中的擴散膠結封堵巖溶裂隙，最終達到加固底板含水層的目的。

2.2 工作面底板注漿加固鉆孔設計

為了有效加固50601 工作面煤層底板上馬家溝組灰巖含水層，保證其安全生產，含水層加固深度以滿足突水系數小于0.06 MPa/m 為原則。通過反算，鉆孔垂向深度應不小于48.4 m，即鉆孔應該揭露灰巖厚度達到8.4 m，考慮到鉆孔施工過程中會存在偏斜，造成實際揭露點與設計揭露點會存在一定的誤差，因此50601 工作面煤層底板上馬家溝灰巖含水層加固深度設計為15 m，鉆孔間距按照漿液的擴散半徑為30 m 時能夠全部覆蓋進行布置，工作面平面上鉆孔的覆蓋范圍超出運輸順槽、回風順槽、切眼和停采線30 m 以上，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 鉆孔布置平面圖Fig.2 The plane of drilling hole layout

2.3 鉆孔結構與施工工藝

鉆孔結構開孔直徑153 mm，一級套管φ127 mm，終孔孔徑為94 mm，鉆孔結構如圖3 所示。鉆孔施工步驟首先按照設計鉆孔的方位和傾角參數穩固鉆機，然后使用φ153 mm 的破碎鉆頭開孔（遇到特殊情況時可以使用取芯鉆頭開孔），鉆進至深度為26～27 m 時，首先下入φ127 mm 的鋼套管24 m，而后將套管口的悶蓋擰上，連接注漿泵軟管，向鉆孔內壓入井下攪拌好的標號為42.5的普通硅酸鹽水泥制成的水泥漿，待鉆孔孔口有水泥漿流出時，停止壓漿，卸下套管口的悶蓋，并且往套管上再接上一根1 m 的套管，然后在剛接上的一根套管上用軟性麻圍裹嚴實，用鉆機將纏繞軟性麻的套管頂入鉆孔內，使孔內套管長度達到25 m，然后重新將套管口的悶蓋擰上，連接注漿泵軟管，向鉆孔內壓入井下攪拌好的標號為42.5 的普通硅酸鹽水泥制成的水泥漿，直到注漿泵的壓力達到6 MPa 為止，停止壓漿，等待套管固結。待漿液固結24 h 以上，用φ94 mm 的破碎鉆頭透出套管至下套管前的深度并做耐壓試驗，試驗壓力達到6 MPa 并且穩定在30 min 以上，鉆孔孔壁周圍不漏水、不滲水為試壓合格，否則重新補注水泥漿固結套管，套管試壓合格后方可使用φ94 mm 的破碎鉆頭繼續鉆進，直至達到鉆孔設計深度。

圖3 鉆孔孔口結構示意圖Fig.3 Drilling hole orifice structure

2.4 注漿施工工藝

鉆孔施工完成后，未起拔出鉆桿之前，使用井下注漿泵的高壓大泵量的檔位通過鉆桿向鉆孔內沖水，目的是沖出鉆孔內的巖粉，直至返清水為止，開始進行注漿。注漿時漿液在井下配制，注漿材料選用標號為42.5 的普通硅酸鹽水泥，漿液比重控制為1.1～1.14 t/m3，注漿施工工序如圖4 所示。

圖4 注漿施工工序Fig.4 The process of grouting construction

3 底板注漿加固結果

50601 工作面共計施工了79 個底板注漿加固鉆孔，鉆孔的成孔水量最大達到了54 m3/h，其中成孔水量大于30 m3/h 的共有4 個，成孔水量大于10 m3/h 小于30 m3/h 的鉆孔共有16 個，成孔水量小于10 m3/h 的共有59 個，所有鉆孔的成孔水量總和為633.5 m3/h。

水量大于30 m3/h 的4 個鉆孔均布置了注漿效果檢驗鉆孔，檢驗鉆孔的布置位置如圖2 所示。檢驗鉆孔的成孔水量h1-j1 號為3.2 m3/h，h1-j2 號為2.1 m3/h，h2-j1 號為2.1 m3/h，j2-j1號為1.1 m3/h，工作面所有鉆孔的成孔水量之和為642 m3/h。

經過所有注漿加固鉆孔共計向上馬家溝組灰巖巖溶裂隙含水層中注入了水泥875.3 t，注漿干料與水量的比值為1.36，注漿效果良好。50601工作面所有鉆孔施工結束后的開采過程中未出現底板突水事故，表明50601 工作面注漿加固效果良好。

4 結 語

通過對天安煤礦50601 工作面的地質條件和水文地質條件的分析，煤層底板上馬家溝組灰巖含水層具有突水危險性，在工作面的回風順槽和膠帶順槽中共計布置了83 個鉆孔，對揭露上馬家溝組灰巖頂部15 m 的范圍進行了注漿加固，共計注入水泥875.3 t，注漿干料與水量的比值為1.36，最終實現了工作面的安全開采，注漿治理效果顯著。