工作面上覆松散含水層注漿改造及其效果檢驗

解 建 ，許大強 ，胡 偉 ，張培森

（1.安徽恒源煤電股份有限公司，安徽 宿州 235139；2.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山東科技大學 礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590）

五溝煤礦坐落于安徽省濉溪縣境內，南北走向長約4.5 km，東西寬約3～5 km，面積約21.65 km2。五溝煤礦煤層上覆第四系松散含水層（以下簡稱“四含”）煤柱壓煤量大，煤炭資源損失嚴重，經濟技術合理性遭受置疑，且“四含”水文地質條件復雜，含水層水頭壓力近3.0 MPa，常規(guī)方法開采可能會導致水、砂沿采動裂隙進入井下，易引發(fā)突水潰砂事故[1-2]。因此，如何降低改造區(qū)“四含”富水性，提高“四含”強度，避免井下開采突水潰砂，解放更多淺部壓煤資源，進而實現近含水層下煤炭資源安全高效開采、延長礦井服務年限，成為亟待解決的重大工程技術問題。

采動巖體破壞及水-巖耦合作用下滲流場突變是造成礦井突水潰砂的直接原因。根據近含水層薄基巖淺部煤層采礦地質條件特點，通過對松散含水層進行劈裂、擴散、滲透、壓密注漿改造，促使松散破碎巖體膠結成整體[3-7]，提高了巖體黏聚力與內摩擦角，進而改變含水層顆粒占比結構，阻隔含水層徑流、補給條件，使含水層變?yōu)楦羲畬踊虻刃Ц羲畬?，達到注漿堵水效果[8-10]；并依據資源-環(huán)境協(xié)調開發(fā)原理，控制工作面涌水量大小、涌水形式、礦井排水能力與環(huán)境承載能力相匹配，實現近松散含水層煤層綠色安全高效開采。松散含水層注漿變性改造研究方面，主要集中于漿液擴散規(guī)律[11]、注漿參數[12-13]、注漿可行性[14]、注漿技術[15-17]等方面。此外，余巖等[18]針對顧北煤礦1512(3)工作面地質情況，研究了薄基巖采場風化帶地面注漿加固前后頂板結構、巖心力學特性、回采礦壓顯現規(guī)律，并分析了注漿加固效果；方杰等[19]針對神東礦區(qū)煤層上覆薄基巖、厚松散含水層及煤層埋深淺的地質條件，采取了水文地質補勘、施工直通泄水孔、井下探放水、地面注漿及井下工作面排水系統(tǒng)建設等措施，進而實現了安全回采；王振榮[20]為解決神東礦區(qū)薄基巖厚松散含水層煤層開采突水潰砂問題，提出了“疏注結合、先疏后注、邊治邊探、先治后采”的突水潰砂防治技術路線，并在哈拉溝煤礦予以應用。

綜上可知，有關松散含水層注漿改造方面的研究還相對較少，尚處于探索階段。此外，考慮到礦井水害防治具有很強的實踐性，研究成果都具有極強的時間效應和對特定含水層、采礦方式與采礦環(huán)境的適應性，因此，對松散含水層注漿變性改造、注漿效果檢驗等方面還有待深入研究?；诖耍晕鍦厦旱V一采區(qū)1010-1 工作面為例，對“四含”及其底部基巖風化帶進行注漿改造試驗并對注漿效果進行檢驗，以期為類似條件下的松散含水層治理及煤礦安全問題提供參考。

1 1010-1 工作面治理區(qū)概況

1010-1 工作面治理區(qū)位于五溝煤礦西南，梯形狀，面積約37 123 m2，位于DF38和F14-62 條中型正斷層和煤層風化帶之間。地層整體為西北向東南逐漸加深的單斜構造形態(tài)，地層傾角9°，下伏10 煤層可采儲量22.6 萬t?！八暮敝卫韰^(qū)巖性復雜，主要由礫石、砂礫、黏土礫石、粗砂、中砂及黏土質砂等組成，其間0～4 層薄層狀黏土夾有礫石、黏土、砂質黏土、鈣質黏土等，“四含”底界面埋深264.41～275.18 m，“四含”厚度25.30～47.88 m，含水砂層厚度4.80～30.74 m，單位涌水量0.019 4～0.047 4 L/(s·m)，滲透系數0.093～0.316 m/d?！八暮敝卫韰^(qū)為弱富水性巖層，主要接受側向區(qū)域徑流補給，水平滲透性強，垂直滲透能力次之，其上部“三隔”厚度36～62.35 m。1010-1 工作面治理區(qū)水文地質剖面圖如圖1。

圖1 1010-1 工作面治理區(qū)水文地質剖面圖Fig.1 Hydro-geological section of 1010-1 working face control area

2 松散含水層注漿加固

2.1 鉆探工程

采用地面直孔結合定向斜孔逐排施工驅水固沙，共設計43 個地面直孔或定向斜孔，其中，3個注前取心孔（Z12、Z20、Z22）、3 個注后取心檢查孔（J4、B1、B2）、36 個治理孔，鉆孔以加固“四含”及其底部基巖風化帶為主要目的，注漿鉆孔間距28.3 m，終孔位置必須進入基巖以下10 m，累計完成鉆探進尺11 790.03 m（一開10 408 m，二開1 382.03 m），取心243.03 m，掃孔336 次，測斜11 790.03 m，壓水試驗44 次，總注漿量70 263 t（其中水泥57 738 t，粉煤灰12 525 t）。鉆孔結構示意圖如圖2。

圖2 鉆孔結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of borehole structure

鉆孔采用二開孔身結構：一開段至基巖面以上25 m，孔深約245 m，孔徑 ?215.9 mm，下入?177.8 mm×8.05 mm 套管，水泥固井；二開治理段，孔徑 ?152 mm，分段下行式注漿治理，單位段長4～6 m，終孔至基巖頂面下10 m。

2.2 注漿工程

注漿工程的主要目的是對煤層頂部“四含”及“四含”底部基巖風化帶進行注漿加固，通過地面鉆孔將配制好的漿液高壓注入目標地層，將含水層變?yōu)楦羲畬踊蛴行Ц羲畬?，由Ⅰ類、Ⅱ類水體轉變?yōu)榻咏韪傻蘑箢愃w[21]，最終實現解放淺部“四含”煤柱資源。

2.2.1 注漿材料

注漿材料為水泥及粉煤灰，水泥型號為礦渣硅酸鹽水泥，強度等級為P.S 32.5。在保證工程質量的同時為了最大限度降低治理成本，注漿前對水泥摻注粉煤灰、石膏的可行性進行了探究。試驗采用粉煤灰和石膏分別以不同比例替換不同標號水泥，以配制不同比重混合漿液，最終通過混合漿液結石率及單軸抗壓強度反映不同類型漿液性能，粉煤灰摻比試驗設計見表1。

表1 粉煤灰摻比試驗設計表Table 1 Fly ash ratio test design table

表1 中，混合漿液比重=（組分1 的比重×組分1 的體積比例+組分2 的比重×組分2 的體積比例+···+組分n的比重×組分n的體積比例）/總體積，其中，每個組分的比重是指該組分的密度與水的密度之比?？傮w積是混合物中所有組分的體積之和。

共計制備不同水泥-粉煤灰摻注比例的水泥標準試試塊38 組114 件試塊，經28 d 養(yǎng)護后送檢進行單軸抗壓強度及結石率測試，結果表明：粉煤灰與水泥配制的混合漿液在粉煤灰摻比比例小于50%時，水泥-粉煤灰試塊強度與粉煤灰摻比呈正相關，且遠高于水泥凈漿試塊強度。

不同水泥-粉煤灰配備下的混合漿液結石率試驗結果表明：水泥-粉煤灰混合漿液結石率高于水泥凈漿結石率，一般比純水泥漿液高20%，在粉煤灰摻量20%時結石率最高。

2.2.2 注漿工藝

注漿采用分段下行式、劈裂注漿法，連續(xù)與間歇注漿相結合的注漿工藝，設計單位注漿段長為4～6 m（可根據實際施工情況調整），進行簡易水文觀測，最后對鉆孔進行高壓注漿。每次注漿前，均需進行壓水試驗，目的在于疏通注漿管路及孔內巖石裂隙，測定受注段透水率。壓水試驗一般先用稀漿進行試注，了解該孔地層可注性、注漿壓力變化及鄰孔是否竄漿等情況，及時調整注漿參數，最后根據壓水試驗結果，確定注漿量及比重。

考慮到注漿工程的特殊性，可能會引起相鄰孔竄漿、地面變形等問題，進而無法高壓注漿，因此注漿壓力應根據現場情況進行調整，但原則上總壓力不低于受注層位靜水壓力的2～3 倍，注漿壓力達到結束標準后，應逐次換檔降低注漿量，直至注漿量小于60 L/min，并維持30 min，則可停止注漿，最終確定注漿壓力為2.5～3.5 MPa。

3 注漿效果檢驗

3.1 漿液擴散范圍

3.1.1 鉆孔竄漿分析

漿液擴散范圍從施工過程中鉆孔竄漿、鉆遇水泥進行了初步分析。施工過程中，隨著施工鉆孔增多，孔間竄漿現象時有發(fā)生。分析認為，該原因主要是受孔間壓力傳遞所致，鉆探施工過程中受周邊注漿孔壓力影響或者是由于觀測孔水位上升均會出現孔口返漿現象。注漿過程中共發(fā)現竄漿16 次，竄漿距離28～89.5 m，但有很多相鄰鉆孔注漿期間無聯系或者無明顯聯系，說明漿液在“四含”中擴散極不均一，因此，注漿過程需通過控制注漿量控制漿液的擴散范圍。對于工程施工竄漿問題，主要采取分區(qū)施工、鉆探及注漿分區(qū)分時段施工、同一區(qū)域同注同掃方式以及鉆探施工時周邊不進行注漿、注漿時周邊孔不進行鉆探等方法，以盡可能地減少孔間竄漿對施工的影響。

3.1.2 鉆遇水泥情況

在工程施工過程中，鉆探下延揭露的“四含”及基巖段巖屑中時有鉆遇水泥的情況，除去注前3 個取心孔以及注后3 個取心檢查孔，36 個治理孔二開下延段鉆探施工共撈取1 179 包巖屑，撈取的1 179 包巖屑中可見水泥的有281 包，水泥可見率約23.8%，“四含”細砂、中砂、粉砂、黏土質砂、砂質黏土及黏土中均有發(fā)現，基巖層位粉砂巖、砂質泥巖及泥巖中也均有發(fā)現，整體上“四含”多于基巖，其中，“四含”水泥含量質量分數少則3%～5%及10%～20%，多則40%～50%甚至可達70%?！八暮敝猩喜考毶皩雍阈撬啵胁看稚啊⒓毶皩雍噘|量分數達15%～50%，黏土質砂、砂質黏土及基巖砂質泥巖風化段含少量水泥；“四含”底部接近基巖粉砂層位置含水泥碎屑質量分數達10%～75%，基巖段上部風氧化帶層段粉砂巖含固結狀水泥碎屑質量分數10%～15%。

注入后的漿液在地層中存在的形式主要包括：固結狀水泥碎屑，顆粒狀，薄片狀、零星水泥塊及未固結漿液。通過分析水泥含量及形態(tài)，發(fā)現在“四含”及基巖層位有水泥充填，上部“三隔”層位并未發(fā)現，同時，部分鉆孔下延過程中就已發(fā)現水泥顆粒，水泥在形態(tài)上呈薄片狀和粒狀。分析認為：該水泥一部分來自本孔上一次注漿擴散至下部地層，更多一部分則來自周邊鉆孔注漿擴散，說明擴散范圍達到鉆孔間距。

3.2 地表變形間接反映漿液擴散范圍

1010-1 工作面治理區(qū)“四含”注漿改造試驗工程，地表巖移觀測布設高程基準點6 個，場地外東、西、南、北4 條線布置地面變形監(jiān)測點101個，場地內布設監(jiān)測點26 個。場地內監(jiān)測點豎向位移監(jiān)測結果如圖3。

圖3 場地內監(jiān)測點豎向位移曲線Fig.3 Vertical displacement curves of monitoring points in the site

結果表明，截至2021 年3 月5 日，變形量大于100、150、200 mm 的 監(jiān) 測 點 分 別 有16、7、3 個，監(jiān)測點變形量從大到小依次為J7（225.0 mm）、J15（221.5 mm）、Z14（207.8 mm）、J6（179.6 mm）、Z20（176.9 mm）、J8（173.8 mm）、Z9（172.9 mm），場地內變形量均表現為抬升。

場地外監(jiān)測點豎向位移監(jiān)測結果如圖4～圖7，其中，監(jiān)測點累計變形量為負值時，表示抬升點，監(jiān)測點累計變形量為正值時，表示下沉點。

圖4 東線監(jiān)測點豎向累計位移曲線Fig.4 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points on the eastern line

圖5 西線監(jiān)測點豎向累計位移曲線Fig.5 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points on the western line

圖6 北線監(jiān)測點豎向累計位移曲線Fig.6 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points on the northern line

圖7 南線監(jiān)測點豎向累計位移曲線Fig.7 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points in southern line

經分析知：東線最大抬升點（E1）變形量175.5 mm，北線最大抬升點（N1）變形量89.4 mm，南線最大抬升點（S2）變形量86.5 mm，西線最大抬升點（W1）變形量63.1 mm，可見東線變形較為明顯。場地外變形監(jiān)測結果表明：地表抬升影響范圍約300 m，300 m 之外監(jiān)測數據顯示地表變形表現為略有下沉，北部塌陷區(qū)下沉較為明顯，下沉區(qū)域較大，N14監(jiān)測點以外均出現明顯下沉，其中，最大下沉變形為北側最遠監(jiān)測點N21（約48 mm）；東、西、南線僅發(fā)生局部明顯下沉，未出現大面積下沉現象，最大下沉變形監(jiān)測點分別為E6（約50 mm）、W17（約64 mm）、S19（約75 mm）。

從地面變形監(jiān)測數據分析可知：抬升最遠影響范圍為東線E10（距注漿鉆孔施工區(qū)東側邊界約300 m），西線W12（距注漿鉆孔施工區(qū)西側邊界約355 m），南線S10（距注漿鉆孔施工區(qū)南側邊界約290 m），北線N12（距注漿鉆孔施工區(qū)北側邊界約305 m），但漿液擴散距離遠小于該距離，因此，分析認為地面變形遠端主要受壓力傳導作用形成變形。

本次場地外地表巖移總共進行了20 個周期（10～15 d 為一個周期）檢測，對場地外東、西、南、北線最具代表性的E1、W1、S1、N1監(jiān)測點在每個監(jiān)測周期內地表巖移變化量進行統(tǒng)計并繪制周期性地表變形量與該周期內注漿量關系曲線，周期性地表變形量曲線如圖8，周期性注漿量曲線如圖9。

圖8 周期性地表變形量曲線Fig.8 Curves of periodic surface deformation

圖9 周期性注漿量曲線Fig.9 Periodic grouting volume curves

由圖8、圖9 分析知：前6 個周期北線和東線開始抬升，北線和東線主要變形集中在第6 周期至第13 周期；南線和西線從第8 周期開始抬升，這與場地內先期北部開始注漿隨后逐漸向中部及南部施工注漿有關。從北線周期變形量可看出：其與周期性注漿量呈正相關，即注漿量越大，地表上升變形量則越大，北部注漿在第14 周期結束后從第15 周期開始，北部整體表現為地表下沉。南部從第5 周期后開始有抬升，且在第9 周期注漿量最大時變形量也達到最高值，該周期以中部注漿為主，說明漿液明顯向南部擴散。場地東部從開始注漿一直抬升，初期抬升較緩，第9 期至第13 期中期注漿量較大時抬升量也相應較大，17周期之后出現地表下沉現象，該周期內場地內只有B2孔有少量注漿。除東線之外其他各線監(jiān)測數據也表明地表有下沉現象，分析認為，該現象主要是由于前期注漿地層受壓，后期周期內無注漿或注漿量較少使得地層壓力釋放所致。

通過上述分析表明，治理區(qū)漿液擴散范圍受地層介質差異影響明顯，部分區(qū)域漿液擴散范圍達到設計孔間距，部分區(qū)域未達到，同時，注漿對地表變形影響體現在漿液擴散和壓力傳導，并以壓力傳導為主。

3.3 注后取心檢查孔探查

選取J4、B1、B2孔進行鉆孔取心和水文地質試驗。注后取心檢查孔鉆探下延揭露“四含”及基巖段巖屑時鉆遇水泥情況主要存在于“四含”層位，注后取心檢查孔巖心中發(fā)現注漿水泥主要以層狀水泥塊、脈狀水泥、柱狀水泥及水泥碎塊等形式存在，局部斷面也見水泥充填，膠結完好，充填密實，說明前期注漿效果較好。

根據3 個注后取心檢查孔施工情況可知，J4、B1、B2孔取心率分別為63%、69%、69%，累計完成取心進尺102 m，注漿前Z12、Z20、Z22孔取心率分別為49%、58%、65%，注后取心檢查孔取心率高于注前取心孔，與注前取心孔樣品測試相比，注后取心孔樣品真密度略有增大，含水率略有減小，抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度略有增大。

選取J11鉆孔對基巖風氧化帶取心樣品進行檢測，J11孔基巖風氧化帶取心試樣見表2。

表2 J11 孔基巖風氧化帶取心試樣Table 2 Core samples for bedrock wind oxidation zone in well J11

結果顯示：取樣段基巖風氧化帶抗壓強度范圍為3.03～11.10 MPa，抗壓強度隨采樣深度增加呈現先增大后減小再增大的趨勢，且取樣段底端抗壓強度大于頂端；與注前取心孔（Z12、Z20、Z22）抗壓強度相比，遠大于注前取心孔基巖段抗壓強度（1.96～2.18 MPa），表明受注漿治理影響，基巖風氧化帶抗壓強度增強約2～5 倍，注漿效果較為顯著。

4 結 語

1）“四含”治理區(qū)巖性復雜，富水性弱，主要接受側向區(qū)域徑流補給，水平滲透性強，垂直滲透能力次之；注漿改造工程以加固“四含”及其底部基巖風化帶為主要目的，采用地面直孔結合定向斜孔逐排施工驅水固沙方案，共設計了43 個地面直孔或者定向斜孔，其中3 個注前取心孔、3 個注后取心檢查孔、36 個治理孔。

2）混合漿液強度受制于粉煤灰摻比比例，粉煤灰與水泥配制的混合漿液在摻比小于50%時，水泥-粉煤灰試塊強度與粉煤灰摻比呈正相關；混合漿液強度、結石率均高于水泥凈漿試塊，混合漿液結石率一般比純水泥漿液高20%，在粉煤灰摻量20%時結石率最高。

3）治理區(qū)漿液擴散范圍受地層介質差異影響明顯，漿液在“四含”中擴散極不均一，漿液最大擴散距離為89.5 m，最小28 m，部分區(qū)域漿液擴散距離達到設計孔間距，部分區(qū)域未達到，注漿過程需通過控制注漿量控制漿液擴散范圍，宜采用間歇連續(xù)式注漿以控制漿液在治理區(qū)域內擴散；注漿對地表影響體現在漿液擴散和壓力傳導，并以壓力傳導為主；

4）注后取心檢查孔鉆遇水泥情況主要存在于“四含”層位，其巖心中發(fā)現注漿水泥以不同形式存在，局部斷面也見水泥充填，膠結完好，充填密實；注后取心檢查孔取心率高于注前取心孔，注后取心孔樣品真密度略有增大，含水率略有減小，抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度略有增大，但基巖風氧化帶注漿后巖層抗壓強度隨采樣深度增加呈現先增大后減小再增大的趨勢，其抗壓強度增強約2～5 倍。