張秋成 李金海 劉丙申 徐永紅

（鄭州祥隆地質(zhì)工程有限公司，河南省鄭州市，452371）

地面返流注漿堵水技術(shù)及應(yīng)用研究

張秋成 李金海 劉丙申 徐永紅

（鄭州祥隆地質(zhì)工程有限公司，河南省鄭州市，452371）

在對注漿堵水技術(shù)研究及水害治理實踐的基礎(chǔ)上，提出了地面返流注漿堵水技術(shù)，就其治理掘進巷道突水、采煤工作面突水和隱伏構(gòu)造突水的堵水機理和關(guān)鍵技術(shù)作了探討，進行了工程應(yīng)用，結(jié)果表明，宿駕窯煤礦和吳村煤礦采用地面返流注漿堵水技術(shù)后，堵水率分別為98%和100%，效果明顯。

注漿堵水 地面返流 水害治理

隨著煤炭開采深度的增加、開采方式和工作面開采空間尺度的變化及機械化程度的明顯提高，礦井水害產(chǎn)生條件、威脅程度及水害形成機理也發(fā)生很大的變化。地面注漿堵水已成為煤礦突水淹井事故治理的良方，前人曾在注漿堵水材料、設(shè)備及施工工藝等方面做了大量研究與實踐工作，但未能實現(xiàn)礦井快速恢復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)的理論化、系統(tǒng)化，急需突破“經(jīng)驗治水”的層次。因此，探索適應(yīng)新采掘條件下的礦井水害治理技術(shù)，實現(xiàn)災(zāi)后的快速復(fù)礦，是當(dāng)前一項非常重要和緊迫的任務(wù)。筆者通過研究及堵水實踐經(jīng)驗提出地面返流注漿堵水快速治理技術(shù)，為礦井水害治理提供一種新方法，對該領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地面返流注漿堵水技術(shù)原理

煤礦發(fā)生突水淹井事故后，首先應(yīng)選擇在突水點附近工作面或巷道截流，使突水點附近形成密閉空間，在井巷其他區(qū)域?qū)嵭袕娕潘?，盡快恢復(fù)礦井其他工作區(qū)間的正常生產(chǎn)。地面施工準(zhǔn)確命中巷道打孔后，只有向巷道（裂隙）截流部位投入大量骨料，將巷道（裂隙）導(dǎo)水通道寬度變窄，巷道（裂隙）內(nèi)管道流衰減為滲透流，增大水流沿程阻力，水泥漿才會在骨料間隙中充填凝固，起到截流作用。投注骨料后，注漿液在壓力差的驅(qū)使下，充填到骨料及裂隙間的細小通道，把巷道及其頂?shù)装寮庸坛梢粋€整體，從而達到截流之目的。

截流成功后，巷道或工作面附近形成了只有導(dǎo)水通道與含水層連通的密閉空間，即可在突水點附近地面施工鉆孔加壓注漿，迫使?jié){液沿導(dǎo)水通道流向含水層，占據(jù)導(dǎo)水通道及含水層富水空間，以堵塞導(dǎo)水通道或改造含水層為隔水層，實現(xiàn)封堵突水水源和導(dǎo)水通道的目標(biāo)，此謂地面返流注漿堵水。

2 適用水害類型及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 掘進巷道突水治理

巷道一般布置在完整性好、硬度較高的巖層中，掘進巷道突水，一般是揭露了導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛴鰩r溶裂隙較發(fā)育地段所致。首先應(yīng)在巷道距突水點一定距離施工截流孔，使突水點附近形成只有突水通道與含水層連通的密閉空間。

式中：P含——含水層水壓，MPa；

P水——巷道截流水壓，MPa；

h——含水層水位標(biāo)高，m；

H——煤層底板標(biāo)高，m；

M——底板隔水層厚度，m；

P注——注漿壓力，MPa；

P漿——漿液柱壓力，MPa。

注漿前，含水層水壓P含略大于巷道和鉆孔水壓P水；高壓注漿時，截流巷道中的水被壓縮，界面ab上壓力P水大于含水層水壓P含，且隨注漿壓力升高，P水值亦逐漸增加，而含水層壓力值P含保持不變。注漿液具有流向弱勢壓力通道的屬性趨勢，于是徐徐注入含水層，迫使水沿導(dǎo)水通道返流回含水層及儲水構(gòu)造中，堵塞導(dǎo)水通道，加固隔水層，見圖1。

圖1 掘進巷道返流注漿堵水示意圖

2.2 采煤工作面突水治理

工作面回采過程中，當(dāng)遇到底板隔水層較薄或構(gòu)造裂隙較發(fā)育地段，底板下部高壓承壓水較易發(fā)生突水。首先在突水點附近的上下巷或者突水點兩側(cè)煤層完整地段的地面施工兩個截流孔進行截流，在巷道其他地段排水可恢復(fù)生產(chǎn)。工作面回采后，采空區(qū)放頂形成的冒落帶內(nèi)被雜亂無章的塌陷物所充填。為此，在突水點附近地面施工的注漿孔鉆進到采空區(qū)冒落帶后，停止鉆進。為堵截下部含水層水上涌，應(yīng)向采空區(qū)充填骨料，使原突水水流由管道流衰減為滲透流，縮小出水通道，減小水量，并注漿加固，使之形成具有一定抗壓強度的混凝土帽，此謂“蓋帽截流”，兼有阻隔煤層頂板水作用。然后再鉆進至底板含水層，投放骨料，返流高壓注漿，迫使水沿導(dǎo)水通道返流回含水層，封堵裂隙導(dǎo)水通道，或者漿液頂替含水層中水流向其他區(qū)域。應(yīng)采用下行注漿法，延深一段，加固一段，改造此段含水層為有效隔水層，見圖2。若出水點較分散，還應(yīng)對不同含水層施工多個鉆孔進行立體注漿。

圖2 采煤工作面返流注漿堵水示意圖

2.3 隱伏構(gòu)造突水治理

在工作面回采或者巷道掘進的過程中，由于采動的影響，裂隙有可能導(dǎo)通下部隱伏構(gòu)造誘發(fā)突水。此類隱伏構(gòu)造主要有隱伏斷層或隱伏陷落柱，雖不切斷煤層或距煤層較遠，但通常突水速度快，突水量大。對此類突水治理依然是先巷道截流，使突水點附近形成密閉空間，做到只有導(dǎo)水通道與突水水源連通，在礦井的其他地段排水恢復(fù)生產(chǎn)。隱伏構(gòu)造突水因其水壓高，水量大，多以管道流形式突水，需先注骨料?？蓳?jù)式（3）計算導(dǎo)水通道半徑，選擇投注骨料粒徑。

式中：r——導(dǎo)水通道半徑，m；

Q——單位時間突水量，m3；

c——流出系數(shù)；

h——含水層水位標(biāo)高，m；

H——煤層底板標(biāo)高，m。

與掘進巷道突水相似，隱伏構(gòu)造中水壓P隱略大于巷道和鉆孔水壓P水，當(dāng)在突水點附近地面施工注漿孔，實行高壓注漿過程中，截流巷道中水被壓縮后，其壓力P水大于含水層水壓P隱，漿液就會頂替水沿導(dǎo)水通道返流回儲水構(gòu)造中，在此過程中堵塞突水通道。需特別注意的是，開始注漿時壓力應(yīng)較小，避免因壓力過大，造成導(dǎo)水通道的嚴(yán)重破壞，并產(chǎn)生新的裂隙導(dǎo)水通道，增加治理難度。突水通道堵塞，并不意味著治水結(jié)束，巷道或工作面推進若欲順利通過隱伏構(gòu)造地段，還需施工多個注漿孔對其進行專項治理，對底板或隱伏構(gòu)造進行徹底的改造加固，見圖3。

圖3 隱伏構(gòu)造返流注漿堵水示意圖

3 實例應(yīng)用

（1）偃師市宿駕窯煤礦22016工作面回采過程中，2010年1月12日發(fā)生采空區(qū)滯后突水，實測最大涌水量達2000m3∕h，礦井被淹。

分析認(rèn)為突水水源以底板灰?guī)r特別是寒灰?guī)r溶裂隙水為主，二1煤上第三系礫石層水參與。工作面東部斷層下盤奧、寒灰水通過斷層附近導(dǎo)水裂隙補給上盤二1煤頂板含水層及第三系礫石層，工作面回采過程中，冒落帶又直接導(dǎo)通其上部含水層，導(dǎo)致出水，同時在高壓水作用下進一步?jīng)_刷和擴展裂隙，寒、奧灰水補給導(dǎo)致突水量進一步增大。

通過實施地面返流注漿堵水工藝，該工程僅施工4個鉆孔，注入水泥5824t、粉煤灰3855t、骨料1690m3、添加劑33.18t，做壓水試驗1次，連通試驗1次，歷時3個月就實現(xiàn)了突水工作面涌水量由堵水前的2000m3／h，減少至40m3／h以下，堵水率至少在98%以上，堵水十分成功。

（2）吳村煤礦32031工作面在回采時于1999年11月15日19時30分發(fā)生特大突水，最大突水量達2378m3／h，二水平穩(wěn)定突水量為2145m3／h，由于采區(qū)泵房排水能力有限，導(dǎo)致整個32采區(qū)被淹。

結(jié)合水質(zhì)分析資料確定突水水源應(yīng)為L2灰?guī)r水和奧灰水。依據(jù)突水發(fā)生在掘進面，突水量增長迅猛，水流混濁并攜帶大量巖塊等特征，判定導(dǎo)水通道應(yīng)為導(dǎo)水隱伏陷落柱，且水量沒有進一步增大而保持穩(wěn)定，確定陷落柱的頂端距二1煤底板尚有一定的距離，至少應(yīng)在L8灰以下。

通過實施地面返流注漿堵水工藝，實測32平臺涌出水量為60m3／h，與突水前32采區(qū)涌水量80m3／h相比，堵水率達100%以上。本次堵水工程成功，不但解除了全礦井的水害威脅，每年僅排水電費就可節(jié)約1300萬元，還解放了32采區(qū)75萬t的儲量，使礦井采掘接替得以實現(xiàn)。

4 結(jié)論

地面返流注漿堵水工藝的主要內(nèi)容是，在巷道或工作面截流成功后，實現(xiàn)只有導(dǎo)水通道與含水層連通，進而在突水點附近地面施工鉆孔加壓注漿，迫使?jié){液沿導(dǎo)水通道流向含水層，以堵塞過水通道和改造含水層為隔水層，最終實現(xiàn)注漿堵水之目的。主要應(yīng)用于掘進巷道突水、采煤工作面突水及隱伏構(gòu)造突水的治理，效果顯著，應(yīng)用前景廣闊。

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Technology of ground backflow grouting for water sealing and its application

Zhang Qiucheng，Li Jinhai，Liu Bingshen，Xu Yonghong

（Zhengzhou Xianglong Geological Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 452371，China）

On the basis of the research on the technology of grouting for water sealing and the water hazard control practice，the technology of ground backflow grouting for water sealing was proposed.The water sealing mechanisms and the key techniques were discussed for the water－inrush control in the excavating roadway and on the mining face，and the concealed water－inrush control.The engineering application showed that the water－sealing rate were up to 98%and 100%，respectively，after ground backflow grouting in the Sujiayao and Wucun coal mines.

grouting for water sealing，backflow on ground，water hazard control

TD743

B

張秋成（1968－），男，河南鄭州人，工程碩士，高級工程師，總工程師。主要從事煤礦水害治理技術(shù)研究工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）