汪雄友，陳海軍，朱和俊，程龍藝

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院，合肥 230001；2.中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 2100313.宣城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和地災(zāi)應(yīng)急中心， 安徽 宣城 242000；4.皖北煤電集團(tuán)公司劉橋一礦， 安徽 淮北 235162)

深部煤層高承壓水底板注漿改造防治水技術(shù)的應(yīng)用

汪雄友1，陳海軍2，朱和俊3，程龍藝4

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院，合肥 230001；2.中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 2100313.宣城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和地災(zāi)應(yīng)急中心， 安徽 宣城 242000；4.皖北煤電集團(tuán)公司劉橋一礦， 安徽 淮北 235162)

以劉橋一礦Ⅱ666工作面6煤為研究對(duì)象，針對(duì)礦井?dāng)嗔褬?gòu)造復(fù)雜，與煤層開(kāi)采關(guān)系較大的太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度大、富水性強(qiáng)、水壓高、補(bǔ)給源充分、開(kāi)采深度大、地壓高等特點(diǎn)，結(jié)合以往相鄰采區(qū)或工作面深部煤層底板開(kāi)采時(shí)發(fā)生多次突水事故的實(shí)際，在分析礦井6煤頂?shù)装逯饕凰c(diǎn)情況的基礎(chǔ)上，對(duì)Ⅱ666工作面的突水系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，工作面的最大突水系數(shù)超過(guò)底板構(gòu)造破壞帶區(qū)域突水系數(shù)臨界值，工作面回采前需采取底板注漿改造措施。根據(jù)工作面突水系數(shù)、底板隔水層厚度和承受水壓大小，把工作面分為2段進(jìn)行全覆蓋注漿改造。運(yùn)用涌水量對(duì)比法、物探探測(cè)法和突水系數(shù)計(jì)算法，對(duì)工作面的改造效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，注漿改造后的鉆孔涌水量大幅度減小，甚至為零，物探異常區(qū)明顯變少，突水系數(shù)均<0.06MPa/m，達(dá)到了預(yù)期要求，為保證深部煤炭資源開(kāi)采系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

深部煤層開(kāi)采；太灰?guī)r溶水；注漿改造；底板隔水層；突水系數(shù)；劉橋一礦

劉橋一礦位于安徽省濉溪縣西北劉橋鎮(zhèn)，東北距淮北市約12km。礦井走向長(zhǎng)7km，傾向?qū)?.5～2.0km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力118萬(wàn)t/a。礦井主要可采煤層為4、6煤層，均厚4.68m。目前，主采煤層6煤位于Ⅱ66采區(qū)。其中，Ⅱ666工作面為Ⅱ66采區(qū)的第11個(gè)工作面，位于劉橋向斜西翼，整體表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。研究區(qū)工作面(圖1)北部為Ⅱ668工作面，南部為Ⅱ664采空區(qū)，切眼靠近A10陷落柱保護(hù)煤柱線(xiàn)，上部為已經(jīng)回采完畢的Ⅱ468工作面，設(shè)計(jì)收作線(xiàn)靠近DF27 (115°∠60°H=20m)斷層上盤(pán)保護(hù)煤柱線(xiàn)；工作面走向長(zhǎng)245m(平距)，傾向?qū)?56m(平距)，煤層傾角17°～29°，煤層平均傾角25°。煤層厚度2.3～3.4m，平均厚度2.9m。

1 井田地質(zhì)和水文地質(zhì)條件概況

1.1 地層

鉆探和井巷揭露井田地層有奧陶系、石炭系、二疊系和第四系，地層總厚大于1500m。主要含煤地層為二疊系山西組和下石盒子組。

1.2 構(gòu)造

井田位于大吳集復(fù)向斜南部仰起端，為一不完整的向斜構(gòu)造形態(tài)，地層傾角8°～15°。據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)資料分析，井田二水平采區(qū)(12線(xiàn)以北)落差≥10m的斷層25條(主要煤層中斷層)，其中落差>30m的8條，30m≥落差>20m的5條，落差≤20m的12條。斷層延展方向大部分與向斜軸走向一致。

圖1 Ⅱ666工作面構(gòu)造示意Figure 1 Working face II666 structural sketch map

1.3 井田主要含水層

1.3.1 煤系砂巖裂隙水含水層(組)

自上到下分為五、六、七、八含水層。

五含為上石盒子組(K1～K5)砂巖裂隙含水層，厚17.10～59.30m，裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)。六含為下石盒子組上部砂巖裂隙含水層，厚0～20m，裂隙發(fā)育，含水豐富。七含為下石盒子組4煤頂、底板砂巖裂隙含水層，厚15～36.5m，裂隙發(fā)育，含水較為豐富。八含為山西組六煤層頂、底板砂巖裂隙含水層，厚0～30m，裂隙發(fā)育，含水比較豐富，巷道揭露時(shí)出現(xiàn)淋水或底板滲水現(xiàn)象。

1.3.2 太灰?guī)r溶水含水層(組)

太灰厚約130m，由泥巖、粉砂巖和13層灰?guī)r組成，自上而下依次編號(hào)。L1～L2為薄層狀灰?guī)r，厚度2～3m，含水性弱。L3～L4灰?guī)r均厚8～12m，裂隙溶洞發(fā)育、含水豐富，是礦井充水的主要含水層和主要充水水源。一般把1～4層灰?guī)r視為一個(gè)含水層組，此組單孔涌水量q=0.992～0.815l/s·m，滲透系數(shù)k=2.857～0.045m/d，富水性中等。

1.3.3 奧灰?guī)r溶水含水層(組)

奧陶系是礦區(qū)主要含水層，總厚420～560m。奧陶系灰?guī)r在本井田內(nèi)部隱伏于C-P之下，巖溶裂隙發(fā)育，連通性強(qiáng)，含水量豐富。該層鉆孔單位涌水量q=2.83l/s·m，滲透系數(shù)k=2.36m/d，礦化度為0.80～3.814g/l，水質(zhì)類(lèi)型為SO4～NaCa型。

1.4 影響Ⅱ666工作面安全回采的水文地質(zhì)因素及突水危險(xiǎn)性分析

1.4.1 6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水(八含水)

據(jù)礦井瞬變電磁13孔及探查鉆孔揭露地質(zhì)資料，Ⅱ666工作面煤層直接頂厚8.7m，泥巖，局部含粉砂質(zhì)，裂隙發(fā)育；老頂為粉砂巖，灰色，層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，方解石充填，類(lèi)比Ⅱ664工作面，回采過(guò)程中預(yù)計(jì)出現(xiàn)3～10m3/h的淋、滲水。

1.4.2 6煤層底板至太灰頂板隔水層(組)

二疊系六煤底板至太灰頂板是礦區(qū)主要隔水層，該層巖性主要為泥巖和粉砂巖，夾1～2層砂巖，局部為砂泥巖互層，巖性較致密。一般情況下開(kāi)采6煤，此段能起到隔水作用，但在局部地段，因受斷層影響，間距減小，甚至與灰?guī)r對(duì)接，則有可能出現(xiàn)“底鼓”或斷層突水。還有部分地段的水位較高，突水系數(shù)過(guò)高，導(dǎo)致該隔水層隔水性能降低，有可能造成礦坑突水[3]。

1.4.3 Ⅱ666工作面突水危險(xiǎn)性分析1.4.3.1 主要突水點(diǎn)情況分析

井田二水平深部采區(qū)Ⅱ666工作面6煤層開(kāi)采時(shí)底板破壞深度超過(guò)12m，煤層底板與太灰頂界的正常間距約50m，在高水壓作用下，斷層破碎帶溝通太灰水，使其進(jìn)入礦井的可能性增大[4]，另?yè)?jù)井田內(nèi)探明的24條較大斷層中有8條斷層落差大于30m，延深到“太灰”以下，有可能導(dǎo)致6煤底板突水。本井田6煤在開(kāi)采過(guò)程中，Ⅱ623、Ⅱ626工作面在回采過(guò)程出現(xiàn)了4次水量約210～365m3/h的底板突水災(zāi)害，突水水源均為太灰水，最大一次突水量365m3/h，突水通道分別為NWW向小型正斷層和近NS向的陳集逆斷層(見(jiàn)表1)。

表1 劉橋一礦6煤頂?shù)装逯饕凰c(diǎn)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of main water bursting points in coal No.6 roof and floor, Liuqiao No.1 coalmine

1.4.3.2 突水系數(shù)計(jì)算

據(jù)地面太灰長(zhǎng)觀孔水24孔水位資料分析，太灰水位為-370m(2015-09-08)；

六煤層底至L1灰?guī)r頂均厚51.9m；Ⅱ666工作面回采下限標(biāo)高-765m。

突水系數(shù)計(jì)算公式為：

Ts=P/M

式中：Ts—突水系數(shù)，MPa/m；P—隔水層承受的水壓，取3.22MPa；M—底板隔水厚度，取平均值51.9m。

經(jīng)計(jì)算，Ts= 0.086MPa/m，可見(jiàn)該面最大突水系數(shù)超過(guò)底板構(gòu)造破壞帶區(qū)域突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m[5-6]，工作面回采前需采取底板注漿改造措施，降低工作面回采太灰水突水系數(shù)。

因此，井田在開(kāi)采6煤時(shí)受底板灰?guī)r承壓水水害嚴(yán)重，尤其是在煤層底板薄弱地帶、水壓高、巖溶陷落柱發(fā)育和富水性強(qiáng)的地段需要進(jìn)行底板注漿改造，以保障礦井安全可靠回采[7]。

2 底板注漿改造方案

2.1 注漿目的層

根據(jù)工作面突水系數(shù)、底隔厚度和底板承受水壓大小，把工作面分為2段進(jìn)行全覆蓋注漿改造：① -690～-730m段改造L1～ L3灰。②-730～-810m段改造L1～L4灰。

2.2 布孔原則

底板注漿布孔分布圖見(jiàn)圖2。

①工作面以改造海相泥巖～L3或L4灰含水層為主，兼顧加固砂巖。取漿液的擴(kuò)散半徑為35m，對(duì)底板實(shí)施地毯式注漿改造。并對(duì)向斜軸軸部及構(gòu)造破碎帶進(jìn)行加密布孔，進(jìn)行重點(diǎn)加固。

② 鉆窩布置在Ⅱ666工作面的機(jī)巷、風(fēng)巷，外風(fēng)巷，保證鉆探工程量最小。

圖2 Ⅱ666工作面底板注漿鉆孔布置Figure 2 Working face Ⅱ666 floor grouting boreholes layout

③以斜孔為主，使揭露的含水層段盡量長(zhǎng)，這樣注漿效果更好[8]。

④考慮采動(dòng)影響，加固改造底板范圍向工作面四周外擴(kuò)30m左右。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

注漿孔裸孔孔徑設(shè)計(jì)Ф75mm，實(shí)際深度應(yīng)不小于設(shè)計(jì)深度要求，每個(gè)鉆孔下二級(jí)套管，一級(jí)為孔口管，二級(jí)為保護(hù)管。

① 一級(jí)為孔口管要求：開(kāi)孔孔徑Φ146mm，第一路Φ127mm護(hù)壁管，且應(yīng)以穿過(guò)6煤底板下3m為宜；

② 二級(jí)為保護(hù)管：下Φ108mm止水套管(保護(hù)管)，長(zhǎng)度以保證其在底板垂深不小于20m為準(zhǔn)，保護(hù)管以下為裸孔，孔徑Φ73mm。

注漿檢查孔的結(jié)構(gòu)同上，套管管材一般選擇DZ40普通地質(zhì)管材，管材厚度根據(jù)水壓(注漿終壓)大小確定，工作面水壓>3MPa(注漿終壓>7.5MPa)，壁厚6.0mm以上。

2.4 注漿設(shè)備與材料

①地面注漿系統(tǒng)由地面造漿系統(tǒng)、注漿泵(泥漿泵)及注漿管路組成。

②井下注漿系統(tǒng)由6臺(tái)ZLJ4000鉆機(jī)(37kW)和6臺(tái)2ZBQ-30/3(7.5kW)注漿泵組成。

③注漿材料采用水泥、粉煤灰的混合漿液或水泥和黏土的混合漿液。水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥。單液水泥漿主要用于溶洞、溶隙性含水層，密度為1.20～1.30g/cm3；黏土水泥漿主要用于裂隙、溶隙性含水層，密度為1.16～1.30g/cm3。

2.5 鉆探施工

工作面共完成33個(gè)底板鉆孔的探查任務(wù)。其中底板探查孔23個(gè)，檢查驗(yàn)證孔8個(gè)，取心孔2個(gè)，鉆探工程量6 403.3m。33個(gè)鉆孔中5個(gè)鉆孔無(wú)水，其余鉆孔均有不同程度的出水。從出水鉆孔的分布上看，水量較大的鉆孔分布在機(jī)巷一側(cè)。機(jī)巷Z1鉆場(chǎng)有7個(gè)鉆孔均有不同程度的出水，其中水量最大的Z1-1孔水量為80m3/h。Z2鉆場(chǎng)有10個(gè)鉆孔均有不同程度的出水，其中水量最大的Z2-4孔水量為40m3/h。機(jī)巷Z9鉆場(chǎng)有4個(gè)鉆孔出水，其中水量最大的Z9-3孔水量為20m3/h。Z10鉆場(chǎng)有8個(gè)鉆孔均有不同程度的出水，其中水量最大的Z10-4孔水量為75m3/h。

2.6 注漿工程

工作面共完成33個(gè)鉆孔注漿施工，采用單液水泥漿，總注漿量2 238.94m3，水泥675.34t。單孔注漿量最大的為Ⅱ666風(fēng)巷Z10-4，注入漿液501m3，水泥145.4t。

從各鉆孔的注漿量分析可知，鉆孔注漿量差別較大，涌水量大的鉆孔，其注漿量一般也大[9]。例如Z1-1、Z1-3、Z2-2、Z2-4、Z2-7、Z9-3、Z10-4這7個(gè)鉆孔，注漿量為1 773.2m3， 說(shuō)明底板太原組灰?guī)r存在巖溶裂隙通道。

3 注漿治理效果評(píng)價(jià)

3.1 涌水量對(duì)比法

同一鉆場(chǎng)中，注漿前施工的鉆孔涌水量較大，注漿后施工的鉆孔涌水量減小甚至為零(見(jiàn)表2)[11]。從表3中可以看出，注漿后煤層底板的導(dǎo)水裂隙得到了有效的封堵，注漿效果明顯，另一方面也表明漿液擴(kuò)散半徑較大，影響到相鄰鉆孔。前期注漿孔注漿量明顯大于后期注漿孔的注漿量，這和預(yù)期的擠壓填充注漿設(shè)計(jì)原則相一致，注漿后底板巖層得到了較好的加固和改造。

表2 Ⅱ666工作面底板注漿改造驗(yàn)證鉆孔探查成果Table 2 Verification borehole explored results of working face II666 floor grouting reformation

3.2 物探曲線(xiàn)分析法

為了了解注漿后煤層底板含水裂隙封堵與含水層改造效果，采用礦井瞬變電磁法和音頻電磁透視法在工作面機(jī)巷、風(fēng)巷施工，對(duì)注漿后煤層底板再次進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)注漿前后阻值的變化及低阻異常發(fā)育范圍對(duì)比，分析底板可能存在威脅的含水裂隙發(fā)育范圍及位置，做針對(duì)性的注漿效果檢驗(yàn)(圖3、圖4)。

從圖3、圖4可以看出，物探異常區(qū)明顯減少，注漿效果明顯。

3.3 突水系數(shù)評(píng)價(jià)

33個(gè)底板改造鉆孔終孔層位L3～L4，在-690～-730.00段對(duì)L1～L3進(jìn)行了改造，將所注區(qū)段L1～L3灰?guī)r改造為隔水層；在-730～-765m段對(duì)L1～L4進(jìn)行了改造，將所注區(qū)段L1～L4灰?guī)r改造為隔水層。

①-690.0～-730.0m段(風(fēng)巷Z9-Z10鉆場(chǎng))取底隔至鉆孔實(shí)際終孔深度，根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露資料統(tǒng)計(jì)， 底隔厚度由改造前的平均51.9m增加至72.3～74.5m，底板隔水層所承受的最大水壓為4.323MPa，改造后工作面最大突水系數(shù)Ts=0.059MPa/m<0.06MPa/m。

圖3 Ⅱ666工作面底板注漿前瞬變電磁探測(cè)富水異常區(qū)Figure 3 Working face II666 floor TEM prospected water yield property abnormal places before grouting

圖4 II666工作面底板注漿后礦井綜合物探磁探測(cè)異常區(qū)Figure 4 Working face II666 floor integrated geophysical prospecting magnetic abnormal places after grouting

②-730.0～-765.0m段(機(jī)巷Z1、Z2)取底隔至鉆孔實(shí)際終孔深度，根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露資料統(tǒng)計(jì)，底隔厚度由改造前的平均51.9m增加至88.0～91.1m，底板隔水層所承受的最大水壓為4.83MPa，改造后工作面最大突水系數(shù)Ts= 0.055MPa/m<0.06MPa/m。

經(jīng)注漿改造后-690～-765m段Ⅱ666工作面突水系數(shù)符合要求[5,12-13]，可以實(shí)施安全開(kāi)采。

4 結(jié)語(yǔ)

①根據(jù)鉆孔出水深度、水量及水質(zhì)分析結(jié)果分析均為灰?guī)r水，說(shuō)明底板裂隙較發(fā)育，與下伏灰?guī)r存在導(dǎo)升現(xiàn)象。

②從鉆孔注漿量的差別分析，涌水量大的鉆孔注漿量也大，說(shuō)明底板太原組灰?guī)r存在巖溶裂隙通道。

③根據(jù)礦井瞬變電磁和礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)資料分析可知，工作面風(fēng)巷(機(jī)巷)底板及工作面靠近風(fēng)巷(機(jī)巷)一側(cè)煤層底板探測(cè)范圍內(nèi)注漿效果較好。

④注漿加固后采面底板有了較好的改善，富水異常區(qū)域不再是大范圍的出現(xiàn)，異常程度較改造前有明顯變低。底板注漿加固效果明顯，總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

⑤注漿后工作面底隔厚度增加，突水系數(shù)降低，改造前工作面最大突水系數(shù)為0.086MPa/m，改造后為工作面最大突水系數(shù)0.059MPa/m。

⑥由于底板突水機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多，建議加強(qiáng)工作面底板構(gòu)造探測(cè)，做到有疑必探，先探后掘，以防為主，防治結(jié)合，并在煤炭回采過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)底板的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防患于未然，確保煤炭開(kāi)采的安全性。

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Application of Water Control Technology in Grouting Reformation of Deep Part Coal Floor above High Pressure Confined Aquifer

Wang Xiongyou1, Chen Haijun2, Zhu Hejun3and Cheng Longyi4

(1.Anhui Academy of Coal Science, Hefei, Anhui 230001; 2.Nanjing Design and Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Nanjing, Jiangsu 210031; 3.Xuancheng City Geological Environment Monitoring and Geological Hazard Emergency Center, Xuancheng, Anhui 242000; 4.Liuqiao No.1 Coalmine, Wanbei Coal-Electricity Group Co. Ltd., Huaibei, Anhui 235162)

Taking the coal No.6 in working face II666, Liuqiao No.1 coalmine as the subject investigated, in allusion to the features of complex faulted structures, and a thick, water yield property strong, high water pressure, plenitudinous source Taiyuan Formation limestone karst fissure aquifer, as well as deep mining depth and high ground pressure, combined with reality of previous multiple floor water bursting happened in neighboring winning district or working face deep part coal mining, carried out working face II666 water bursting coefficient computation on the basis of coal No.6 roof and floor main water bursting points analysis. The result has indicated that the working face maximum water bursting coefficient has exceeded the critical value of floor structurally destructed zone regional water bursting coefficient, thus before the working face winning should take floor grouting reformation measures. According to working face water bursting coefficient, floor aquifuge thickness and bearing water pressure degree, divided working face into 2 sections to carry out all-over grouting reformation. Through water inflow comparison, geophysical prospecting and water bursting coefficient computation carried out assessment of working face reformation effect. The result has shown that the borehole water inflow decreased dramatically even to zero; geophysical prospecting abnormal places reduced obviously, water bursting coefficients are all <0.06MPa/m, and achieved the desired requirements. Thus the technical support has been provided to ensure deep part coal resource exploitation system normal operation.

deep part coal mining; Taiyuan Formation limestone karst aquifer; grouting reformation; floor aquifuge; water bursting coefficient; Liuqiao No.1 coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.11

1674-1803(2017)07-0046-06

汪雄友(1982—)，男，安徽樅陽(yáng)人，助理研究員，現(xiàn)從事礦山安全評(píng)價(jià)和礦井防治水工作。

2017-03-09

責(zé)任編輯：樊小舟

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