柴建祿，姬中奎，楊 帆，張 池，任智智，楊志斌，羅安昆

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316)

在以堵水為目標(biāo)的礦井注漿工程中，注漿工程大致可以分為兩類，一類是礦井發(fā)生突水的后注漿，一類是為了預(yù)防礦井突水的預(yù)注漿。按照這個(gè)劃分方法，礦井突水搶險(xiǎn)時(shí)的巷道截流注漿[1-3]和突水點(diǎn)堵源注漿[4，5]等均為后注漿，而薄層灰?guī)r底板改造、奧灰區(qū)域治理、陷落柱超前治理等屬于預(yù)注漿[6-10]。預(yù)注漿和后注漿不同，后注漿是一種即時(shí)響應(yīng)性注漿，雖然難度很大，但注漿效果直觀，從突水點(diǎn)的殘余水量可以判斷堵水效果，技術(shù)人員和決策者容易統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。而預(yù)注漿由于時(shí)間和空間的超前性，工程效果往往不直觀，缺乏即時(shí)響應(yīng)性，由于技術(shù)水平及其他原因，效果已達(dá)標(biāo)可能認(rèn)為還沒(méi)注好，效果未達(dá)標(biāo)可能誤以為注好了，給項(xiàng)目后續(xù)進(jìn)展帶來(lái)很大不確定性，甚至可能留下安全隱患。因此，礦井預(yù)注漿工程最好有一套效果即時(shí)檢驗(yàn)方法，能在采掘前的工程中預(yù)知注漿效果，而不是滯后檢驗(yàn)甚至用采掘生產(chǎn)來(lái)驗(yàn)證。

我國(guó)燒變巖帷幕預(yù)注漿工程案例很少，陜煤集團(tuán)神木市張家峁煤礦燒變巖帷幕預(yù)注漿工程總投資超過(guò)4000萬(wàn)，工程事關(guān)兩個(gè)大型綜采面和一個(gè)中型水庫(kù)，以該工程為例研究燒變巖帷幕預(yù)注漿工程的即時(shí)檢驗(yàn)方法，對(duì)于張家峁煤礦安全生產(chǎn)和水庫(kù)水資源保護(hù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于提高燒變巖預(yù)注漿乃至其他預(yù)注漿工程的技術(shù)水平，具有一定的參考價(jià)值。

1 燒變巖帷幕預(yù)注漿工程概況

1.1 礦井及工作面概況

張家峁煤礦主采侏羅系延安組煤層，是一座年產(chǎn)千萬(wàn)噸的特大型現(xiàn)代化礦井，井田內(nèi)多個(gè)煤層燒變，井田中部有常家溝水庫(kù)。常家溝水庫(kù)是神木市最大的水庫(kù)，最大庫(kù)容1200萬(wàn)m3，蓄水量一般500～600萬(wàn)m3。根據(jù)礦井采掘布置，開(kāi)采5-2煤的15207和15208工作面距離水庫(kù)較近，工作面走向約2300m，兩個(gè)工作面上部均覆蓋有4-2煤燒變巖。經(jīng)前期探查，4-2煤燒變巖與常家溝水庫(kù)有水力聯(lián)系，燒變巖含水層富水性強(qiáng)。5-2煤與4-2煤間距約75m，5-2煤厚度為5.6m，若不采取措施，開(kāi)采后一方面工作面乃至礦井存在安全隱患，另一方面還會(huì)造成水庫(kù)水資源的大量流失。

1.2 帷幕區(qū)地形地質(zhì)條件

帷幕區(qū)位于張家峁井田中部、常家溝水庫(kù)北岸，帷幕區(qū)東側(cè)為陳家塔溝，溝中有一個(gè)間歇性泉，陳家塔水潭是一個(gè)水位低于4-2煤燒變巖、與常家溝水庫(kù)無(wú)水力聯(lián)系的水塘，陳家塔溝谷西岸有4-2煤燒變巖直接露頭，帷幕區(qū)西側(cè)為4-2煤火燒區(qū)邊界，如圖1所示。帷幕區(qū)地層自上而下為風(fēng)積沙(Q4eol)、離石組黃土(Q2l)、保德組紅土(N2b)和延安組巖層(J2y)，延安組巖層自上而下為基巖風(fēng)化帶、4-2煤燒變巖、4-2煤底板巖層和5-2煤，如圖2所示。研究區(qū)主要含水層自上而下為風(fēng)積沙含水層、風(fēng)化帶含水層、4-2煤燒變巖含水層及延安組含水層，4-2煤開(kāi)采主要充水含水層為4-2煤燒變巖含水層和延安組含水層，延安組4-2煤與5-2煤頂板含水層均為弱富水含水層，圖1中帷幕線內(nèi)外陰影部分代表水庫(kù)水浸入火燒區(qū)的范圍。

圖1 帷幕區(qū)地形地質(zhì)及帷幕工程平面示意圖(m)

圖2 帷幕區(qū)地層簡(jiǎn)易柱狀圖

1.3 帷幕預(yù)注漿工程設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面與水庫(kù)空間關(guān)系及帷幕區(qū)地形地質(zhì)條件，在工作面切眼外側(cè)布置一個(gè)“一字型”帷幕，如圖1所示，帷幕東至陳家塔溝，西至4-2實(shí)煤體，帷幕總長(zhǎng)度620m，帷幕下至4-2煤燒變巖下新鮮基巖5m，上至燒變巖頂部，帷幕平均深度約60m。帷幕設(shè)計(jì)兩排鉆孔，外排帷幕孔距離切眼50m，如圖3所示，帷幕排間距8.66m，兩排孔錯(cuò)開(kāi)呈正三角梅花形，所有鉆孔的孔間距10m，見(jiàn)圖1。注漿孔一開(kāi)Φ219mm/Φ190mm，進(jìn)入到基巖中1m防止土層坍塌，二開(kāi)Φ153mm/Φ127mm，進(jìn)入到燒變巖中，三開(kāi)Φ108mm為注漿段。注漿漿液分別為PO42.5水泥單液漿、水泥-粉煤灰混合漿和水泥-水玻璃雙液漿，注漿采用孔口封閉分段下行式工藝，要求在注漿壓力4MPa、泵量60L/min情況下時(shí)持續(xù)注漿15min結(jié)束注漿，壓水試驗(yàn)中要求單孔單位吸水率q≤0.005L/(min·m·m)。帷幕預(yù)注漿工程實(shí)施后，15207和15208工作面采后涌水量均不得超過(guò)100m3/h。

圖3 5-2煤、4-2煤燒變巖、水庫(kù)、 帷幕孔關(guān)系剖面示意圖(m)

2 帷幕預(yù)注漿即時(shí)檢驗(yàn)方法研究

2.1 即時(shí)檢驗(yàn)方法的研究思路

上述工程設(shè)計(jì)中鉆孔注漿結(jié)束有兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)[11，12]，一個(gè)是壓力、泵量、時(shí)間的P-Q-t指標(biāo)，一個(gè)是單位吸水率q指標(biāo)。P-Q-t指標(biāo)要求單孔在高壓力、小泵量的情況下穩(wěn)壓一定時(shí)間才能結(jié)束注漿，因?yàn)椴荒軆H靠高注漿壓力，還要在小泵量的情況下持續(xù)一段時(shí)間；單位吸水率在參照注漿壓力和泵量的同時(shí)，還考慮了鉆孔受注段的長(zhǎng)度，能在單位長(zhǎng)度上反映注漿壓力和注漿量。分析可知，上述兩個(gè)指標(biāo)其實(shí)都只是單孔結(jié)束技術(shù)指標(biāo)，難以從宏觀層面檢驗(yàn)帷幕整體效果，不能認(rèn)為單孔達(dá)到要求了，整個(gè)帷幕工程的效果就達(dá)標(biāo)。

燒變巖是煤層燃燒圍巖融化、燒結(jié)和烘烤后形成的一種特殊巖層[13，14]，燒變巖中既有類熔巖帶的孔隙，也有坍塌和烘烤后形成的裂隙，還有燒變巖邊界過(guò)渡到實(shí)煤體處的空洞，帷幕區(qū)4-2煤燒變巖裂隙十分發(fā)育，既有水平裂隙也有垂向裂隙，且裂隙之間的貫通性非常好，有利于漿液較為均勻地的擴(kuò)散與運(yùn)移。在這種地質(zhì)條件下，燒變巖帷幕預(yù)注漿工程的即時(shí)檢驗(yàn)方法可從帷幕帶燒變巖在施工中的變化和帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元在施工中的差異兩方面入手，簡(jiǎn)言之，燒變巖帷幕預(yù)注漿的即時(shí)檢驗(yàn)方法可從“一帶(帷幕帶)兩區(qū)(帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元)”兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.2 注漿前后帷幕帶燒變巖變化分析

注漿工程實(shí)施后，帷幕帶燒變巖的裂隙、孔隙、空洞等受注介質(zhì)將會(huì)被漿液充填，燒變巖會(huì)逐漸由含水層改變?yōu)楦羲畬印＞唧w施工過(guò)程中，帷幕帶燒變巖在注漿前鉆探中可能有掉鉆空推，鉆遇燒變巖后沖洗液會(huì)大量漏失，成孔后鉆孔水位略低于水庫(kù)，鉆孔取心率低；燒變巖注漿后，由于裂隙等介質(zhì)已被漿液充填，鉆探中很難出現(xiàn)掉鉆空推，沖洗液消耗小甚至不消耗，鉆孔水位將高于水庫(kù)，鉆孔取心率高。帷幕帶燒變巖前期注漿中，鉆孔注漿量大，起壓時(shí)間長(zhǎng)，后期隨著燒變巖裂隙逐步被充填，鉆孔注漿量小，起壓時(shí)間變短。

2.3 注漿前后帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元差異分析

注漿工程實(shí)施前，水庫(kù)水和工作面上部4-2煤火燒區(qū)有水力聯(lián)系，火燒區(qū)受水庫(kù)水補(bǔ)給鉆孔水位低于水庫(kù)水位，陳家塔溝中的間歇泉受水庫(kù)水位波動(dòng)間歇性有水，水庫(kù)水通過(guò)火燒區(qū)向泉點(diǎn)排泄，5-2煤工作面上部整個(gè)4-2煤火燒區(qū)燒變巖是一個(gè)統(tǒng)一的含水層，水位受常家溝水庫(kù)控制。若帷幕工程的效果良好，帷幕工程實(shí)施過(guò)程中，帷幕內(nèi)外兩個(gè)水文地質(zhì)單元中外部單元將仍與水庫(kù)水保持水力聯(lián)系，與水庫(kù)水位同升同降，內(nèi)部單元將逐步與水庫(kù)失去水力聯(lián)系，陳家塔溝泉水將逐步斷流，工作面頂部燒變巖水會(huì)漸漸成為靜儲(chǔ)量水，在泉水排泄下鉆孔水位會(huì)下降。

3 帷幕預(yù)注漿即時(shí)檢驗(yàn)方法實(shí)施

根據(jù)以上分析，燒變巖帷幕預(yù)注漿即時(shí)檢驗(yàn)方法有兩個(gè)，一個(gè)是分析“一帶”中帷幕帶上燒變巖裂隙等充填情況，具體可通過(guò)鉆探揭露和注漿反饋實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是“兩區(qū)”中對(duì)帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元進(jìn)行對(duì)比，具體可對(duì)比泉水流量變化和鉆孔水位。

3.1 帷幕帶即時(shí)檢驗(yàn)情況

3.1.1 鉆探揭露

張家峁礦燒變巖帷幕預(yù)注漿總體先施工靠近切眼的內(nèi)排孔再施工外排孔，同排孔分序次注漿。鉆探施工中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，內(nèi)排帷幕前序孔沖洗液消耗漏失非常嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)15m3/h全泵量失返的情況，個(gè)別孔有掉鉆現(xiàn)象，鉆孔取心率低，整體上不超過(guò)60%，鉆孔水位標(biāo)高約為+1134～+1135m，低于水庫(kù)水位的+1136～+1137m。隨著前序孔注漿的逐步進(jìn)行，后序孔鉆探中沖洗液漏失越來(lái)越小，多數(shù)漏失量5～10m3/h，鉆孔水位經(jīng)常在+1150～+1170m之間，高于水庫(kù)水位，鉆探中很少有掉鉆現(xiàn)象，個(gè)別鉆孔返出泥漿中可見(jiàn)水泥，鉆孔取心率高，整體上超過(guò)75%。后期靠近水庫(kù)的部分外排鉆孔施工中，沖洗液幾乎沒(méi)有消耗，起鉆后可直接看到孔內(nèi)水位。帷幕注漿中施工有檢查孔，檢查孔的取心率超過(guò)90%，巖心上可見(jiàn)燒變巖裂隙被水泥充填，圖1中C08孔鉆進(jìn)至燒變巖后沖洗液全部漏失，終孔后鉆孔水位+1134.83m，鉆孔取心率55%；后序施工的C06孔進(jìn)燒變巖后漏失量7m3/h，終孔鉆孔水位+1159.65m，鉆孔取心率76%；外排施工的C03孔進(jìn)燒變巖幾乎無(wú)消耗，終孔鉆孔水位+1182.27m，鉆孔取心率高達(dá)83%。

3.1.2 注漿反饋

注漿中對(duì)鉆孔注漿量及注漿時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了觀測(cè)，前序孔注漿中注漿量普遍非常大，一般單孔約為200～400t，注漿時(shí)間長(zhǎng)起壓慢，帷幕中部區(qū)域鉆孔注漿時(shí)間一般2～4d。隨著注漿進(jìn)行，尤其等到內(nèi)排孔鉆探注漿完成后，外排孔注漿中注漿量普遍較小，單孔為50～100t，注漿所用的時(shí)間短，一般1～2d，不少鉆孔根本不用注漿，可以直接封孔進(jìn)行下一個(gè)鉆孔施工。如圖1中的前序C08孔注漿量273.37t，前后注漿時(shí)間3d，后序C06孔注漿量114.48t，注漿用時(shí)2d，后排C03孔注漿量13.63t，1d內(nèi)完成注漿。

3.2 帷幕內(nèi)外即時(shí)檢驗(yàn)情況

3.2.1 泉水觀測(cè)

燒變巖帷幕工程從2017年2月3日開(kāi)始注漿，注漿過(guò)程中對(duì)帷幕內(nèi)陳家塔溝泉水進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)。2月份泉一直有水，水量約為15m3/h，隨注漿工程的進(jìn)行，在常家溝水庫(kù)水位一直上升的情況下，泉點(diǎn)水量逐漸減少，3月13日溝谷下游出現(xiàn)斷流，3月19日泉水完全干涸。

3.2.2 水位對(duì)比

帷幕工程布置了3個(gè)水文孔，如圖1所示，W5孔在帷幕線外，W2孔和W3孔在帷幕線內(nèi)，注漿期間對(duì)水庫(kù)和水文孔水位進(jìn)行了觀測(cè)，水文孔竄漿凝固后停止觀測(cè)，如圖4所示。由圖4可知，觀測(cè)期間水庫(kù)水位一直處于上升中。帷幕外的W5孔水位比水庫(kù)低，至4月9日一直上升，上升趨勢(shì)與水庫(kù)水位一致，4月3日與4月9日水位受注漿影響有波動(dòng)。W2孔從2月底開(kāi)始觀測(cè)，水位高于水庫(kù)，原因是W2孔受注漿影響水位略有抬升，但此后水位整體上為下降趨勢(shì)。W3水位低于W5孔，觀測(cè)期間水位受注漿壓力干擾有起伏，水位高于水庫(kù)，但整體也呈下降趨勢(shì)。圖4表明，帷幕工程實(shí)施中，帷幕外部鉆孔水位和水庫(kù)水位一致，整體呈上升趨勢(shì)，帷幕區(qū)內(nèi)部鉆孔水位與水庫(kù)水位相反，整體呈下降趨勢(shì)。

圖4 帷幕內(nèi)外鉆孔及水庫(kù)水位歷時(shí)曲線

3.3 即時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果分析和驗(yàn)證

帷幕帶燒變巖后期鉆探揭露和注漿反饋中沖洗液消耗變少、鉆孔水位變高、取心率高、后期注漿量小甚至不注漿，表明隨著帷幕工程的進(jìn)行，帷幕帶燒變巖裂隙等逐步得到了充分充填。在帷幕外水庫(kù)和觀測(cè)孔水位同步上升的情況下，帷幕內(nèi)泉水?dāng)嗔骱豌@孔水位下降表明，預(yù)注漿已逐步切斷了帷幕內(nèi)外之間的水力聯(lián)系，帷幕工程取得了好的效果。

圖5 15207工作面采前鉆孔疏降水量歷時(shí)曲線

15207工作面回采前，井下進(jìn)行了采前頂板疏放水，放水中鉆孔水量逐步衰減至無(wú)水，如圖5所示，表明帷幕內(nèi)燒變巖水已失去水庫(kù)補(bǔ)給成為靜儲(chǔ)量水。15207和15208工作面回采后，工作面涌水量均不超過(guò)5m3/h，回采證明帷幕工程效果良好，遠(yuǎn)小于要求的涌水量。實(shí)踐表明，燒變巖帷幕施工中采用的“一帶兩區(qū)”即時(shí)檢驗(yàn)方法思路正確，結(jié)論可靠。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于即時(shí)響應(yīng)性不明顯的大型燒變巖帷幕預(yù)注漿工程，根據(jù)燒變巖和帷幕工程的特點(diǎn)，即時(shí)檢驗(yàn)工作可從帷幕帶燒變巖受注介質(zhì)在施工中的變化和帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元在施工中的差異即“一帶兩區(qū)”兩方面入手。

2)燒變巖帷幕帶受注介質(zhì)在施工中的變化可通過(guò)鉆探揭露和注漿反饋進(jìn)行分析，鉆探揭露中可分析沖洗液消耗、空推掉鉆、鉆孔水位、取心率等內(nèi)容，注漿反饋中可分析鉆孔注漿量和注漿時(shí)長(zhǎng)。

3)燒變巖帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元在施工中的差異可通過(guò)內(nèi)外單元鉆孔水位變化和泉流變化進(jìn)行對(duì)比分析。