許延春,黃 磊,俞洪慶,羅亞麒,李鵬飛,耿浩博,費(fèi) 宇,趙 朝,張羅迅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 焦作 454002)

底板突水是我國煤礦礦井水害的主要形式之一[1]，尤其是在華北煤田，底板突水導(dǎo)致的礦井水害問題十分突出，導(dǎo)致55%以上的礦井由于受底板承壓水威脅導(dǎo)致煤炭資源開采受限[2]。因此近年來底板注漿加固及含水層改造技術(shù)(簡稱“注漿加固技術(shù)”)，已在許多煤礦進(jìn)行實(shí)踐，成功應(yīng)用于煤層底板承壓含水層加固改造，有效封堵隔水層導(dǎo)水裂隙通道，從而防止底板突水。但部分工作面在注漿加固后仍會(huì)有突水危險(xiǎn)，以焦作礦區(qū)為例，從2006年起共有8個(gè)已進(jìn)行注漿加固的工作面發(fā)生突水事故，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，損害煤炭開采的安全與經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。目前很多學(xué)者大多是針對工作面底板突水機(jī)理及評價(jià)方法的研究。在底板突水機(jī)理分析方面，文獻(xiàn)[6]提出脆弱性指數(shù)法;文獻(xiàn)[7]提出工作面底板突水的關(guān)鍵層“KS”理論;文獻(xiàn)[8]歸納了底板突水規(guī)律并提出突水優(yōu)勢面理論;文獻(xiàn)[9]在煤層底板效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出“零位破壞”與“原位張裂”概念;文獻(xiàn)[10]在煤層底板“下三帶”的基礎(chǔ)上，設(shè)定了“下四帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[11]基于三軸滲流試驗(yàn)，建立了煤層底板突水力學(xué)模型，在突水危險(xiǎn)性評價(jià)方面，文獻(xiàn)[12]采用五圖雙系數(shù)對底板突水進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià);文獻(xiàn)[13]提出隔水層承受水頭壓力比值系數(shù)評價(jià);文獻(xiàn)[14]理論分析了安全隔水層厚度評價(jià)的可行性;文獻(xiàn)[15]揭示了礦井深部煤層底板采動(dòng)破壞特征及突水機(jī)理，但是底板突水危險(xiǎn)方面的研究成果一般是針對非注漿改造工作面進(jìn)行的，鮮有煤層底板注漿加固工作面的突水因素的研究及突水危險(xiǎn)性評價(jià);文獻(xiàn)[16]總結(jié)歸納了多個(gè)注漿工作面突水原因，并對易突水區(qū)域進(jìn)行劃分;文獻(xiàn)[17]對注漿加固工作面底板巖體類型分級，構(gòu)建了 “孔隙-裂隙升降型”力學(xué)模型，但這些理論在實(shí)際工程運(yùn)用中有所局限性，缺乏系統(tǒng)的研究。因此，筆者以焦作礦區(qū)為工程背景，收集5個(gè)礦2 245個(gè)注漿鉆孔的工程數(shù)據(jù)，建立注漿鉆孔數(shù)據(jù)集，綜合考慮研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、含水層水頭壓力、底板富水性、鉆孔注漿量等因素，統(tǒng)計(jì)分析注漿加固前后底板鉆孔信息與水文地質(zhì)信息的變化量，歸納7種影響因子，并對因子中指標(biāo)進(jìn)行顯隱性劃分，提出了注漿鉆孔的水量、水壓、注漿量的動(dòng)態(tài)“三參量”評價(jià)方法。從而形成了“27831”的注漿加固工作面突水危險(xiǎn)性評價(jià)體系。

1 注漿鉆孔數(shù)據(jù)集簡介

以河南焦作礦區(qū)為例，它涉及趙固一礦、趙固二礦、九里山礦、古漢山礦和演馬莊礦共5個(gè)主要生產(chǎn)礦井，13個(gè)典型工作面，共計(jì)2 245個(gè)工作面底板注漿鉆孔。各工作面底板注漿鉆孔平均分布，平均鉆孔深度大于L8灰?guī)r含水層深度，部分鉆孔穿過L2灰?guī)r含水層。工程數(shù)據(jù)主要包括3類信息。第1類鉆孔施工參量信息:鉆孔的位置、施工時(shí)間、鉆孔深度、方位角、傾角、涌水量、水壓、注漿量、注漿次序等參量。第2類資料信息:注漿鉆孔平面布置圖、剖面圖、注漿鉆孔工程統(tǒng)計(jì)表以及斷層區(qū)域地質(zhì)信息表等。第3類工作面出水案例:工作面、突水點(diǎn)位置、突水量、突水過程、治理工程及注漿加固效果等。

2 工作面注漿條件類影響因子

在礦區(qū)采動(dòng)影響基本相同的條件下，影響注漿加固工作面底板突水的因素眾多，組合類型多樣，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和注漿鉆孔數(shù)據(jù)分析，將其整合為注漿條件類與注漿效果類。注漿條件類影響因子，是指能夠反映注漿前原始含水層富水性、含水層水力聯(lián)系，確定工作面底板突水危險(xiǎn)區(qū)域的因子，能夠?qū)ぷ髅孀{加固工作面重點(diǎn)防治工作提供指導(dǎo)。而注漿效果類影響因子，是指工作面注漿加固后能對注漿治理效果及突水危險(xiǎn)性評價(jià)有影響的因子。

其中注漿條件類有4個(gè)影響因子，包含5種解析圖型，有2個(gè)顯性因子指標(biāo)、1個(gè)一般性因子指標(biāo)和1個(gè)隱性因子指標(biāo)。

2.1 工作面突水危險(xiǎn)區(qū)因子

工作面突水事故多發(fā)生在涌水量大的注漿鉆孔集中的區(qū)域。鉆孔涌水量大的區(qū)域一般水源補(bǔ)給強(qiáng)，危險(xiǎn)性高，且常受斷層影響。因此根據(jù)鉆孔涌水量劃分底板突水危險(xiǎn)區(qū)。

2.1.1底板突水危險(xiǎn)區(qū)劃分原則

參考焦作礦區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)定:

(1)當(dāng)Q>30 m3/h時(shí)，以出水點(diǎn)為中心，沿工作面推進(jìn)方向前后15 m劃為嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū);

(2)當(dāng)10 m3/h≤Q≤30 m3/h時(shí)，以出水點(diǎn)為中心，沿工作面推進(jìn)方向前后10 m為中等危險(xiǎn)區(qū);

(3)當(dāng)Q<10 m3/h時(shí)，以出水點(diǎn)為中心，沿工作面推進(jìn)方向前后5 m為弱危險(xiǎn)區(qū)。

若在工作面推進(jìn)方向上相同區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)Q>30 m3/h,10 m3/h≤Q≤30 m3/h和Q<10 m3/h中的2種或3種情況時(shí)，以最大涌水量來確定危險(xiǎn)區(qū)范圍。

2.1.2解析圖型

根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，在工作面采掘工程平面圖上進(jìn)行突水危險(xiǎn)區(qū)劃分，形成因子解析圖。例如，對趙固一礦12041工作面注漿孔分布及各危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行劃分，如圖1所示。在工作面范圍內(nèi)，底板導(dǎo)水性強(qiáng)弱與突水危險(xiǎn)性有著密切聯(lián)系，且具有非均一性?？傮w來說，嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)反映該區(qū)域底板巖體破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育程度高，更具有突水危險(xiǎn)。距開切眼0～8.0,40.3～102.7,178.9～229.5 m三個(gè)深陰影區(qū)域均為嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)，依次編號為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，總面積22 798.5 m2，約占工作面總面積的17.01%;其中，Ⅱ區(qū)在2012年4月工作面回采過程中發(fā)生突水事故。距開切眼17.5～40.3,102.7～178.9,322.8～342.8,476.7～496.7,802.6～822.6 m五個(gè)淺陰影區(qū)域?yàn)橹械任ｋU(xiǎn)區(qū)，總面積23 897.8 m2，約占工作面總面積的17.82%;剩余區(qū)域?yàn)槿跷ｋU(xiǎn)區(qū)，約占工作面總面積的65.17%。

圖1 趙固一礦12041工作面底板突水危險(xiǎn)區(qū)分布Fig.1 Division of floor water inrush dangerous zones in 12041 working face of Zhaogu No.1 Mine

2.1.3指標(biāo)顯隱性分析

以焦作礦區(qū)為例(表1(第4列))，9個(gè)突水點(diǎn)中有8個(gè)突水點(diǎn)位于嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)，1個(gè)位于中等危險(xiǎn)區(qū)，說明危險(xiǎn)區(qū)劃分是合理的。并且嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)面積比例越高的礦井、工作面，其突水的危險(xiǎn)性越高。據(jù)此對焦作5個(gè)礦區(qū)突水危險(xiǎn)性排序，其順序?yàn)?古漢山礦>演馬莊礦>九里山礦 >趙固一礦>趙固二礦，與實(shí)際礦井突水情況基本一致。故嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)面積比例為顯性指標(biāo)。

2.2 沿工作面走向出水水源顯示因子

在其他條件基本相同的條件下，通過注漿鉆孔的涌水量、出水水壓和斷層帶的關(guān)系，可以初步判斷出水水源及其富水性，從而評估突水的危險(xiǎn)程度。

2.2.1鉆孔揭露水壓分級標(biāo)準(zhǔn)

低水壓——鉆孔水壓

中水壓——L8含水層水壓≤鉆孔水壓≤L2含水層水壓，主要出水水源為L8含水層，局部受L2含水層補(bǔ)給，評分為2;

高水壓——鉆孔水壓> L2含水層水壓，主要出水水源為L2含水層，并且可能受O2含水層補(bǔ)給，評分為3。

2.2.2其他評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

工作面無斷層，評分為1;涌水量大、水壓大的鉆孔不在斷層影響帶，評分為2;涌水量大、水壓大的鉆孔位于斷層影響帶，評分為3。

鉆孔涌水量分級標(biāo)準(zhǔn)參見表2(第3列)，低涌水量，評分為1;中涌水量，評分為2;高涌水量，評分為3。

表1 焦作礦區(qū)工作面影響因子綜合評價(jià)分析
Table 1 Comprehensive evaluation and analysis of effecting factors in working face of Jiaozuo Mining Area

礦井名稱工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)工作面突水量/(m3·h-1)嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)比例/%工作面水源分析嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)導(dǎo)水性正常帶單位面積注漿量/(t·m-2)“三參量”綜合注漿評價(jià)備注趙固一礦1111112041ⅠⅡⅡⅢⅠ區(qū)20014.48L8Ⅱ區(qū)28017.01L8中等中等較危險(xiǎn)弱0.070.15好中等中等差異常趙固二礦1103011131ⅡⅣⅠⅡⅢ06.24L8021.04L2+L8弱弱弱較危險(xiǎn)較弱0.050.02中等中等中等好中等九里山礦1410114141ⅡⅡⅢⅡ區(qū)2 52036.43L8038.39L2+L8危險(xiǎn)較危險(xiǎn)較危險(xiǎn)0.740.03中等好中等加固質(zhì)量差古漢山礦1305113091150711509115092ⅠⅡⅠⅡⅡⅢⅠⅡⅠⅡⅠ區(qū)44470.07L2+L8Ⅰ區(qū)27052.89L2+L8Ⅱ區(qū)29468.36L2+L8068.06L2+L8中等危險(xiǎn)區(qū)2107.06(下分層)L2+L8較弱較弱較危險(xiǎn)較弱較危險(xiǎn)危險(xiǎn)危險(xiǎn)中等較危險(xiǎn)中等0.380.060.50.020.1中等中等差中等差差好好中等中等二分層開采演馬莊礦2206122071ⅠⅠⅡⅠ區(qū)1 14032.68L8Ⅱ區(qū)30058.22L2+L8危險(xiǎn)中等較危險(xiǎn)0.290.02中等中等中等加固質(zhì)量差

表2 焦作礦區(qū)鉆孔水壓、涌水量和注漿量劃分標(biāo)準(zhǔn)
Table 2 Standard for dividing water pressure,water inflow and grouting amount of boreholes

評價(jià)結(jié)果水壓劃分涌水量劃分/(m3·h-1)注漿量劃分/t高達(dá)到L2灰?guī)r含水層水壓>80>500中達(dá)到L8灰?guī)r含水層水壓30≤涌水量≤80100≤注漿量≤500低低于L8灰?guī)r含水層水壓<30<100

2.2.3解析圖型

從工作面開切眼到終采線選擇涌水量大的典型的鉆孔，繪制因子解析圖。以九里山礦14141工作面為例，如圖2所示。各分區(qū)鉆孔涌水量和水壓大致呈正相關(guān)關(guān)系，大部分高、中涌水量鉆孔的水壓達(dá)到L2含水層水壓，表明出水的主要水源為L2含水層。大部分低涌水量鉆孔水壓介于L8,L2含水層水壓之間，表明主要水源是L8含水層。

圖2 九里山礦14141工作面沿走向水量-水壓關(guān)系Fig.2 Relationship between the water inflow and water pressure in 14141 working face in Jiulishan mine

14141工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)中大涌水量的鉆孔共有10個(gè)，孔均涌水量54.60 m3/h，評分為2，孔均水壓(2.11 MPa)為中水壓，評分為2;工作面中等危險(xiǎn)區(qū)中涌水量的鉆孔共有10個(gè)，孔均涌水量17.58 m3/h，孔均水壓(1.74 MPa)為中水壓;工作面弱危險(xiǎn)區(qū)小涌水量的鉆孔共有152個(gè)，孔均涌水量2.58 m3/h，孔均水壓(1.24 MPa)為低水壓。

嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)高涌水量、高水壓的鉆孔大部分集中在斷層影響區(qū)域，評分為3，表明斷層帶是底板突水危險(xiǎn)區(qū)。也是重要導(dǎo)水通道。該工作面綜合評分為2.33。

2.2.4指標(biāo)顯隱性分析

針對工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)鉆孔涌水量、揭露水壓及斷層帶影響進(jìn)行綜合評分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)已發(fā)生突水事故的9個(gè)工作面的平均評分為2.6;未發(fā)生突水事故的4個(gè)工作面的平均評分為2.33。各工作面評價(jià)結(jié)果參見表1(6列)。兩類工作面評分有略微差異，表明鉆孔水壓及涌水量是突水的一般指標(biāo)。

2.3 工作面底板導(dǎo)水性因子

探究鉆孔出水點(diǎn)、涌水量及其分布特征與各底板含水層的位置關(guān)系，可以了解工作面底板導(dǎo)水性及相應(yīng)危險(xiǎn)性。

2.3.1底板導(dǎo)水性分布類型

B型分布:L8與L2含水層之間有大量出水點(diǎn)且涌水量大，表明底板導(dǎo)水性好，危險(xiǎn)大，評分為5;

H型分布:L8和L2含水層有集中的出水點(diǎn)且涌水量較大;兩含水層之間有出水點(diǎn)，表明底板導(dǎo)水性較好，危險(xiǎn)較大，評分為4;

U型分布:在L8和L2含水層有集中的出水點(diǎn)和涌水量;兩含水層之間無出水點(diǎn)，表明L8和L2含水層富水性較好，但兩者水力聯(lián)系弱，底板導(dǎo)水性中等，危險(xiǎn)中等，評分為3;

L型分布:在L8和L2含水層有集中的出水點(diǎn)和涌水量;L8含水層以下無出水點(diǎn)，表明L8含水層富水性較強(qiáng)。由于對L2含水層進(jìn)行了大量的注漿，并且可以便利探測注漿效果，因此底板導(dǎo)水性較差，危險(xiǎn)較弱，評分為2;

J型分布:在L2含水層有集中的出水點(diǎn)和涌水量;L8與L2含水層之間無出水點(diǎn)，表明L2含水層富水性較強(qiáng)，但和L8含水層水力聯(lián)系弱，底板導(dǎo)水性差，危險(xiǎn)弱，評分為1。

2.3.2解析圖型

該因子有1組3種解析圖，包括工作面鉆孔終孔深度、出水點(diǎn)和涌水量在不同垂深的分布圖(圖3)。以趙固一礦12041工作面為例，其L8含水層底板垂深約28 m，厚度均為8.7 m，L2含水層底板垂深約85 m，厚度均為9.8 m，如圖3(a)所示，鉆孔終孔深度多位于L8和L2含水層之間，主要集中在65～80 m段。如圖3(b)所示，出水點(diǎn)多集中分布于L8含水層附近和垂深70～80 m的L2導(dǎo)升帶。如圖3(c)所示，鉆孔涌水量較大;L8與L2含水層之間也分布有一些出水點(diǎn)和一定涌水量。因此，其底板導(dǎo)水性屬H分布的范疇，底板突水危險(xiǎn)性較大，安全性較低。

圖3 趙固一礦12041工作面底板導(dǎo)水性分布Fig.3 Floor water-conducting properties distribution in 12041 working face of Zhaogu No.1 mine

2.3.3指標(biāo)顯隱性分析

通過分析13個(gè)突水與未突水工作面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突水危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果與實(shí)際突水情況是有相關(guān)性的。其中有5個(gè)突水工作面底板導(dǎo)水性分布為H型或B型，突水危險(xiǎn)性較大。但有些工作面評價(jià)結(jié)果存在一定差異，有4個(gè)突水工作面底板導(dǎo)水性分布為U型或L型，突水危險(xiǎn)性中等及較低，4個(gè)未突水工作面中有3個(gè)工作面表現(xiàn)為H型或B型，突水危險(xiǎn)性較大。這是由于突水點(diǎn)往往位于范圍較小的嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)，而該因子指標(biāo)是針對整個(gè)工作面底板導(dǎo)水性類型進(jìn)行劃分，導(dǎo)致弱化了評價(jià)的準(zhǔn)確性。因此工作面底板導(dǎo)水性分布為隱性指標(biāo)。

2.4 工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)底板導(dǎo)水性因子

按照2.3中所述的底板導(dǎo)水性分布劃分類型標(biāo)準(zhǔn)，對各工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)底板導(dǎo)水性進(jìn)行劃分。

2.4.1解析圖型

結(jié)合工作面底板突水危險(xiǎn)區(qū)分布圖例，仍然采用各嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)鉆孔終孔深度、出水點(diǎn)和涌水量這1組3種因子解析圖(圖4)。以趙固一礦12041工作面Ⅱ嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)為例，如圖4(a)所示，Ⅱ嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)鉆孔終孔深度在40～90 m段，達(dá)到L2含水層上部;如圖4(b)所示，底板出水點(diǎn)多集中在L8,L2含水層之間，表明兩者存在水力聯(lián)系;如圖4(c)所示，工作面淺部涌水量較小，隨著底板垂深的增加，其明顯增大，在L2含水層上部達(dá)到最大。同時(shí)，L2導(dǎo)升帶附近單次涌水量明顯大于L8含水層附近單次涌水量，L8含水層補(bǔ)給性不強(qiáng)，與深部富水性強(qiáng)的L2含水層之間有水力聯(lián)系。Ⅱ嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)底板導(dǎo)水性分布劃分為H分布范疇，突水危險(xiǎn)性較大，底板加固時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

2.4.2指標(biāo)顯隱性分析

通過分析，參見表1(7列)，焦作礦區(qū)17個(gè)未突水工作面的嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)發(fā)現(xiàn)其中有11個(gè)底板導(dǎo)水性分布為U,L或J型，危險(xiǎn)性偏弱;對已發(fā)生突水事故的8個(gè)工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)分析，發(fā)現(xiàn)底板導(dǎo)水性分布為H或B分布，危險(xiǎn)性大。已發(fā)生突水事故的8個(gè)嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)的平均得分為3.88分;未發(fā)生突水事故的17個(gè)嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)的平均得分為2.82分。兩者存在明顯差異，表明該評價(jià)指標(biāo)有一定的指導(dǎo)意義。這是由于相比于整個(gè)工作面的底板導(dǎo)水性，該因子指標(biāo)的針對區(qū)域是突水危險(xiǎn)性較高的嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)，評價(jià)區(qū)域范圍縮小，準(zhǔn)確性明顯提高。故工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)底板導(dǎo)水性分布為顯性指標(biāo)。

圖4 趙固一礦12041工作面Ⅱ嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)底板導(dǎo)水性分布Fig.4 Floor water-conducting properties distribution at No.2 dangerous zone in 12041 working face of Zhaogu No.1 mine

3 工作面注漿效果類影響因子

工作面注漿效果類提煉出3個(gè)影響因子，共有3種解析圖型，包含2個(gè)顯性因子指標(biāo)和2個(gè)隱性因子指標(biāo)。

3.1 工作面正常帶與斷層帶注漿量差異因子

斷層的影響區(qū)域內(nèi)，巖體裂隙發(fā)育，為地下水運(yùn)移及儲(chǔ)存提供通道和場所，突水的危險(xiǎn)性增強(qiáng)，同時(shí)具有良好的可注性，故在注漿區(qū)域內(nèi)分別平行斷層走向、傾向，將斷層兩側(cè)15 m劃定為斷層影響帶，其余區(qū)域?yàn)檎?。?個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

3.1.1正常帶單位面積注漿量Qz

由于底板注漿深度已基本確定，單位面積注漿量也可反映底板立體加固情況。

焦作礦區(qū)正常帶單位面積注漿量Qz分級標(biāo)準(zhǔn):

Qz≥0.1 t/m2

說明工作面底板垂向?qū)暂^好，危險(xiǎn)性大;

Qz≤0.1 t/m2

說明工作面底板垂向?qū)圆?，危險(xiǎn)性小。

3.1.2注漿系數(shù)

定義注漿系數(shù)Z為工作面斷層影響帶單位面積注漿量Qd與正常帶單位面積注漿量Qz的比值。用來反映注漿量在斷層帶和正常帶的差異程度。

3.1.3解析圖型

根據(jù)上述注漿區(qū)域劃分方式，在工作面采掘工程平面圖上增加斷層帶和正常帶的劃分和顯示，形成因子解析圖。例如，對趙固二礦11131工作面注漿區(qū)域劃分，如圖5所示。用陰影區(qū)域表示工作面斷層影響帶，工作面斷層影響帶總面積31 218.7 m2，施工注漿鉆孔69個(gè)，注入干料總計(jì)2 809.68 t，單位面積注入干料0.09 t/m2，均孔注入干料40.72 t;工作面正常帶總面積117 521.3 m2，施工注漿鉆孔108個(gè)，注入干料總計(jì)3 055.6 t，單位面積注入干料0.026 t/m2，均孔注入干料28.2 t，注漿系數(shù)為3.5。結(jié)合工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)分布圖可知，嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)都位于工作面斷層影響帶內(nèi)。由于斷層影響帶內(nèi)底板巖層裂隙發(fā)育，致使其單位面積注漿量和均孔注漿量均明顯高于工作面正常帶。

圖5 趙固二礦11131工作面注漿區(qū)域劃分Fig.5 Division of grouting region in 11131 working face of Zhaogu No.2 mine

3.1.4指標(biāo)顯隱性分析

以焦作礦區(qū)為例，參見表1(8列)，對比發(fā)現(xiàn):已發(fā)生突水的9個(gè)工作面中有6個(gè)正常帶單位面積注漿量大于0.1 t/m2，底板導(dǎo)水性強(qiáng)，未突水的4個(gè)工作面正常帶單位面積注漿量均小于0.1 t/m2，故正常帶單位面積注漿量Qz為顯性指標(biāo)。

注漿系數(shù)具有雙重意義，一方面，該系數(shù)大表明斷層帶底板裂隙發(fā)育且連通性好、導(dǎo)水性強(qiáng)、突水危險(xiǎn)性高;另一方面，系數(shù)大表明大量的注漿材料使得裂隙可能得到有效封堵，降低了底板斷層帶的導(dǎo)水性，提高了斷層帶底板的完整性和阻水能力。

在有斷層構(gòu)造的9個(gè)工作面中，突水與未突水工作面的注漿系數(shù)具有一定的離散性，無明顯差異，故注漿系數(shù)為隱性指標(biāo)。但該系數(shù)對于認(rèn)識斷層帶的基本情況是有益的。

3.2 注漿孔水壓與累計(jì)注漿量疊加因子

底板在注漿改造過程中，累計(jì)注漿量和水壓的變化特征在一定程度上反映底板裂隙封堵的有效性。一般情況下，隨底板注漿持續(xù)進(jìn)行，鉆孔最高水壓的增加、最低水壓的減小以及累計(jì)注漿量出現(xiàn)平穩(wěn)段均能夠表示注漿效果好。

3.2.1解析圖型

對比注漿過程中累計(jì)注漿量與水壓的特征，繪制因子解析圖。以古漢山礦13091工作面為例，如圖6所示，OA段注漿初始水壓介于L8與L2含水層水壓之間，初步判斷補(bǔ)給水源來自L8與L2含水層;隨著對底板持續(xù)進(jìn)行注漿加固，AB段水壓波動(dòng)較大，由于受到多孔注漿的影響，最高水壓明顯增大;BC段累計(jì)注漿量有一定的基本穩(wěn)定段，同時(shí)鉆孔最低水壓有減小的趨勢，表明注漿基本飽和，底板的導(dǎo)水性降低，裂隙得到有效封堵，注漿效果好。

圖6 古漢山礦13091工作面水壓-累計(jì)注漿量關(guān)系Fig.6 Relationship between the water pressure and cumulative grouting amount in 13091 working face in Guhanshan mine

3.2.2指標(biāo)顯隱性分析

結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于各礦注漿加固深度不同，底板巖體裂隙率不同，各工作面實(shí)際突水情況與其平均注漿效果評估結(jié)果差異較大，故注漿孔水壓及累計(jì)注漿量為隱性指標(biāo)。但隨鉆孔數(shù)據(jù)的增多，可能歸納出規(guī)律性的認(rèn)識。

3.3 注漿孔水壓、涌水量及注漿量次序變化因子

根據(jù)注漿鉆孔水壓、鉆孔最大涌水量和注漿量這3個(gè)參量(以下簡稱“三參量”)的排列，每個(gè)參量劃分為高、中和低3個(gè)等級，具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。

3.3.1解析圖型

對工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)注漿情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)鉆孔的涌水量、水壓及注漿量受鉆孔施工先后順序影響較為明顯，繪制因子解析圖，如圖7所示。以九里山礦14141工作面為例，Ⅱ嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)，開始階段出現(xiàn)低水壓、低水量和低注漿量的鉆孔;中段揭露高水壓、中水量和中注漿量的鉆孔，注漿效果好;結(jié)束時(shí)出現(xiàn)高水壓、低水量和低注漿量情況，注漿效果好。該工作面在底板注漿后未發(fā)生突水事故。各礦區(qū)可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)制定相應(yīng)的注漿效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 九里山14141工作面Ⅱ危險(xiǎn)區(qū)注漿“三參量”變化特征Fig.7 Variation characteristics of grouting “3 parameters” at Ⅱ dangerous zone in 14141 working face of Jiulishan mine

3.3.2指標(biāo)顯隱性分析

以焦作礦區(qū)為例，參見表1(9列)，共有17個(gè)未突水工作面危險(xiǎn)區(qū)，其中有15個(gè)注漿效果綜合評價(jià)中等偏好;已發(fā)生突水事故共有8個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，其中有7個(gè)注漿效果綜合評價(jià)較差。兩者對比表明兩類危險(xiǎn)區(qū)有明顯差異，說明該評價(jià)指標(biāo)具有一定指導(dǎo)意義，故該指標(biāo)為顯性指標(biāo)。

4 “三參量”評價(jià)方法

4.1 以往評價(jià)方法與問題

以往焦作礦區(qū)注漿加固工程效果的評價(jià)指標(biāo):檢查孔水量小于10 m3/h,注漿壓力大于含水層的2.0倍。鉆孔注漿量小于60 L/min,大于30 min。未考慮鉆孔涌水量、水壓和注漿量。

4.2 三參量評價(jià)方法及效果

4.2.1評價(jià)方法

按各嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)的注漿過程和注漿結(jié)束2個(gè)階段，按照注漿“三參量”按照水壓、涌水量及注漿量的施工順序進(jìn)行評價(jià)，然后對總體注漿效果進(jìn)行評價(jià)。是一種定性評價(jià)底板注漿改造加固效果的方法之一。

以上述九里山礦14141工作面Ⅱ嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)為例，如圖7所示，對其進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明:在注漿過程出現(xiàn)高水壓、中水量和中注漿量情況，注漿效果好;注漿過程中揭露高水壓、高水量、高注漿量的鉆孔，表明該區(qū)域底板富水性強(qiáng)，裂隙發(fā)育，有利于漿液擴(kuò)散，注漿效果好;注漿后水壓沒有明顯下降，注漿量和水量有下降趨勢，注漿結(jié)束后出現(xiàn)高水壓、低水量和低注漿量情況，表明底板內(nèi)部裂隙得到有效封堵，含水層局部密閉性增加，注漿材料充填裂隙區(qū)域，注漿效果好;總體來看該危險(xiǎn)區(qū)底板巖層完整性增加，注漿效果好，基本達(dá)到注漿改造的目的。

4.2.2評價(jià)效果分析

焦作礦區(qū)各工作面典型突水危險(xiǎn)區(qū)注漿過程、注漿結(jié)束以及綜合評價(jià)結(jié)果參見表3。按照差記3分，中等記2分和好記1分的方法進(jìn)行評分，在8個(gè)出水樣本中，2個(gè)評為差，5個(gè)評為中等，1個(gè)評為好，綜合評分為2.13;在17個(gè)未出水樣本中，2個(gè)評為差，11個(gè)評為中等，4個(gè)評為好，綜合評分1.88。

對于已經(jīng)評價(jià)合格并開采的工作面，出現(xiàn)2類評分差異，對注漿效果評價(jià)有指導(dǎo)意義。綜合考慮“三參量”的注漿條件與效果，是對以往評價(jià)參量的補(bǔ)充和提升。目前該評價(jià)方法已在九里山礦14141工作面、趙固二礦14030工作面應(yīng)用，且在14141工作面獲得驗(yàn)證。之后會(huì)在不同礦區(qū)進(jìn)行不同程度的推廣和應(yīng)用。

表3 焦作礦區(qū)各工作面嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)注漿“三參量”及效果評價(jià)
Table 3 Grouting “three parameters” and evaluation at serious dangerous zone of various working faces

礦井名稱工作面工作面突水量/(m3·h-1)危險(xiǎn)區(qū)注漿過程及評價(jià)注漿結(jié)束及評價(jià)綜合評價(jià)趙固一礦11111Ⅰ區(qū)20012041Ⅱ區(qū)280Ⅰ中低中(好)低低低(好)好Ⅱ低低高(好)中中中(中)中等Ⅱ中中中(中)低低低(好)中等Ⅲ低中低(差)低低低(好)差趙固二礦110300111310Ⅱ中低低(中)中低低(中)中等Ⅳ中中中(中)中低低(中)中等Ⅰ高中中(好)高低低(中)中等Ⅱ高高高(好)高中中(好)好Ⅲ低中低(中)低低低(好)中等九里山礦14101Ⅱ區(qū)2520141410Ⅱ中中高(好)中低低(中)中等Ⅱ高中中(好)高低低(好)好Ⅲ高高高(好)高低低(中)中等古漢山礦13051Ⅰ區(qū)44413091Ⅰ區(qū)27015071Ⅱ區(qū)29415091015092中等危險(xiǎn)區(qū)210Ⅱ高中高(好)中低低(中)中等Ⅰ高中低(差)高低低(中)差Ⅱ中中中(中)低低低(好)中等Ⅱ高高中(差)低低低(好)差Ⅲ高高中(差)低低低(好)差Ⅰ高中高(好)中中高(好)好Ⅱ高高高(好)中低中(好)好Ⅰ高中中(好)中低低(中)中等Ⅱ高中中(中)低低低(好)中等演馬莊礦22071Ⅱ區(qū)300Ⅰ中低中(好)中中中(中)中等Ⅱ中低中(好)中低低(中)中等

5 結(jié) 論

(1)基于注漿鉆孔數(shù)據(jù)集，建立注漿加固工作面底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)體系。將影響工作面底板突水的因素大致分為2類7影響因子，一類是注漿條件型，包括工作面突水危險(xiǎn)區(qū)因子、沿工作面走向出水水源顯示因子、工作面底板導(dǎo)水性因子以及嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)底板導(dǎo)水性因子;一類是注漿效果型，包括工作面正常帶與斷層帶差異因子、注漿孔水壓與累計(jì)注漿量疊加因子以及注漿孔水壓、涌水量及注漿量次序變化因子。并提出各自相應(yīng)的8種解析圖型。

(2)以焦作礦區(qū)為例，通過對比工作面突水與不突水事例中影響因子指標(biāo)的差異性，對8個(gè)因子指標(biāo)提出評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行顯隱性劃分，包括4個(gè)顯性指標(biāo)、1個(gè)一般性指標(biāo)和3個(gè)隱性指標(biāo)，為后續(xù)采用模糊數(shù)學(xué)等其他方法，評價(jià)提供了影響因子的指導(dǎo)。

(3)提出注漿孔水量、水壓、注漿量的動(dòng)態(tài)“三參量”評價(jià)方法，按各嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)的注漿過程和注漿結(jié)束2個(gè)階段，對注漿“三參量”按照水壓、涌水量及注漿量的施工順序進(jìn)行評價(jià)，然后對總體注漿效果和突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)。