高保彬副教授 彭 潔

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

在我國六大聚煤區(qū)中，華北聚煤區(qū)儲(chǔ)量居于首位，占我國煤炭資源總儲(chǔ)量的39.5%。華北聚煤區(qū)主要為石炭——二疊紀(jì)含煤地層，是典型的地臺(tái)沉積，煤層底板保護(hù)層的完整性較差，隱伏導(dǎo)水構(gòu)造復(fù)雜，煤層底板突水問題是該區(qū)域一個(gè)重點(diǎn)防范的隱患[1-2]。特別是，隨著煤炭開采不斷向更深層次發(fā)展，原本隱伏地下的奧陶系灰?guī)r水近年來變得更加“活躍”?！皧W灰水”又被稱為“地下暗河”，具有水量大、壓力大等特點(diǎn)，未經(jīng)加固改造的原始導(dǎo)升帶和底板裂隙帶基本不具有隔水性，介于兩帶間的保護(hù)層一旦在水壓作用下遭到破壞或被導(dǎo)通，奧陶系灰?guī)r水突發(fā)性地穿越隔水巖層進(jìn)入開采空間就會(huì)發(fā)展成為嚴(yán)重的突水事故[3]。受礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件、探測(cè)條件、導(dǎo)水構(gòu)造等因素復(fù)雜性的影響，奧陶系灰?guī)r承壓水的防治一直以來都是煤礦災(zāi)害防治的一項(xiàng)重難點(diǎn)。而注漿加固技術(shù)因其可以提高巖體的整體性、增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度被作為煤層底板防突水技術(shù)。因此，探究注漿加固技術(shù)在煤層底板奧灰水安全控制中的應(yīng)用[4]，對(duì)煤層底板奧陶系灰?guī)r水進(jìn)行有效防治，對(duì)于推進(jìn)礦井生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)汾源礦區(qū)面積為12.698 6km2，生產(chǎn)規(guī)模為120萬t/a。礦井主采5號(hào)煤層，開采方式為綜合放頂煤開采。5-101工作面為汾源煤業(yè)有限公司+1 100m水平首采區(qū)首采工作面，地面標(biāo)高+1 560～+1 670m，開采煤層為5號(hào)煤層，煤層厚度約10.5m，傾角為32°～42°，平均35°，為傾斜煤層。工作面掘進(jìn)期間共揭露9條斷層，落差<5m的斷層3條，落差5～10m的斷層4條，落差>10m的斷層2條。5號(hào)煤層頂板以碳酸鹽巖類為主，巖石強(qiáng)度較高，以中硬巖石為主，巖體結(jié)構(gòu)多為塊狀結(jié)構(gòu)，頂板穩(wěn)定性較好；底板多數(shù)巖石為軟巖，圍巖質(zhì)量較差，穩(wěn)定性也差。

2 底板突水危險(xiǎn)性分析

2.1 底板破壞性

煤層開采引起底板擾動(dòng)，對(duì)底板破壞產(chǎn)生底板導(dǎo)水裂隙帶，也即底板破壞帶深度?！叭隆辈擅阂?guī)范中計(jì)算底板破壞帶深度為：

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：

h—底板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶深度或破壞帶深度，m；

H—開采深度，m。開采深度為330～370m，計(jì)算時(shí)取平均值350m；

α—煤層傾角，°。井田內(nèi)煤層傾角(32°～42°)，取35°；

L—工作面長(zhǎng)度，m。取105m。

將上述各參數(shù)值帶入式(1)可得底板破壞帶深度為15.6～15.94m，平均為15.77m。

2.2 突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》可知，式(2)適用于采煤工作面，就全國實(shí)際資料看，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)[5-6]一般不得大于0.06MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m。

(2)

式中：

Ts—突水系數(shù)，MPa/m；

P—底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。取出水點(diǎn)水壓，5-101工作面內(nèi)奧灰層帶壓值1.66～2.36MPa；

M—底板隔水層厚度，m。5-101工作面標(biāo)高+123 0～+130 0m，奧灰靜水位標(biāo)高為+146 6m。

將上述各參數(shù)值帶入式(2)可得突水系數(shù)為0.036～0.046MPa/m。

2.3 首采工作面突水危險(xiǎn)性分析

首先，該煤層為大傾角三軟厚煤層，奧灰水上部至5號(hào)煤層圍巖多段松軟、破碎。柔性泥巖占5號(hào)煤層圍巖比例達(dá)70%左右，泥巖抗壓、抗剪強(qiáng)度小于砂巖1倍以上，抵御底板奧灰水壓的骨架剛性巖層力量不夠。其次，區(qū)域構(gòu)造和工作面內(nèi)部揭露的小型構(gòu)造表明該工作面地層完整性差，工作面已揭露斷層為9條，其斷層最大落差達(dá)到了20m。斷裂構(gòu)造和褶曲構(gòu)造的存在，使得地層完整性受到了較大破壞。最后，臨近礦井(突水系數(shù)0.015～0.059MPa/m)曾經(jīng)出現(xiàn)過奧灰水淹井事故。

綜合以上分析，5-101首采工作面承壓水上開采的主要危險(xiǎn)因素是底板斷裂構(gòu)造所形成的導(dǎo)水通道為主的奧灰承壓水突水危險(xiǎn)特征。因此需通過注漿對(duì)底板隔水層加固和奧灰含水層頂部改造，對(duì)底板薄層含水層注入水泥，充填含水層裂隙和溶洞，將含水層改造成隔水層、導(dǎo)水?dāng)鄬痈脑斐刹粚?dǎo)水，阻斷奧灰水侵入隔水層底板通道，確保礦井5-101首采工作面底板帶壓安全開采。

3 煤層底板注漿加固

考慮到5-101首采工作面的特殊性，應(yīng)以改造奧灰頂部為關(guān)鍵，重點(diǎn)施工斷層破碎區(qū)域，最終確定5-101工作面水平方向注漿范圍為超出工作圈定線30m，法線方向按照進(jìn)入奧灰20m設(shè)計(jì)。

煤層底板注漿加固改造工程遵循“突出重點(diǎn)，兼顧一般”的原則，為提高鉆探注漿施工進(jìn)度，降低防治水成本，并保證工作面不受底板灰?guī)r水威脅，對(duì)工作面底板進(jìn)行整體加固與重點(diǎn)加固結(jié)合。注漿加固工程分三期進(jìn)行，共施工142個(gè)鉆孔(一期60個(gè)，二期63個(gè)，三期19個(gè))，總進(jìn)尺15 331m，注漿量14 056.52t。本文以二期三次注漿加固鉆孔和三期注漿檢驗(yàn)鉆孔為例，對(duì)注漿加固技術(shù)在煤層底板“奧灰水”安全控制中的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 二期注漿加固鉆孔施工情況

5-101首采工作面二期注漿加固分為3次施工。所有鉆孔總進(jìn)尺7 140.5m，注漿量4 576.82t。二期第一次注漿加固共布置32個(gè)鉆孔。鉆孔施工結(jié)果、注漿情況和項(xiàng)目組預(yù)測(cè)底板富水規(guī)律相似，鉆孔最大涌水量為50m3/h，最高水壓為2.5MPa(進(jìn)入奧灰)，最大注漿量為582.6t，相對(duì)于一期工程，各數(shù)據(jù)均出現(xiàn)大幅下降。二期第二次注漿加固為檢驗(yàn)孔兼做補(bǔ)注孔，鉆孔均達(dá)到檢驗(yàn)要求。第三次檢驗(yàn)鉆孔最大涌水量為30m3/h，最大注漿量為222t。

經(jīng)過前兩期注漿加固后，鉆孔涌水量、水壓、注漿量大幅度減少，二期注漿加固完成后進(jìn)行的物探(第五次物探)結(jié)果顯示：該工作面仍存在有較大范圍且具有底板突水危險(xiǎn)性的低阻異常區(qū)，部分鉆孔涌水量、注漿量仍較高，需要進(jìn)一步檢驗(yàn)含水層之間的水力聯(lián)系情況，特別是構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域、斷層破碎帶應(yīng)再次進(jìn)行底板含水層注漿加固，對(duì)主要導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵，保證安全生產(chǎn)，因此在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)施工了三期補(bǔ)注鉆孔兼做檢驗(yàn)孔。

3.2 三期注漿加固鉆孔施工情況

三期共設(shè)計(jì)施工19個(gè)補(bǔ)注鉆孔兼做檢驗(yàn)孔，總進(jìn)尺1 967.5m，注漿量275t，鉆孔最大涌水量為7m3/h。5-101首采工作面三期注漿加固分為2次施工。第一次共布置鉆孔12個(gè)。在首采工作面上巷設(shè)計(jì)了2個(gè)鉆場(chǎng)，共設(shè)計(jì)5個(gè)鉆孔對(duì)上巷附近異常區(qū)和斷層構(gòu)造帶進(jìn)行鉆孔注漿，同時(shí)控制5-101工作面水平方向30m的范圍；在首采工作面下巷設(shè)計(jì)了5個(gè)鉆場(chǎng)，共設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔對(duì)工作面異常區(qū)和斷層構(gòu)造帶進(jìn)行鉆孔注漿。鉆孔最大涌水量為7m3/h，最大注漿量為55.5t。第二次鉆探檢驗(yàn)主要針對(duì)5-101工作面范圍內(nèi)仍然存在問題的區(qū)域，鉆孔最大涌水量為4m3/h，最大注漿量為21t。三期注漿加固完成后，在該區(qū)域進(jìn)行了第六次物探，如圖1。

圖1 第六次物探結(jié)果低阻異常區(qū)對(duì)比圖Fig.1 The comparison of the low-resistance anomaly area of the sixth geophysical survey result

4 注漿加固效果對(duì)比分析

4.1 物探異常重點(diǎn)區(qū)域注漿加固檢驗(yàn)效果分析

(1)Z1物探異常區(qū)注漿加固檢驗(yàn)效果分析。Z1異常區(qū)位置鉆孔對(duì)比，如圖2。

圖2 Z1異常區(qū)位置鉆孔對(duì)比圖Fig.2 Comparison of boreholes in Z1 abnormal area

二期三次檢驗(yàn)鉆孔0號(hào)鉆場(chǎng)編號(hào)為0-1-1鉆孔的最大注漿量為53t，該鉆孔位于Z1物探異常區(qū)，出水層位為奧灰頂面，鉆孔最大涌水量為17m3/h，水壓為1.6MPa；三期注漿加固中為對(duì)該物探異常區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)注及檢驗(yàn)，在該區(qū)域共布置了4個(gè)鉆孔，分別為1-1-1、1-2-1、1-3-1和1-4-1。經(jīng)過三期這4個(gè)鉆孔的補(bǔ)注和檢驗(yàn)，最終的鉆孔涌水量為3m3/h，注漿量為6t，出水層位于C2b鋁質(zhì)泥巖/山西式鐵礦層靠近奧灰頂面的位置。通過圖2對(duì)比可以看出，二期三次檢驗(yàn)鉆孔和三期檢驗(yàn)鉆孔進(jìn)入奧灰層面后涌水量和注漿量均大幅減小，且后期的補(bǔ)充檢驗(yàn)鉆孔水壓較小，說明經(jīng)過數(shù)次反復(fù)注漿加固后，Z1物探異常區(qū)得到有效加固。

物探方面，第五次物探結(jié)果相比，第六次物探結(jié)果的Z1煤層底板下方40m低阻異常區(qū)(深藍(lán)區(qū)域)減小了一半，煤層底板下方50m低阻異常區(qū)(青色區(qū)域)也有減小，同時(shí)低阻區(qū)導(dǎo)高變小，說明Z1物探異常區(qū)域煤層底板注漿加固(改造)工作富有成效。綜上，Z1物探異常區(qū)得到有效加固。

(2)Z3物探異常區(qū)注漿加固檢驗(yàn)效果分析。Z3異常區(qū)位置鉆孔對(duì)比，如圖3。

二期三次檢驗(yàn)鉆孔2號(hào)鉆場(chǎng)編號(hào)為2-1-2的鉆孔最大注漿量為222t，該鉆孔位于Z3物探異常區(qū)，出水層位為奧灰頂面，鉆孔最大涌水量為18m3/h，水壓為1.7MPa；三期檢驗(yàn)鉆孔8號(hào)鉆場(chǎng)編號(hào)為8-1-1的鉆孔最大注漿量為37t，出水層位同樣為奧灰頂面，鉆孔最大涌水量為4m3/h，水壓為1.6MPa，通過圖3對(duì)比可以看出，二期三次檢驗(yàn)鉆孔補(bǔ)充注漿后，奧陶系灰?guī)r頂面的裂隙通道得到了有效的改造。

圖3 Z3異常區(qū)位置鉆孔對(duì)比圖Fig.3 Comparison of boreholes in Z3 abnormal area

物探方面，第五次物探中的Z3低阻異常區(qū)在第六次物探中消失。綜上，Z3物探異常區(qū)得到有效加固。

(3)Z9物探異常區(qū)注漿加固檢驗(yàn)效果分析。Z9異常區(qū)位置鉆孔對(duì)比，如圖4。

圖4 Z9異常區(qū)位置鉆孔對(duì)比圖Fig.4 Comparison of boreholes in Z9 abnormal area

二期三次檢驗(yàn)鉆孔6號(hào)鉆場(chǎng)編號(hào)為6-1-2的鉆孔最大注漿量為35t，該鉆孔位于Z9物探異常區(qū)，出水層位為C2b上中砂巖，鉆孔最大涌水量為5m3/h，水壓為1.4MPa。三期注漿加固中為對(duì)該物探異常區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)注及檢驗(yàn)，在該區(qū)域共布置了3個(gè)鉆孔，分別為5-1-1、5-2-1、5-3-1。由圖4可以看出經(jīng)過三期這3個(gè)鉆孔的補(bǔ)注和檢驗(yàn)，最大涌水量為3m3/h，出水層位為C2b灰?guī)r，水壓為1.2MPa涌水量和注漿量均減小，說明經(jīng)過數(shù)次反復(fù)注漿加固后，Z9物探異常區(qū)得到有效加固。

4.2 斷層破碎區(qū)域注漿加固檢驗(yàn)效果分析

二期三次檢驗(yàn)鉆孔中，在斷層F20、F21附近最大涌水量為30m3/h，垂深18.2m；F18、F19附近涌水量為5m3/h，垂深45.9m。三期檢驗(yàn)鉆孔中，在斷層F20、F21附近最大為6m3/h，垂深61.47m；F18、F19附近涌水量為3m3/h，垂深53.16m，見下表。

表 注漿前后斷層涌水量變化Tab. The changes in fault water output before and after grouting

二期三次檢驗(yàn)鉆孔中位于F20、F21斷層位置的7-1-1的鉆孔注漿量最大為220t，出水層位為C3t粗粒砂巖，鉆孔最大涌水量為30m3/h，水壓為1.6MPa；三期注漿加固中為對(duì)該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)注及檢驗(yàn)，在該區(qū)域共布置了4個(gè)鉆孔，分別為3-1-1、3-2-1、3-3-1、3-4-1。經(jīng)過三期這4個(gè)鉆孔的補(bǔ)注和檢驗(yàn)，最終的鉆孔最大涌水量為6m3/h，注漿量為35t，通過對(duì)比可以看出，三期鉆孔補(bǔ)充注漿后，斷層破碎區(qū)域得到了有效的加固，出水點(diǎn)垂深下降，靠近奧灰頂面，涌水量和注漿量均大幅降低，水壓沒有因靠近奧灰頂面而上升。物探結(jié)果表明，F(xiàn)20、F21斷層影響區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)。綜上，說明經(jīng)過數(shù)次反復(fù)注漿加固后，F(xiàn)20、F21斷層位置得到有效加固。

二期三次檢驗(yàn)鉆孔中位于F18、F19斷層位置的6-1-2的鉆孔注漿量最大為35t，出水層位為C2b中砂巖，鉆孔最大涌水量為5m3/h，水壓為1.4MPa；三期注漿加固中為對(duì)該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)注及檢驗(yàn)，在該區(qū)域共布置了3個(gè)鉆孔，分別為5-1-1、5-2-1、5-3-1。經(jīng)過三期這3個(gè)鉆孔的補(bǔ)注和檢驗(yàn)，最終的鉆孔最大涌水量為3m3/h，注漿量為18t，通過對(duì)比可以看出，三期檢驗(yàn)鉆孔補(bǔ)充注漿后，斷層破碎區(qū)域得到了有效的加固，出水點(diǎn)垂深下降，靠近奧灰頂面，涌水量和注漿量均大幅降低，水壓沒有因靠近奧灰頂面而上升。說明經(jīng)過數(shù)次反復(fù)注漿加固后，F(xiàn)18、F19斷層位置得到有效加固。

5 結(jié)論

綜上可知，5-101工作面底板注漿加固工程后，底板破碎、裂隙帶、導(dǎo)水?dāng)鄬雍透凰畢^(qū)域等達(dá)到了較好的填充效果，導(dǎo)水?dāng)鄬雍秃畬拥玫搅溯^好的改造，多已轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚?dǎo)水?dāng)鄬雍透羲畬?，破碎、裂隙帶得到有效加固，有效地減少了底板的垂向?qū)ǖ?，增加了底板的有效隔水厚度和巖層剛性強(qiáng)度，奧灰含水層頂部得到了有效的治理改造，注漿加固效果比較理想，為工作面的開采提供了安全保障。