張東營

(義馬煤業(yè)集團股份有限公司，河南 義馬 472300)

頂板水害是煤炭開采過程中最常見的一種水害。國內(nèi)外研究資料表明[1-5]，頂板水害一般具有以靜儲量為主、突水強度小和易于疏干的特點，其突水水源多為頂板砂、礫巖含水層，突水通道為煤層頂板垮落后形成的導水裂隙帶。

由于頂板突水多以靜儲量為主，因此其治理方法多以疏排為主[6-9]。本次研究的頂板突水水源具有特殊性，頂板含水層受到側(cè)向臨礦老空水補給，由于臨礦老空水儲量巨大，采用疏排方法治理難度大，因此采用帷幕注漿的方法截斷老空水對頂板突水的補給，取得了較好的治水效果，確保了礦井的安全高效回采。

1 工作面水文地質(zhì)概況及水害防治措施

1.1 工作面概況

16020工作面位于礦井16采區(qū)西翼，為該采區(qū)深部首采面，工作面沿走向布置，工作面走向長684m，傾斜長200m，工作面標高+60～+90m。煤厚0.1～14.8m，平均厚4.8m。工作面生產(chǎn)主要受頂板水、老空水影響。煤層頂板主要含水層為山西組大占砂巖、香炭砂巖等含水層組，據(jù)抽水試驗及生產(chǎn)實際揭露資料，鉆孔單位涌水量q=0.00025～0.181L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.00135～0.217m/d，在掘進期間常以滴淋水形式進入礦井，水化學類型一般為HCO3—Na型水，礦化度多在720～1150mg/L。工作面切眼西部距渠里煤業(yè)采空區(qū)最近約200m，渠里煤業(yè)已于2016年12月關(guān)閉，其采掘空間已被老空水淹沒，該淹沒區(qū)積水面積約83.3 萬m2，預計積水量54.9萬m3。

1.2 掘進期間防治水技術(shù)措施

1.2.1 超前探查治理老空水

渠里煤業(yè)為地方小煤礦，為防止誤揭渠里煤業(yè)采空區(qū)，確保16020工作面距渠里煤業(yè)防隔水煤(巖)柱的有效性和可靠性，2016年12月至2017年8月，在16020工作面上、下巷掘進期間進行了超前探查治理老空水，施工39個鉆孔，累計鉆探進尺4124.3m，鉆進過程中未發(fā)生穿透老巷情況。鉆孔單孔涌水量0～36m3/h，孔口水壓0～2.0MPa，水溫17～22℃，水質(zhì)類型為SO4·HCO3—Na型，礦化度為967～1805mg/L。各探查鉆孔初始總涌水量為163.4m3/h，針對各鉆孔進行注漿，注漿終壓5～8.5MPa，注水泥478.5t，噸水注干料為2.92t。

1.2.2 防隔水煤柱留設

由于渠里煤業(yè)采空區(qū)積水量大，不便于探放，為確保安全生產(chǎn)，在16020工作面西部采取留設防隔水煤(巖)柱措施。防隔水煤(巖)柱尺寸根據(jù)相鄰礦井邊界防隔水煤柱公式進行計算[10]：

Ly=(H-Hd)/10×1/λ

(1)

式中，Ly為導水裂隙帶上限巖柱寬度，m；H為煤層底板以上的靜水位高度，根據(jù)16020工作面掘進過程探查鉆孔資料，取200m；Hd為最大導水裂隙帶高度，工作面煤層采厚為3.5m，裂采比最大為16.67，導水裂隙取最大值為58.3m；λ為水壓與巖柱寬度的比例，取1。

經(jīng)計算，Ly=14.17m<20m，則Ly取值為20m。

L=Ly+2×Hd/tanδ

(2)

式中，L為煤層邊界防隔水煤柱寬度，m；δ為巖層移動角，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中推薦經(jīng)驗角度為77.5°。

經(jīng)計算，L=20+2×58.3/4.51≈45.85m，則L取值為45.85m。

根據(jù)掘進過程中超前探，工作面切眼距渠里煤業(yè)采空區(qū)有效距離大于70m，實際留設防隔水煤(巖)柱大于安全防隔水煤柱厚度，工作面可以進行生產(chǎn)。

2 突水特征及其原因分析

2.1 突水特征

2018年8月15日，16020工作面試采，工作面回采8.6m時，頂板初次來壓頂板淋水增大到約20m3/h，隨著工作面推進，工作面淋水并逐漸增大，至9月25日，工作面回采至14.5m時，工作面涌水量急劇增大到260m3/h。

隨著工作面推進突水點分散，突水形式表現(xiàn)為頂板突水，初始出水點位置共三處，分別在16020工作面下切眼口向上45m、60m、122m處頂板偏向采空區(qū)側(cè)，突水量由小漸大，達到峰值后趨于穩(wěn)定；突水初期，有臭雞蛋氣味，5d后臭雞蛋氣味消失。

2.2 突水原因分析

2.2.1 突水水源分析

1)地下水動態(tài)觀測。2018年8月15日至9月25日期間，該時段屬于汛期，按正常情況，渠里煤業(yè)水位應逐漸上升。在此期間，工作面突水后，渠里煤業(yè)水位由+271.82m下降到+246.14m，下降25.68m，下降幅度較大，同時渠里煤業(yè)周邊礦井均未發(fā)現(xiàn)突水現(xiàn)象，說明16020工作面突水水源有渠里煤業(yè)采空區(qū)積水的直接參與。

3)水溫分析。由于渠里煤業(yè)埋藏較淺，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水與地表溫度基本一致，9月29日取工作面突水水樣測試水溫，水溫為17～21℃，與渠里煤業(yè)采空區(qū)積水水溫基本一致。

表1 16020工作面水質(zhì)分析表 mg/L

2.2.2 透水通道分析

1)導水裂隙帶[11]。在工作面回采期間，隨著回采面積的增加，上覆巖層受采動影響逐漸加大，導水裂縫帶將切過直接頂隔水層深入頂板砂巖含水層中。16020工作面僅采一個采高3.5m，根據(jù)《新安煤礦煤層開采覆巖破壞高度動態(tài)探測技術(shù)研究報告》中所得結(jié)論，裂采比最大為16.67，導水裂隙最大值為58.3m；同時在節(jié)理、周期來壓以及采高等諸多因素的影響下，這將溝通頂板4層砂巖充水含水層，導致頂板砂巖水進入工作面。

2)砂巖含水層。在16020工作面未回采時，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水對工作面頂板砂巖水補給，達到相對平衡狀態(tài)。砂巖含水層累厚達41.3m，砂巖透水性較好，滲透系數(shù)在1～10m/d，屬于良好的過水通道，由于16020工作面的回采，上伏頂板水砂巖水進入工作面，形成水力坡度差，導致渠里煤業(yè)采空區(qū)積水通過砂巖過水通道、16020工作面導水裂隙帶、垮落帶進入工作面。

根據(jù)以上分析，工作面回采初期工作面頂板水隨著導水裂隙帶、垮落帶進入礦井，隨著工作面推進，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水通過砂巖過水通道進入工作面導水裂隙帶，隨后進入礦井，如圖1所示。

圖1 16020工作面過水通道

2.2.3 突水量變化特征分析

工作面初采時，放頂煤高度較小，采空區(qū)面積較小，頂板懸空距離有限，直接頂板雖已垮落，但垮落并不充分，而老頂僅局部垮落甚至不垮落，造成頂板承壓含水層導水裂縫帶發(fā)育高度較小，故涌入礦井的水量較小，工作面涌水量在20m3/h。隨著工作面推移至14.5m時，采空區(qū)面積增大，老頂初次來壓，頂板承壓含水層導水裂縫帶發(fā)育高度進一步升高，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水通過砂巖過水通道進入礦井，工作面涌水量也隨著增大到260m3/h。工作面被迫停產(chǎn)，由于頂板導水裂縫帶發(fā)育高度、影響范圍保持在一定的范圍內(nèi)，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水參與涌入礦井的水量保持不變，工作面涌水量穩(wěn)定在260m3/h。

3 工作面突水治理

3.1 工作面頂板帷幕注漿堵水

帷幕注漿是為增強各種巖體抗?jié)B能力的一種方法，它是在具有合理孔距的鉆孔中，注入漿液，使各孔中注漿體相互搭接以形成一道類似帷幕的防滲墻，以此截斷水流，從而達到防滲堵水的目的[12-15]。根據(jù)16020工作面突水機理分析有關(guān)結(jié)論，突水水源主要為渠里煤業(yè)采空區(qū)積水，透水通道為煤層頂板以上導水裂隙帶和砂巖含水層，具備進行帷幕注漿堵水的基本條件，所以采用帷幕注漿封堵過水通道，切斷渠里煤業(yè)老空水進入礦井。

3.1.1 探查注漿封堵

鉆孔布置：在工作面上、下巷各布置2個鉆場，每個鉆場鉆孔呈扇形布置，每組3～6個鉆孔，共布置18個鉆孔，含檢驗鉆孔4個。因防隔水煤(巖)柱寬度計算為45.85m，為提高封堵效果，施工兩組鉆孔在工作面切眼西30m、50m形成2道帷幕。導水裂隙帶最大為58.3m，為確保對煤層頂板各砂巖層段的有效注漿，終孔位于煤層頂板以上50～70m。根據(jù)新安煤礦注漿漿液經(jīng)驗擴散半徑10～30m，相鄰鉆孔終孔間距取15～20m(平距)，避免出現(xiàn)探查盲區(qū)。檢查鉆孔平面間距取60～70m，檢驗各含水層層段的注漿效果，施工鉆孔布置如圖2所示。

鉆孔結(jié)構(gòu)：鉆孔開孔采用Φ133mm鉆頭鉆進11m，下一級Φ127mm管徑套管10m，固結(jié)套管后采用Φ113mm鉆頭透孔鉆進21m，下二級Φ108mm管徑套管20m，固結(jié)套管后透孔鉆進至終孔，終孔孔徑不得大于75mm，施工鉆孔布置剖面如圖3所示。

圖2 16020工作面頂板帷幕注漿鉆探工程平面圖

圖3 16020工作面頂板帷幕注漿鉆探工程剖面圖

套管固結(jié)：預先固結(jié)兩級止水套管，兩級套管的接箍要錯開0.5m。固結(jié)套管后透孔至超過套管1～1.5m后試壓，一級套管2～3MPa，二級4MPa，清水穩(wěn)壓30min，孔四周不漏水為合格，否則進行補漿，直至試壓合格。

注漿工藝：注漿材料選擇P.C 32.5R普通硅酸鹽水泥、粘土、粉煤灰等，由于粘土、粉煤灰粒徑小于水泥的粒徑，添加粉煤灰、粘土可提高漿液擴散的距離。為確保注漿效果，并不對頂板巖層進行破壞，注漿終壓取靜水壓力的2倍，即4MPa。漿液使用原則為先稀后稠，注漿前期先注混合漿或純水泥漿，漿液比重為1.12～1.2，若吃漿量大時(注漿噸水干料大于6t)，持續(xù)不升壓，增加漿液比重到1.33～1.35，待注漿壓力不小于3MPa時改用純水泥漿進行注漿。井下鉆孔孔口壓力不小于4MPa且升壓較快時，將注漿管內(nèi)余漿注完，可結(jié)束地面注漿。鉆孔終孔、透孔后均要求采用井下注漿泵井下稠漿封孔，終孔壓力為4MPa，并穩(wěn)壓30min以上，結(jié)束注漿。

3.1.2 探查注漿封堵成果

為檢驗注漿效果[16]，對大水量或大注漿量鉆孔注漿后進行重新透孔檢查水量，設計透孔水量不得大于5m3/h，否則進行再次注漿。該工程施工鉆孔18個，鉆探進尺3070m，經(jīng)過探查在煤層頂板以上34～85m見水，水量在1.2～120m3/h，總水量為526.8m3/h，總注漿干料量8671.25t，噸水注干料為16.46t，各透孔檢查水量均小于5m3/h，注漿質(zhì)量較好。注漿封堵結(jié)束后，施工4個檢驗鉆孔，檢驗鉆孔水量均不大，打鉆注漿成果、鉆孔施工見水及注漿情況見表2。

表2 16020工作面頂板帷幕注漿成果表

3.2 工作面頂板帷幕注漿堵水效果

工作面進行帷幕注漿期間，對工作面突水水量以及渠里煤業(yè)水位變化進行了連續(xù)觀測，根據(jù)觀測結(jié)果，編制工作面注漿量與渠里煤業(yè)水位、工作面涌水量變化曲線如圖4所示。

圖4 16020工作面注漿量與渠里煤業(yè)水位、工作面涌水量變化曲線

由圖4可知，8月15日，工作面涌水量開始逐漸增大，渠里煤業(yè)水位由+272m逐漸下降，在9月15日，工作面水量達到峰值260m3/h時開始進行帷幕注漿，在9月28日，渠里煤業(yè)水位降低至最低拐點+246m，然后開始上升，同時工作面涌水量急劇下降，注漿約4000t時，渠里煤業(yè)水位恢復至+262m，涌水量下降至20m3/h。為徹底治理剩余殘余水量，繼續(xù)進行注漿，然后隨著注漿量的增加至8671.25t，渠里煤業(yè)水位維持在+258m不在變化，工作面涌水量不再變化。

根據(jù)注漿的情況分析，已封堵住渠里煤業(yè)老空水的過水通道，殘余水為工作面東部未受老空水補給的頂板砂巖水，至此頂板帷幕注漿堵水工程結(jié)束。隨后工作面繼續(xù)進行生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中工作面水量保持在20～40m3/h，治理效果得到驗證。

4 結(jié) 論

1)通過水位、水質(zhì)和水溫分析快速準確判斷頂板突水水源存在老空水補給是采取針對性頂板防治措施的前提條件。

2)通過煤層頂板地層、導水裂隙帶高度發(fā)育的分析，為選擇帷幕注漿鉆孔的終孔層位提供關(guān)鍵依據(jù)。

3)通過頂板帷幕注漿封堵過水通道，治水效果顯著，堵水率達到92.5%，成功地治理了工作面突水事故，確保了16020工作面安全回采。