石志遠(yuǎn)

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；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 710077)

朱仙莊煤礦北部8煤頂板覆蓋侏羅系灰?guī)r角礫含水層(“五含”)，巖溶極其發(fā)育，與太灰、奧灰水力聯(lián)系密切，具有靜儲(chǔ)量大、導(dǎo)水性好、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給強(qiáng)(2000m3/h)、水壓高(3～4MPa)的特征[1，2]。1993年放水試驗(yàn)穩(wěn)定水量590m3/h，五含疏降中心水位下降98m，太灰水位下降57.7m，奧灰水位下降12.8m，2015年1月30日，866-1工作面發(fā)生五含潰水事故，疏干開(kāi)采不可行。五含水嚴(yán)重威脅下伏1500余萬(wàn)噸煤炭開(kāi)發(fā)，礦井面臨接替失衡，服務(wù)年限大幅縮短的困境，五含水害難題亟需解決。因此提出了“帷幕截流，疏干開(kāi)采”的治理思路[3-13]。同時(shí)，鑒于地面定向鉆進(jìn)注漿技術(shù)在薄層灰?guī)r區(qū)域治理[14-16]、水害探查[17，18]和突水災(zāi)害治理[19]及斷層預(yù)注漿加固[20]等多種災(zāi)害防治領(lǐng)域的應(yīng)用日漸成熟，具有超前高效精準(zhǔn)探查、注漿充分可控、覆蓋空間范圍大、水害隱患整體消除效果好等優(yōu)勢(shì)，與帷幕注漿技術(shù)相結(jié)合可以解決現(xiàn)有帷幕的弊端?；诖耍疚尼槍?duì)五含深埋區(qū)(埋深大于325m)，基于地面順層孔注漿技術(shù)研究了深埋巨厚溶隙裂隙含水層帷幕建造技術(shù)，對(duì)鉆孔布置方法、注漿控制技術(shù)和效果檢驗(yàn)方法進(jìn)行了研究和工程實(shí)踐，為礦山截流帷幕建造提供了借鑒，也為類(lèi)似條件下地下巖土工程帷幕截水提供了參考。

1 朱仙莊礦五含水文地質(zhì)特征

朱仙莊礦北部8煤的直接充水含水層是頂板五含，五含覆蓋在向斜揚(yáng)起端，井田內(nèi)面積2.8km2，向北呈喇叭狀，如圖1(a)所示。五含巖溶發(fā)育具有淺強(qiáng)深弱的垂向分帶特征，標(biāo)高-300m以淺巖溶發(fā)育率為8.82%，標(biāo)高-350m至-300m為13.2%，標(biāo)高-400m至-350m為0.83%，k=0.326～6.842m/d，徑流條件好，靜儲(chǔ)量大。單位涌水量0.293～4.378L/(s·m)，富水性中等-強(qiáng)。五含穩(wěn)定水位約標(biāo)高-20m至-30m，8煤開(kāi)采標(biāo)高-350m至-400m，頂板承受水壓約3～4MPa。

鉆孔揭露厚度55～65m，埋深220～530m，西高東底，南北向和東西向地質(zhì)剖面圖分別如圖1(b)和圖1(c)所示，五含角度不整合壓覆于煤系、太灰及奧灰之上，受太灰、奧灰頂托補(bǔ)給。奧灰水量豐富，是五含的主要補(bǔ)給水源，根據(jù)放水試驗(yàn)計(jì)算采區(qū)內(nèi)五含疏放至-350m時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量不小于2000m3/h。因此，五含和太灰、奧灰是威脅8煤開(kāi)采的主要充水含水層，水量大、水壓高、難疏降。

2 地面順層鉆孔帷幕注漿技術(shù)

2.1 鉆孔布置

鉆孔設(shè)計(jì)遵循“探查-治理-加固-驗(yàn)證”的原則，斜孔探查，順層孔治理，交叉斜孔加固，直孔檢驗(yàn)。帷幕地面順層鉆孔布置如圖2所示。

圖2 帷幕地面順層鉆孔布置

1)每個(gè)定向孔組首先施工一個(gè)探查斜孔，查明五含頂?shù)捉?，為分支孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2)順層孔雙排并列布置，排距20m，單側(cè)分支孔的垂向間距20m，最上層孔位于五含上5m，最下層孔位于五含下15m，內(nèi)外排平行錯(cuò)位布置。

3)相鄰孔組搭接長(zhǎng)度不小于20m，確保不留空白區(qū)。

4)每個(gè)組孔布置1個(gè)延伸到對(duì)側(cè)末端的檢查加固孔，自上至下、從一側(cè)向另一側(cè)鉆進(jìn)，進(jìn)行貫穿帷幕的質(zhì)量檢查和加固。

5)帷幕完成后在鉆井液漏失嚴(yán)重、注漿量大及斷層帶等注漿薄弱區(qū)段施工檢查直孔，進(jìn)行取芯和水文地質(zhì)試驗(yàn)檢驗(yàn)帷幕注漿效果。

2.2 注漿控制方法

帷幕注漿既要控制漿液在設(shè)定范圍內(nèi)擴(kuò)散，又要帷幕全斷面封堵過(guò)水通道。采用孔口封閉止?jié){、靜壓注漿法。針對(duì)不同溶隙裂隙發(fā)育程度的地層，制定了相應(yīng)的帷幕建造注漿工藝：一是對(duì)于巖石完整，溶隙、裂隙不發(fā)育，鉆井液不漏失或輕微漏失的含水層段，采用前進(jìn)式控壓注漿法；二是對(duì)于斷層破碎帶、巖溶、裂隙發(fā)育段，鉆井液漏失大于10m3/h，采用多回次控量注漿法。

2.2.1 前進(jìn)式控壓注漿

1)每延伸30～50m進(jìn)行一次壓水試驗(yàn)，透水率小于1Lu則繼續(xù)鉆進(jìn)，大于1Lu則注漿。

2)采用純水泥漿，漿液比重在1.2～1.7之間由小到大調(diào)整。

3)注漿終壓為帷幕承受水壓力的1.5～2倍，即設(shè)計(jì)終壓4.5～8MPa。

4)每段注漿完畢后進(jìn)行壓水試驗(yàn)，透水率小于1Lu則繼續(xù)鉆進(jìn)，大于1Lu則補(bǔ)充注漿。

2.2.2 多回次控量注漿

1)注漿段長(zhǎng)：當(dāng)遇到鉆井液漏失超過(guò)10m3/h時(shí)，向前延伸5～10m，進(jìn)行注漿。

2)注漿量控制：在控制注漿量方面，由于巖溶地層中節(jié)理裂隙發(fā)育不規(guī)則，且存在溶洞、構(gòu)造破碎帶等情況，在注漿過(guò)程中極易出現(xiàn)某一段注漿量大而壓力低的現(xiàn)象，因此應(yīng)根據(jù)回次極限注漿量控制注漿，回次極限注漿量計(jì)算可采用以下公式：

Q=aLnπr2/m

(1)

式中，Q為回次極限注漿量，m3；a為漿液充填率，取0.6～0.8；L為注漿段長(zhǎng)，m；n為線(xiàn)巖溶率；r為漿液擴(kuò)散控制半徑，取帷幕寬度的四分之一，m；m為漿液結(jié)實(shí)率，取80%～98%。

3)漿液類(lèi)型和配比：采用粉煤灰水泥漿，粉煤灰摻量10%～40%，漿液比重1.4～1.7。注漿量達(dá)到回次極限注漿量的60%仍無(wú)壓或壓力小于1倍水壓，采用間歇注漿，間歇時(shí)間不大于4h。

4)壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)：每回次注漿完畢后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，透水率小于1Lu則繼續(xù)延伸，大于1Lu則重復(fù)控量注漿至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 工程實(shí)施

朱仙莊煤礦帷幕東線(xiàn)五含埋深大于325m，采用地面順層孔建造，順層孔段帷幕全長(zhǎng)2.5km，施工10對(duì)20個(gè)水平孔組，91個(gè)分支孔，檢查直孔7個(gè)。鉆探進(jìn)尺41464m。注漿340056t。朱仙莊帷幕地面順層鉆孔布置如圖3所示。

圖3 朱仙莊帷幕地面順層鉆孔布置

3 帷幕注漿效果檢驗(yàn)

通過(guò)施工過(guò)程中一、二序孔注漿指標(biāo)對(duì)比、帷幕貫通后的檢查孔壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)和帷幕竣工后的放水試驗(yàn)對(duì)帷幕注漿效果進(jìn)行三階段的檢查驗(yàn)證。

3.1 一、二序孔注漿指標(biāo)對(duì)比

將一、二序孔的注漿終壓和單位注漿量進(jìn)行對(duì)比分析，注漿終壓提升和單位注漿量下降可以在一定程度上反應(yīng)帷幕注漿的效果，如圖4所示。其中，一序孔采用較低的終壓5～6MPa對(duì)五含進(jìn)行低壓充填，二序孔可以提高注漿壓力至6～9MPa進(jìn)行高壓加固；一、二序孔單位注漿量分別為7～26t/m和1～8t/m，下降60%～80%，帷幕注漿充分填充了五含溶隙裂隙，提高了阻水性。

圖4 一、二序孔注漿終壓和單位注漿量對(duì)比

3.2 檢查孔取芯和分段壓水檢驗(yàn)

五含角礫巖注漿改造前后物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，改造后的抗壓強(qiáng)度提高1.6MPa，彈性模量提高0.18MPa，泊松比和密度略有增大，而孔隙率降低77.5%，說(shuō)明注漿充分充填了巖體空隙，改變了礫巖的物理力學(xué)性質(zhì)，注漿效果良好。

表1 注漿改造前后角礫巖物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比

6個(gè)檢查直孔分段壓水試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，注漿后五含透水率小于1Lu，相比較注漿前五含透水率10.00～225.11Lu(平均47.8Lu)，五含滲透性顯著下降，已改造為相對(duì)隔水層。

圖5 檢查孔單位透水率散點(diǎn)圖

3.3 井下放水檢驗(yàn)

一方面通過(guò)放水試驗(yàn)，得到帷幕內(nèi)外各含水層水位、降深、降速的歷時(shí)曲線(xiàn)，判斷帷幕內(nèi)外各含水層的水力聯(lián)系；另一方面得到帷幕過(guò)水量計(jì)算截流率。

2018年5月試放水平均放水量186m3/h，帷幕內(nèi)外五含最大水位差233m。9月16日帷幕內(nèi)外五含水位已近趨穩(wěn)定。9月16日至10月29日進(jìn)行了工業(yè)性疏干放水，放水量約450m3/h，至2021年7月總放水量小于80m3/h，其中帷幕過(guò)水量小于40m3/h，與放水試驗(yàn)計(jì)算的直接疏干開(kāi)采補(bǔ)給量2000m3/h對(duì)比，截流率超過(guò)98%，放水試驗(yàn)期間觀(guān)測(cè)孔水位動(dòng)態(tài)如圖6所示。帷幕范圍內(nèi)五含全部疏干，帷幕外五含、奧灰和太灰水位穩(wěn)定，帷幕內(nèi)五含地面觀(guān)測(cè)孔水位標(biāo)高-350m，井下觀(guān)測(cè)孔水位標(biāo)高小于-390m，內(nèi)外水位差接近350m且趨于穩(wěn)定。目前已完成五含下2個(gè)工作面回采，期間無(wú)涌水，帷幕過(guò)水量趨于下降，觀(guān)測(cè)孔水位穩(wěn)定，帷幕截流效果顯著，穩(wěn)定性良好。

圖6 放水期間帷幕內(nèi)外典型含水層水位動(dòng)態(tài)

4 結(jié) 論

1)利用地面定向順層孔通過(guò)雙排平行錯(cuò)位布孔，內(nèi)外交叉檢驗(yàn)加固，以及前進(jìn)式控壓、多回次控量的注漿控制工藝和三階段質(zhì)量檢查，可解決煤礦大埋深、巨厚層、極強(qiáng)富水溶隙裂隙含水層的帷幕截流問(wèn)題，具有跨度大、無(wú)效進(jìn)尺少、施工周期短、經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)。

2)五含礫巖注漿改造后的抗壓強(qiáng)度提高1.6MPa，孔隙率降低77.5%，彈性模量、密度也略有提高，透水率小于1Lu，注漿效果良好。

3)井下放水驗(yàn)證帷幕過(guò)水量小于40m3/h，截流率大于98%，內(nèi)外水位差大于350m，帷幕截流效果良好且運(yùn)行穩(wěn)定。

4)研究成果具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，可以解決側(cè)向強(qiáng)補(bǔ)給頂?shù)装逅蛿鄬訋?cè)向強(qiáng)補(bǔ)給底板水害等綜合性水害難題，可推廣應(yīng)用至煤礦、金屬礦山和隧道等領(lǐng)域的水害防治。