方 剛，劉柏根，靳德武，梁向陽(yáng)，劉 洋，夏玉成，王春剛，徐圣集

(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 710077；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；4.陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 前 言

陜北侏羅紀(jì)煤田內(nèi)煤炭資源量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良，且其開采條件相對(duì)簡(jiǎn)單，未來發(fā)展?jié)摿薮?，占?jù)著我國(guó)煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域的重要地位[1-2]。其中，榆橫礦區(qū)(北區(qū))位于該煤田中部，礦區(qū)內(nèi)分布有諸多大型井田(面積基本在100 km2以上)，近年來逐步進(jìn)行開發(fā)利用。然而，隨著煤炭開發(fā)活動(dòng)的開展，一種新型水害(煤層水害)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，該類水害以不同程度發(fā)生在榆橫北區(qū)內(nèi)的小紀(jì)汗煤礦[3-5]、袁大灘煤礦[6-8]、巴拉素煤礦[9-10]，且均與礦井首采的2號(hào)煤層有關(guān)。由于該類特殊的煤層水害問題近年來才有所顯現(xiàn)，業(yè)內(nèi)對(duì)于其水害成因、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、防治理論和方法等分析、開展的研究工作尚且不足[10-11]。近5 a，針對(duì)富水煤層，部分學(xué)者從不同角度、通過不同手段開展了一定的探索工作，得到了部分進(jìn)展。鑒于該類水害問題為人所知的時(shí)間、空間條件所限，相關(guān)煤層富水機(jī)理及防治水技術(shù)等也鮮有研究。筆者主要以榆橫北區(qū)巴拉素煤礦井下管子道工程掘進(jìn)通過2號(hào)富水煤層為例，通過井巷工程在穿越煤層前，針對(duì)可預(yù)見的富水煤層水害問題開展防治工作等方面的分析研究，以此探索礦井后期建設(shè)和采掘生產(chǎn)過程中可能面臨的水害防治技術(shù)，同時(shí)還可為榆橫北區(qū)內(nèi)條件類似礦井的防治水工作提供借鑒[12-13]。

1 礦井及施工區(qū)概況

巴拉素煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)的中西部，井田面積約294.9 km2，開采標(biāo)高+800 m～+470 m，礦井首采井田中部的21盤區(qū)(36.2 km2)的2號(hào)煤層，埋深約485 m，規(guī)劃礦井達(dá)產(chǎn)能力為10.00 Mt/a。礦井采用立井開拓，在21盤區(qū)中南部地表的工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置有主立井、副立井、一號(hào) 回風(fēng)立井、二號(hào)回風(fēng)立井共4條井筒。區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、地層平緩、無大型斷裂構(gòu)造，也無巖漿巖活動(dòng)，地表水系不發(fā)育。

由于本次井下管子道防治水工程位置接近主立井，故其地質(zhì)、水文地質(zhì)資料以主立井及附近鉆孔實(shí)際揭露情況為主要依據(jù)。區(qū)內(nèi)地層自上而下分別為：第四系風(fēng)積沙層(厚9.90 m)、白堊系洛河組(厚211.95 m)、侏羅系安定組(厚101.96 m)、侏羅系直羅組(厚122.81 m)、侏羅系延安組(2號(hào)煤頂段厚35.09 m，2號(hào)煤厚3.45 m，下距3號(hào)煤40.39 m，3號(hào)煤厚6.40 m)。礦井采掘受煤層頂板侏羅系延安組、直羅組含水層(富水性均相對(duì)較弱，q≤0.1 L/(s·m))影響有限[14-16]。

根據(jù)以往采掘經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際揭露情況，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層富水[11-12]，設(shè)計(jì)礦井井底車場(chǎng)布置在2、3號(hào)煤層之間，礦井管子道作為連接井下主排水泵房與主立井之間的排水管路敷設(shè)巷道，需進(jìn)行巖巷上山掘進(jìn)，穿過2號(hào)煤層，屆時(shí)巷道掘進(jìn)必將受到2號(hào)煤層水的威脅。根據(jù)礦井設(shè)計(jì)，管子道從井下主排水泵房開始起坡，起坡點(diǎn)底板高程+703.34 m，上山斜巷傾角25°，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度75 m后轉(zhuǎn)平，與主井相連，轉(zhuǎn)平段巷道底板標(biāo)高為+735.00 m，巷道掘進(jìn)過程中要穿過2號(hào)煤層。巷道設(shè)計(jì)高度4.5 m，寬度5 m，設(shè)計(jì)為錨索與錨桿相結(jié)合的支護(hù)方式，其中錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度7.3 m。巷道掘進(jìn)至12.8 m時(shí)，錨索即將揭露2號(hào)煤層。綜上所述，需提前在該區(qū)域開展相關(guān)防治水工作，確保巷道安全掘進(jìn)。

2 防治工程設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井各井筒實(shí)際揭露及水文長(zhǎng)觀數(shù)據(jù)，認(rèn)為2號(hào)煤層裂隙發(fā)育，且富水性較強(qiáng)，同時(shí)與上覆砂巖含水層存在聯(lián)系。管子道巷道開口位置距2號(hào)煤垂距為16.66 m，在巷道掘進(jìn)至40 m位置時(shí)將揭露2號(hào)煤層。管子道掘進(jìn)防治水方案總體原則為“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有掘必探，先治后掘”，在管子道開始掘進(jìn)前，首先向頂板2號(hào)煤層施工探放水鉆孔，根據(jù)鉆孔涌水量大小評(píng)價(jià)該區(qū)域煤層的富水性和可疏性，若煤層富水性弱，根據(jù)礦井現(xiàn)有排水系統(tǒng)能力及生產(chǎn)進(jìn)度要求，具備疏放條件，則采用超前疏放掩護(hù)掘進(jìn)的防治水方案；若煤層富水性強(qiáng)，礦井現(xiàn)有排水系統(tǒng)能力不足，不具備疏放條件，則采用超前預(yù)注漿封堵煤層水的防治方案[17-18]。

2.1 超前疏放水設(shè)計(jì)

2.1.1 疏放步驟

超前疏放的目的是對(duì)巷道掘進(jìn)影響范圍內(nèi)的煤層水進(jìn)行疏放，使得在巷道掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)形成降落漏斗，減輕2號(hào)煤層水害對(duì)巷道掘進(jìn)的影響；超前疏放水方案的總體思路為“群孔疏放，掩護(hù)掘進(jìn)”，具體步驟為：①在巷道揭煤點(diǎn)周圍施工1圈疏放水鉆孔，通過群孔疏放的方式，在揭煤點(diǎn)區(qū)域形成降落漏斗，使整個(gè)管子道位于降落漏斗中心位置。②待疏放水中心孔水位降為0.17 MPa，管子道周邊鉆孔總涌水量不超過30 m3/h，巷道方能開始掘進(jìn)，在整個(gè)巷道掘進(jìn)穿過煤層的過程中，疏放水鉆孔持續(xù)疏放，起到截流掩護(hù)掘進(jìn)的作用。群孔疏放的目標(biāo)，保證管子道過2號(hào)煤過程中涌水量不超過30 m3/h。

2.1.2 疏放鉆孔設(shè)計(jì)

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一開鉆進(jìn)孔徑?127 mm，至下設(shè)孔口管位置安裝?108 mm套管；二開鉆進(jìn)孔徑?75 mm，至設(shè)計(jì)層位終孔。

2)布置設(shè)計(jì)。平面上，各鉆孔輻射區(qū)域?yàn)楣茏拥肋^煤層巷道周圍20 m范圍，各鉆孔以巷道為中心環(huán)形布置，各鉆孔終孔位置平距巷道外幫10 m，累計(jì)施工疏放水鉆孔9個(gè)(ZJ1～ZJ9)，如圖1所示。立面中，在向上距離2號(hào)煤層頂板16 m的砂巖中進(jìn)行開孔，橫向上2個(gè)鉆孔孔口相距1.0 m，縱向上2個(gè)鉆孔孔口相距0.5 m，鉆孔穿過煤層頂板后終孔，鉆孔剖面如圖2所示，鉆孔開孔布置如圖3所示。

圖1 管子道2號(hào)煤超前疏放鉆孔布置平面圖Fig.1 Layout plan of advance borehole of No.2 coal seam pipe channel

圖2 管子道2號(hào)煤超前疏放鉆孔布置剖面圖Fig.2 Profile map of advance borehole of No.2 coal seam pipe channel

圖3 鉆場(chǎng)鉆孔開孔布置Fig.3 Boreholes arrangement plan for drilling sites

首先施工1個(gè)疏放水鉆孔，若鉆孔終孔涌水量小于10 m3/h，則繼續(xù)施工其他鉆孔，開展疏放水工作；若鉆孔終孔涌水量超過10 m3/h，則預(yù)計(jì)9個(gè)鉆孔全部成孔后總涌水量超過100 m3/h。礦井當(dāng)前總外排水能力為200 m3/h，現(xiàn)礦井涌水量為50 m3/h，排水系統(tǒng)正常情況下富余排水能力為150 m3/h，單個(gè)鉆孔涌水量一旦超過10 m3/h，加上掘進(jìn)時(shí)涌水，礦井剩余的排水系統(tǒng)能力是無法滿足持續(xù)疏放水工作的要求，則需要開展注漿堵水工程。

根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探結(jié)果[19]，2號(hào)煤水壓最高約3.9 MPa，設(shè)計(jì)探放水鉆孔止水套管長(zhǎng)度為21 m；設(shè)計(jì)探放水鉆孔終孔孔徑為75 mm。

2.2 注漿堵水設(shè)計(jì)

如前所述，若煤層富水性強(qiáng)，礦井現(xiàn)有排水系統(tǒng)能力不足，不具備疏放條件，則采用超前預(yù)注漿封堵煤層水的防治方案。本次管子道防治水設(shè)計(jì)采用“一孔多用”的原則，注漿孔設(shè)計(jì)同疏放水孔設(shè)計(jì)，鉆孔平面設(shè)計(jì)與超前疏放鉆孔布置相同。

2.2.1 注漿堵水步驟

1)根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[20]及2號(hào)煤水文地質(zhì)情況，確定合理的防隔水煤巖柱厚度及止水套管長(zhǎng)度，在副井及一號(hào)風(fēng)井2號(hào)煤注漿工程施工總結(jié)的基礎(chǔ)上，配制注漿料，建設(shè)注漿系統(tǒng)。

2)根據(jù)注漿孔設(shè)計(jì)參數(shù)要求，注漿孔在待揭露2號(hào)煤底板基巖內(nèi)開孔，下入21 m長(zhǎng)的孔口管，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，達(dá)到要求后方可鉆進(jìn)。

3)注漿孔鉆進(jìn)過程中，鉆孔涌水量大于30 m3/h立即停鉆，采用注漿料對(duì)煤層孔隙、裂隙進(jìn)行注漿封堵，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后停注，等凝固24 h后掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)，水量大于30 m3/h再停鉆，繼續(xù)開展注漿封堵工作；如此循環(huán)反復(fù)，直至達(dá)到鉆孔設(shè)計(jì)孔深為止。

4)全孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行檢查(鉆孔探查)，根據(jù)鉆孔出水情況、壓水試驗(yàn)、改造區(qū)域內(nèi)外水壓值進(jìn)行分析，以此判斷本次施工效果，若不符合要求則繼續(xù)補(bǔ)充施工[9-10]。

綜上所述，在待掘巷道影響外圍形成阻水帷幕，保證管子道掘進(jìn)不受2號(hào)煤層水的影響，預(yù)期效果為施工后管子道過2號(hào)煤過程中總涌水量不大于30 m3/h。

2.2.2 防隔水煤巖柱留設(shè)

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》等要求[20-22]，防隔水煤巖柱計(jì)算公式如下：

L=0.5KM(3p/KP)0.5

(1)

式中：L為煤柱留設(shè)寬度；K為安全系數(shù)，取K=2；M為煤層開采厚度，取M=3.45 m；p為實(shí)際水頭值(水壓)，取p=3.9 MPa；KP為煤的抗拉強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)前期測(cè)試數(shù)據(jù)，2號(hào)煤層飽水抗拉強(qiáng)度Kp=0.4～0.9 MPa，代入式(1)求得防隔水煤柱寬度為12.5～18.7 m。結(jié)合規(guī)程規(guī)范要求，出于安全角度考慮，本次設(shè)計(jì)橫向隔水煤柱寬度取值20 m。

2.2.3 注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次管子道注漿采用“地面拌漿，井下注漿”的方式設(shè)計(jì)注漿系統(tǒng)，注漿系統(tǒng)主要包括地面注漿站、井筒輸漿管路和井下輸漿管路3部分(圖4)；地面注漿站內(nèi)，設(shè)置2個(gè)拌漿池，采用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，每個(gè)拌漿池對(duì)應(yīng)一臺(tái)注漿泵；輸漿管由3部分組成，分別為地面漿站至井口之間，用?50 mm高壓軟管連接；井筒內(nèi)用?63.5 mm高壓鋼管輸漿，井底至鉆場(chǎng)之間，用?50 mm高壓軟管連接。漿液運(yùn)動(dòng)路線為：地面注漿站→副立井井口→副立井井底→副井井底車場(chǎng)東側(cè)巷道→2號(hào)煤北翼一號(hào)輔助運(yùn)輸石門→井下主變電所→管子道注漿鉆場(chǎng)。

圖4 注漿系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of grouting system

2.2.4 注漿材料及施工工藝設(shè)計(jì)

1)材料選擇與使用。采用高性能水泥基注漿料進(jìn)行高壓滲透注漿，以提高漿液擴(kuò)散范圍、空間充填強(qiáng)度等；注漿材料、配水等均需滿足相關(guān)要求[9-10,23]。

2)壓力控制。注漿壓力與施工效果密切相關(guān)。鑒于本次施工的各孔距離較大，為提高施工效果，在注漿過程中若遇到2號(hào)煤層的細(xì)微裂隙時(shí)，則采用高壓稀漿灌注工藝[9-10]。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)，注漿總壓應(yīng)不小于受注含水層最大靜水壓力的2倍。根據(jù)前期探查2號(hào)煤的自然水壓，同時(shí)考慮注漿效率和施工效果，本次施工井下孔口注漿壓力不大于10 MPa[9-10]。

3)注漿工藝。本次施工采用孔口封閉靜壓前進(jìn)式分段注漿法。注漿前壓水沖洗孔內(nèi)雜物及被注體孔隙裂隙，根據(jù)吃漿量大小調(diào)配漿液稀稠濃度，若吃漿量大，則用間歇式稠濃度漿液灌注；若吃漿量小，則采用稀濃度漿液灌注。單回次起壓等凝達(dá)到凝固時(shí)間后進(jìn)行掃孔再注，如此往復(fù)，直至掃孔不吃漿后方可繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位。期間如遇被注體存在較大垂向裂隙發(fā)生漿液大量漏失情況，則采取間歇式注漿法提高注漿壓力[9-10]。

4)注漿程序。①清水沖孔：注漿前使用清水對(duì)注漿管及孔內(nèi)煤巖粉、注漿結(jié)塊體進(jìn)行沖洗排出，并有助于沖開被注體部分區(qū)域的裂隙待注，時(shí)間控制在10～15 min。②檢測(cè)調(diào)試：對(duì)注漿設(shè)備、管路進(jìn)行清水打壓，由于2號(hào)煤層埋深影響壓力傳遞，本次施工調(diào)試時(shí)地面泵壓最大不超過6.0 MPa，井下孔口終壓最大不超過10.0 MPa。③地面拌漿：在地面造漿設(shè)備內(nèi)，對(duì)水泥漿液進(jìn)行配制，濃度由稀到稠；注漿開始后可根據(jù)孔口漿壓、孔內(nèi)涌水情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；在注漿前應(yīng)一直保持拌漿活動(dòng)，避免漿液凝固結(jié)塊。④注漿過程：在井下注漿過程中，必須根據(jù)吃漿情況隨時(shí)調(diào)節(jié)泵送壓力、漿液體量和黏稠濃度。在單孔全段注漿達(dá)到設(shè)計(jì)停注標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，須泵送壓入清水再次沖洗管路，避免管內(nèi)漿液凝固結(jié)塊，而后關(guān)閉鉆孔閘閥，2 h后開閘觀測(cè)孔內(nèi)涌水情況，確定是否進(jìn)一步補(bǔ)漿。⑤注漿孔施工順序：本次施工采取隔孔注漿方式，先施工ZJ2、ZJ4、ZJ6、ZJ8號(hào)鉆孔，每個(gè)孔施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行下一個(gè)孔的施工。待雙號(hào)注漿孔注漿完畢后，再依次施工單號(hào)注漿孔，同時(shí)對(duì)一序孔注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)。最后施工的5號(hào)孔，檢查周圍一圈鉆孔注漿效果，并起到補(bǔ)充注漿的作用。注漿孔的施工順序與前文所述鉆孔開孔類似，在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆孔涌水量達(dá)到30 m3/h停鉆，進(jìn)行注漿封堵至鉆孔不再出水，重復(fù)循環(huán)，達(dá)到設(shè)計(jì)孔深及注漿壓力要求停止注漿。⑥影響范圍：根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工作經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)漿液擴(kuò)散半徑為7～15 m，本次設(shè)計(jì)取值10.0 m[9-10]。

5)停注標(biāo)準(zhǔn)。本次以注漿壓力、注漿量和單位吸水率共3個(gè)指標(biāo)作為各注漿孔的單孔停注標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。①注漿壓力：如前文所述，井下孔口注漿壓力接近10.0 MPa左右時(shí)，即認(rèn)為該被注體已充分完成裂隙封堵且影響范圍良好。②注漿量：當(dāng)漿壓達(dá)標(biāo)后，應(yīng)逐次換檔降低泵送漿量，直至泵量達(dá)到10 L/min，并維持30 min后方可停泵。③單位吸水率：在注漿量達(dá)標(biāo)后，各孔均須進(jìn)行壓水試驗(yàn)(壓力8 MPa)，同時(shí)求解單位吸水率(q，L/(min·m2)，確定是否繼續(xù)補(bǔ)漿，q計(jì)算公式為

q=Q/(pL)

式中：Q為壓入流量，L/min；L為被注區(qū)段距離，m。

根據(jù)研究區(qū)2號(hào)煤層的涌水情況，Q和p取值為壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，L取值為注漿鉆孔長(zhǎng)度。當(dāng)q<0.01 L/(min·m2)(標(biāo)準(zhǔn)值)時(shí)，則表明被注體內(nèi)的裂隙已基本達(dá)到作用效果。

此外，還應(yīng)用孔內(nèi)窺視技術(shù)，對(duì)孔內(nèi)煤巖組合、裂隙發(fā)育情況、注漿封堵情況、鉆孔出水情況等進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)。結(jié)合礦井前期注漿的立井井筒段，揭露煤層取樣進(jìn)行分析，以及巷道掘進(jìn)超前鉆探情況，綜合判斷注漿效果，最終以巷道實(shí)際掘進(jìn)揭煤時(shí)的涌水情況進(jìn)行工程驗(yàn)證。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工概述

3.1 施工過程

首先按照施工順序，在井底車場(chǎng)巷道的鉆場(chǎng)內(nèi)施工超前探放鉆孔，鉆進(jìn)至2號(hào)煤層，觀察本區(qū)域的煤層富水性。在施工第一個(gè)煤層探放水鉆孔(ZJ2號(hào)鉆孔)時(shí)，鉆進(jìn)至63 m時(shí)，進(jìn)入2號(hào)煤層，鉆孔則發(fā)生出水，在進(jìn)入煤層內(nèi)1 m后停止鉆進(jìn)，測(cè)得此時(shí)的鉆孔內(nèi)2號(hào)煤層出水為21.6 m3/h，而后繼續(xù)鉆進(jìn)，在煤層內(nèi)共鉆進(jìn)18 m后出煤，該鉆孔84 m終孔，退鉆再次測(cè)水，水量最終穩(wěn)定為198 m3/h。根據(jù)設(shè)計(jì)，井下現(xiàn)有系統(tǒng)及設(shè)備難以滿足鉆孔煤層水長(zhǎng)期疏放，隨即按照設(shè)計(jì)要求，放棄疏放治理方式，轉(zhuǎn)入注漿工序。

3.2 結(jié)果分析

1)鉆孔煤層涌水情況分析。首先通過對(duì)8個(gè)鉆孔逐一進(jìn)行鉆進(jìn)，在穿過煤層后2～3 m終孔，測(cè)得各鉆孔水量有所不同、且差異較大，總體在5～198 m3/h內(nèi)，鉆孔水壓測(cè)得為3.6～3.81 MPa，相對(duì)較為穩(wěn)定。其中，ZJ2、ZJ7號(hào)鉆孔水量較大，100～200 m3/h，ZJ3、ZJ8、ZJ9號(hào)鉆孔水量中等，25～90 m3/h，ZJ1、ZJ4、ZJ6號(hào)鉆孔水量較小，5～13 m3/h。

其中，ZJ3和ZJ8號(hào)鉆孔涌水量分別為88 m3/h和53 m3/h，但在鉆進(jìn)過程中頂鉆嚴(yán)重，故第1次鉆進(jìn)均未出煤。在后期完成第1輪注漿堵水后，全部鉆孔進(jìn)行二次掃孔后補(bǔ)充注漿，全部按照設(shè)計(jì)要求穿過2號(hào)煤層終孔。各鉆孔2號(hào)煤層初始涌水量及壓力情況如圖5所示。

圖5 鉆孔初始水量及水壓情況分布Fig.5 Distribution chart of initial water and water pressure of boreholes

根據(jù)各鉆孔出水水樣采集，進(jìn)行水質(zhì)全分析化驗(yàn)[24-25]，發(fā)現(xiàn)其水質(zhì)類型有所不同(圖6)。其中，首先施工的ZJ2號(hào)鉆孔根據(jù)礦井以往煤層水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[10,24]，較為相似，其總礦化度為5 284.74 mg/L，pH值為8.18呈弱堿性，水質(zhì)類型為SO4-Na·(Ca)型水。而后續(xù)施工的各鉆孔則存在不同于2號(hào)煤層水質(zhì)特征的明顯差異，其中，各水樣總礦化度在1 631.57～3 103.52 mg/L，平均約2 588.86 mg/L，pH值在12.20～12.58，平均約12.32，呈強(qiáng)堿性，大多水樣的水質(zhì)類型為OH·SO4-Ca·Na型水。通過分析，由于本次施工工序，最初鉆孔出水為2號(hào)煤層水，后期逐漸由鉆孔進(jìn)行注漿，使得漿液擴(kuò)散至其他孔內(nèi)，導(dǎo)致其他鉆孔出水為2號(hào)煤層水與水泥漿液(強(qiáng)堿性)混合的水體，故導(dǎo)致以上結(jié)果出現(xiàn)，由此，可從水化學(xué)角度得出2號(hào)煤層裂隙較大，各鉆孔之間有所溝通、相互補(bǔ)給徑流。由于各鉆孔按照相對(duì)位置順序逐個(gè)施工成孔，而后注漿封堵，故可分析在孔內(nèi)受煤層裂隙溝通影響，相互之間有導(dǎo)通可能。同時(shí)在后期注漿過程中有所驗(yàn)證。

圖6 鉆孔水質(zhì)全分析Piper圖Fig.6 Full analysis of boreholes water quality Piper map

2)鉆孔注漿封堵情況分析。通過各鉆孔注漿壓力變化可知，鉆孔涌水量大小與井上下注漿壓力均具有一定的相關(guān)關(guān)系。各鉆孔2號(hào)煤層注漿壓力情況如圖7所示。

由圖7可知，隨著注漿的開始，地面泵壓自0開始漸進(jìn)升高，最高至5.1 MPa即可滿足鉆孔設(shè)計(jì)的孔壓要求，而井下鉆孔孔口注漿壓力初始則在4～7 MPa，但各鉆孔因注漿前后時(shí)間影響、空間距離、裂隙分布情況及鉆孔之間相互溝通情況而造成的注漿起壓時(shí)長(zhǎng)不同，一般鉆孔注漿時(shí)間25～35 h，情況特殊的ZJ7號(hào)鉆孔超過60 h，分析為其孔深大，進(jìn)煤段長(zhǎng)，相對(duì)距離較遠(yuǎn)，受其他鉆孔注漿影響較小，原生煤層裂隙發(fā)育空間接觸面積大，注漿堵水時(shí)間長(zhǎng)；而ZJ6號(hào)鉆孔距離較近，且注漿次序最后，使得其大部分煤層裂隙區(qū)域已被其他鉆孔注漿時(shí)封堵許多，所以該鉆孔注漿起壓較快，注漿時(shí)間較短。總體規(guī)律為先注漿的鉆孔注漿量較大、注漿時(shí)間較長(zhǎng)；同時(shí)，鉆孔孔深越大、鉆探深度越遠(yuǎn)，煤層出水量較大，從而影響注漿量和注漿時(shí)間。

圖7 鉆孔注漿壓力情況分布Fig.7 Distribution of grouting pressure in boreholes

4 注漿成果驗(yàn)證

根據(jù)本次工程前期施工各注漿鉆孔的出水、起壓、串漿等情況，在全部完成第一輪注漿封堵后逐個(gè)進(jìn)行二次掃孔、觀測(cè)、補(bǔ)漿、候凝，而后通過施工檢查鉆孔觀察其出水、漏漿等情況，同時(shí)使用鉆孔窺視儀進(jìn)行孔內(nèi)直接觀測(cè)，驗(yàn)證本次煤層注漿堵水效果。

1)鉆孔涌水量變化。通過各鉆孔完成第一輪注漿，經(jīng)過漿液凝固、二次掃孔后發(fā)現(xiàn)，各鉆孔煤層水涌水量有明顯衰減(圖8)。相比各鉆孔初始總涌水量521 m3/h，在完成第一輪注漿后，掃孔測(cè)得總涌水量為12.87 m3/h，各鉆孔探查煤層水量經(jīng)注漿堵水治理，有效衰減約97.5%。其中，初始鉆孔水量在100～200 m3/h的ZJ2和ZJ7號(hào)鉆孔煤層水涌水量分別衰減99.8%和97%；水量在25～90 m3/h以內(nèi)的ZJ3、ZJ8、ZJ9號(hào)鉆孔，其水量衰減分別為99.9%、99.8%、86.5%?？梢?，注漿堵水工作對(duì)富水煤層局部封堵效果較好。

圖8 鉆孔一次注漿后水量及水壓情況分布Fig.8 Distribution of water quantity and water pressure of boreholes after first time grouting

由圖8還可看出，經(jīng)第一輪注漿后，各鉆孔并未完全實(shí)現(xiàn)煤層水封堵，其內(nèi)部或多或少均仍存在少量水體，同時(shí)，水壓變化情況不大，基本維持在3.6～3.8 MPa，可見孔口壓力與水量大小關(guān)系較小，受地層埋深、圍巖影響等穩(wěn)定不變的因素控制較大，2號(hào)煤層中存在一定的微小孔隙，其少量水體賦存其中，是注漿材料顆粒無法進(jìn)入，從而成為未能進(jìn)行徹底封堵2號(hào)煤層水的主要原因。

2)驗(yàn)證孔探查結(jié)果。根據(jù)鉆探結(jié)果，ZJ5號(hào)檢查鉆孔施工至51 m處見煤，進(jìn)煤進(jìn)尺16 m，鉆進(jìn)69 m 終孔，鉆孔涌水量為0.3 m3/h。根據(jù)各鉆孔漿液擴(kuò)散范圍、終孔水量等現(xiàn)狀，初步認(rèn)為本次管子道注漿堵水工程實(shí)施成功，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3)鉆孔窺視觀察?，F(xiàn)場(chǎng)采用由中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)的CXK12型礦用鉆孔成像儀完成該項(xiàng)工作(圖9)，在探查鉆孔內(nèi)進(jìn)入煤層的51～67 m區(qū)段進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)煤(巖)層裂隙處有水泥質(zhì)漿液硬化痕跡，孔內(nèi)有少量淋水，由于為上仰孔，故在鉆孔內(nèi)壁下凹槽或低洼處聚集匯成小股水流，孔內(nèi)煤層觀測(cè)段無明顯裂隙及流水，由此可驗(yàn)證本次工程的有效可靠性。

圖9 鉆孔窺視實(shí)景Fig.9 Borhole view picture

同時(shí)，根據(jù)前期在礦井立井井筒過2號(hào)富水煤層段掘進(jìn)揭露取得該煤層段樣品(圖10)，亦能夠?yàn)楸敬喂茏拥雷{堵水的有效性提供旁證。當(dāng)時(shí)采用的注漿材料與本次工程相同，如圖所示，在所取煤樣裂隙處存在注漿漿液殘留，可見其漿液在煤層裂隙中的滲透擴(kuò)散效果及該漿液凝固后的強(qiáng)度特性。

圖10 礦井以往注漿煤層段實(shí)際揭露樣品Fig.10 Sample of actually exposed in former grouting coal seam section of mine

4)超前探與實(shí)際揭露。在本次管子道注漿工程完成后，為保證安全掘進(jìn)、直觀探查注漿效果，在管子道開口處施工2個(gè)超前探檢查鉆孔JC1和JC2號(hào)鉆孔，沿管子道掘進(jìn)方向鉆進(jìn)，以23°～25°開孔，兩鉆孔分別于29 m和36 m見煤、37.5 m和45 m出煤、39 m和46.5 m終孔，鉆孔涌水量分別為0.95 m3/h和0.19 m3/h，由此可見本次注漿效果良好。而后，在管子道掘進(jìn)穿越2號(hào)富水煤層過程處，巷道掘進(jìn)涌水1.2 m3/h左右，最終順利完成掘進(jìn)工作。

綜上所述，通過注漿后各鉆孔二次掃孔殘余水量、探查鉆孔最終涌水量、鉆孔窺視觀察及礦井以往注漿封堵區(qū)揭露取樣、超前探查及巷道實(shí)際揭露等，對(duì)本次管子道過2號(hào)富水煤層段注漿堵水效果進(jìn)行了有效驗(yàn)證，充分說明了使用方法、手段、材料、工具等科學(xué)合理性。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)礦井管子道掘進(jìn)面臨的2號(hào)煤層水害問題，提出“鉆孔探查、小水疏放、大水注漿、有效封堵”的主要工程設(shè)計(jì)思想，并設(shè)計(jì)對(duì)巷道揭露富水煤層前鉆場(chǎng)布置8個(gè)探查鉆孔、1個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，通過“地面拌漿壓漿，井下打鉆注漿”的方法進(jìn)行治理，結(jié)合水化學(xué)測(cè)試、鉆孔窺視等手段進(jìn)行后期施工效果驗(yàn)證。

2)根據(jù)井下鉆孔實(shí)際揭露2號(hào)煤層情況，發(fā)現(xiàn)2號(hào)煤層局部富水性強(qiáng)、原生裂隙大，最高單孔涌水量可達(dá)近200 m3/h，煤層水體礦化度平均約5 500 mg/L，屬SO4-Na·(Ca)型水，水壓平均約3.77 MPa；通過首輪注漿、二次掃孔、補(bǔ)漿候凝、鉆探驗(yàn)證、鉆孔窺視、煤樣采集、超前探查、巷道揭露等步驟，驗(yàn)證工程良好效果。

3)本次巴拉素煤礦管子道防治水工程通過多種手段、方法相結(jié)合，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探查、揭露等進(jìn)行驗(yàn)證，首次實(shí)現(xiàn)了陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)煤礦在井下巷道掘進(jìn)通過富水煤層段前的有效注漿治理，確保了礦井安全生產(chǎn)，同時(shí)為區(qū)內(nèi)富水煤層在采掘過程中的有效防治提供了有力依據(jù)和實(shí)際借鑒。