關(guān)鶴偉

(青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000)

0 引言

孟津煤礦主采煤層為二1煤，厚度為0～14.27 m。生產(chǎn)采用立井的開拓方式，通風(fēng)方式采用中央并列式，正常生產(chǎn)期間，礦井涌水量為210～230 m3/h。11011工作面沿傾向布置順槽，長(zhǎng)度為1 000 m，切眼呈走向布置，長(zhǎng)度為120 m，設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度為770 m，但回采至340 m時(shí)膠帶順槽底板出現(xiàn)裂縫滲水，伴有底鼓現(xiàn)象，初步判斷為：回采期間地應(yīng)力周期來(lái)壓與底板承壓含水層裂隙導(dǎo)水共同作用下造成的底鼓滲水，于是工作面停止回采，通過(guò)施工底板注漿加固鉆孔進(jìn)行治理。

1 工作面水文地質(zhì)條件

孟津井田屬于典型新安“三軟”煤田，主采二1煤層具有突出危險(xiǎn)性，井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，11011工作面伴生有正斷層3條，逆斷層2條，整體呈單斜構(gòu)造發(fā)育，煤層傾角為2°～5°。其水文地質(zhì)條件屬中等，根據(jù)前期地質(zhì)勘探及抽水試驗(yàn)測(cè)定，整體含水層壓力為4.7～5.4 MPa，屬于弱—中等富水含水層，隔水層厚度僅為58～67 m。另?yè)?jù)導(dǎo)水性連通試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水層富水性不均勻，連通性較差，異常區(qū)域呈局部分布，但礦井地表位于小浪底水庫(kù)的庫(kù)區(qū)邊緣，最近處平距2.75 km，在汛期排水期間有可能造成井下水源的滲透補(bǔ)給，增大含水層的水壓水量，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成一定的威脅。

1.1 礦井主要含水層

1.1.1 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

奧陶系灰?guī)r巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖及白云巖，地層總厚度為500 m，根據(jù)前期施工的14個(gè)地表勘探鉆孔和2個(gè)水文觀測(cè)孔鉆探驗(yàn)證，均未發(fā)現(xiàn)有漏水現(xiàn)象，屬于弱—中等富水性含水層，水化學(xué)型號(hào)為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度888～1 441 mg/L，pH值7.70～7.80，總硬度401～690 mg/L，水溫30℃～36℃。奧灰系地下水自然動(dòng)態(tài)變化主要是受氣象因素控制，地下水位呈現(xiàn)出季節(jié)性變化的特點(diǎn)。

1.1.2 太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

太原組地層的下部和中上部夾多層薄層灰?guī)r，一般發(fā)育3層，灰?guī)r平均總厚度15.73 m，L7灰?guī)r普遍發(fā)育，厚度2.60～7.98 m，平均厚度5.12 m。為弱富水性含水層，本層水質(zhì)為HCO3-Ca·Na及SO4HCO3-Ca類型，礦化度580～1 428 mg/L，pH值7.60～7.80。

1.1.3 山西組砂巖孔隙裂隙承壓含水層

山西組砂巖孔隙裂隙承壓含水層主要由山西組二1煤層頂部的大占砂巖和香炭砂巖組成，多為中粒砂巖，大占砂巖平均厚度11.99 m，裂隙不發(fā)育，井田內(nèi)施工的鉆孔全部穿見(jiàn)本層，均未發(fā)現(xiàn)涌、漏水現(xiàn)象。屬于弱富水性含水層，含裂隙承壓水，為二1煤層頂板直接充水含水層。本層水質(zhì)為HCO3-Ca類型，礦化度725～735 mg/L，pH值7.80。

1.2 礦井主要隔水層

礦井主要含有4層隔水層，自上而下依次是二疊系山西組以上隔水層、二1煤層底板隔水層、太原組中段隔水層和本溪組隔水層。相較于其他弱富水性含水層，只有最下部的本溪組隔水層由鋁質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)巖及砂質(zhì)泥巖組成，可以有效隔斷奧陶系灰?guī)r水與上部煤體的水力聯(lián)系，起到較好的隔水效果。

2 底板加固治理方案

2.1 水源分析

為了明確底鼓滲水的水力來(lái)源，對(duì)滲水進(jìn)行了取樣化驗(yàn)，經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，其陽(yáng)離子含量中Ca2+與Mg2+離子含量較高，達(dá)到83.17 mg/L，而陰離子以HCO3為主，指標(biāo)為659.63 mg/L，礦化度為790 mg/L，pH值7.72，因此，根據(jù)綜合指標(biāo)判斷應(yīng)為奧陶系灰?guī)r水沿裂隙導(dǎo)升，造成底鼓滲水。

2.2 底板加固鉆孔設(shè)計(jì)

在裂隙滲水位置附近，為探明富水異常區(qū)域，在停止工作面回采，減少動(dòng)壓擾動(dòng)的情況下，首先使用瞬變電磁儀進(jìn)行底板物探，劃分出低阻異常區(qū)[1-4]，低阻異常區(qū)域物探結(jié)果如圖1所示。

圖1 低阻異常區(qū)域物探結(jié)果

根據(jù)異常區(qū)域劃分以及探測(cè)出的異常導(dǎo)水深度，結(jié)合礦井井田范圍內(nèi)整體底板隔水巖柱厚度為58～67 m等參數(shù)特征，在進(jìn)風(fēng)順槽底鼓出水位置后退10 m處施工一個(gè)1#鉆場(chǎng)，按照不同層位深度，設(shè)計(jì)1-1、1-2、1-3、1-4四個(gè)鉆孔覆蓋富水異常區(qū)及邊緣地帶；在回風(fēng)順槽側(cè)施工一個(gè)2#鉆場(chǎng)，設(shè)計(jì)2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6六個(gè)加固鉆孔，按照終孔注漿擴(kuò)撒半徑25～30 m進(jìn)行布孔，對(duì)異常區(qū)域?qū)嵤┑装遄{加固[3]。底板注漿加固鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 底板注漿加固鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 底板注漿效果分析

由于11011工作面進(jìn)風(fēng)巷已經(jīng)出現(xiàn)底鼓裂隙滲水的情況，為避免施工鉆孔后與裂隙帶打通，造成大量涌水進(jìn)入工作面，水量、水壓對(duì)底板的沖擊作用下，將會(huì)降低隔水層的阻隔水強(qiáng)度。因此，為考慮施工安全，先施工回風(fēng)巷2#鉆場(chǎng)的探查鉆孔，通過(guò)預(yù)揭露含水層，探明富水異常區(qū)的具體含水體特性，通過(guò)其相對(duì)完整的底板隔水巖柱的保護(hù)，對(duì)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行注漿加固，確保整個(gè)環(huán)節(jié)的施工安全。

在先施工的2-5鉆孔鉆進(jìn)至73 m時(shí)，孔內(nèi)返渣出現(xiàn)帶有方解石和白云母晶體的顆粒狀碎石塊，粒徑大小不一，多數(shù)在3～12 mm，說(shuō)明該區(qū)域有溶洞存在，導(dǎo)致底部隔水層被溶洞侵蝕塌陷后，造成上部巖石裂隙發(fā)育，直至延伸至工作面二1煤層底板，誘導(dǎo)底鼓滲水，原有完整隔水層被破壞后，在裂隙導(dǎo)升作用下，隔水層厚度由58～67 m減少至最小的27 m，極易在回采期間周期來(lái)壓與底板動(dòng)壓的綜合應(yīng)力作用下，造成底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要對(duì)富水異常區(qū)域施工鉆孔提前探查，加固治理。

當(dāng)首個(gè)鉆孔2-5孔施工73 m見(jiàn)水后，即對(duì)“三量”進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)際測(cè)得水壓為4.74 MPa，水量為35.6 m3/h，水溫為31.2℃，符合奧陶系灰?guī)r水特征。在出水后，將預(yù)先準(zhǔn)備好的注漿管路與孔口閘閥與法蘭盤進(jìn)行連接，由地面注漿泵站啟動(dòng)系統(tǒng)開始注漿，初期采用比重為1.15的純水泥漿進(jìn)行注入，觀察其升壓情況，待注漿3 d后，孔口壓力由初始靜壓5 MPa升至7.4 MPa，待升到壓力值為8 MPa后調(diào)整注漿比重為1.2～1.22的純水泥漿，繼續(xù)注入。此時(shí)，由于注漿比重的加大，加速了水泥在溶洞空間內(nèi)的沉淀，以及對(duì)裂隙的充填擠占，將原有的含水空間進(jìn)行置換，很快達(dá)到了升壓效果。為了避免注漿過(guò)大壓力造成淺部底板裂隙的二次壓裂，初步注漿終壓設(shè)計(jì)為10 MPa，達(dá)到此指標(biāo)后即停止注漿，待凝固靜置24 h后，對(duì)2-5鉆孔進(jìn)行掃孔鉆進(jìn)，若中途出水，則繼續(xù)注漿升壓，凝固后再次掃孔鉆進(jìn)，按此循環(huán)直至達(dá)到設(shè)計(jì)終孔位置孔深，該鉆孔施工評(píng)價(jià)結(jié)束。

在2-5孔施工終孔驗(yàn)證結(jié)束后，按照“鉆進(jìn)—出水—注漿—掃孔—終孔”的正規(guī)施工循環(huán)，依次對(duì)2-4、2-6、2-3、2-1、2-2進(jìn)行鉆探，然后對(duì)1#鉆場(chǎng)的鉆孔按照1-1、1-3、1-2、1-4的順序進(jìn)行鉆進(jìn)，按此順序除了能夠有效確保深淺孔從不同深度見(jiàn)水后對(duì)裂隙注漿的效果，還能通過(guò)相鄰鉆孔之間對(duì)注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證。若先施工鉆孔注漿效果滿足要求，則后施工鉆孔再次鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)為已被加固改造后的底板，具有較好的隔水性，因此，鉆進(jìn)過(guò)程不會(huì)出水，按照此方法得出相互驗(yàn)證加固效果好壞的結(jié)論。

3 底板加固效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)10個(gè)鉆孔施工過(guò)程和注漿過(guò)程的相互驗(yàn)證，在打鉆期間只有少量鉆孔水涌出，實(shí)際施工影響天數(shù)包括鉆孔施工和注漿周期等總時(shí)長(zhǎng)為46 d，注漿消耗水泥總量為1 563.71 t，水泥單價(jià)為535元/t，累計(jì)消耗83.65萬(wàn)元。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證注漿改造底板的加固效果，補(bǔ)充設(shè)計(jì)3個(gè)驗(yàn)證孔，分別控制原異常區(qū)的不同方向邊界，且延伸加固垂高超出5 m，經(jīng)過(guò)鉆探后均未發(fā)現(xiàn)鉆孔出水現(xiàn)象，說(shuō)明加固效果科學(xué)可靠，已對(duì)含水層頂?shù)装鍖?shí)現(xiàn)加固改造，可實(shí)現(xiàn)工作面的安全回采。

4 結(jié)論

1)對(duì)富水異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，通過(guò)返渣顆?？煞治雠袛喑霎惓：w是一處巖溶溶洞，具有較大體量的富水。經(jīng)過(guò)注漿期間對(duì)鉆孔孔口壓力變化的連續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)升壓相對(duì)較快，說(shuō)明該溶洞不存在動(dòng)態(tài)水補(bǔ)給，屬于一處“死水”，易于治理加固。

2)鉆孔施工完成后，通過(guò)專門設(shè)計(jì)的驗(yàn)證鉆孔對(duì)治理效果進(jìn)一步驗(yàn)證，未見(jiàn)明顯出水后，方可確定加固與底板改造效果達(dá)到預(yù)期要求與目標(biāo)，確保了工作面回采期間的安全。