注浆充填保水置换煤炭技术实践

鲁亮

（1.济南贝克矿山工程技术服务有限公司，济南250031；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

注浆充填保水置换煤炭技术实践

鲁亮1,2

（1.济南贝克矿山工程技术服务有限公司，济南250031；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

新方矿井位于山东省潍坊市坊子区南部，区内地表水缺乏，地下水严重不足。新方矿井4201下山采区地质构造复杂，回采中断层带及附近易发生底板突水，影响工作面安全生产，需留设较多的断层防水煤柱，煤柱内压煤量大。为充分开采煤炭资源，同时有效保护煤层底板太古界花岗片麻岩水资源，确保矿井可持续发展，采用回采工作面超前注浆充填断层破碎带的措施，封堵底板导水裂隙，实现防止底板大量涌水，达到充分开采置换煤炭资源的目的。以该采区3#工作面为例，介绍了注浆钻孔的布置原则及施工过程，进而对保水效果进行了评价。回采证实，工作面注浆充填后，涌水量大幅降低，可确保工作面安全回采，同时有效保护了地下水资源，对减缓潍坊市“水量性缺水”现状起到了积极的作用。

注浆充填；保水开采；钻孔布置；效果评价

0引言

我国的能源开发和利用，尤其是以煤炭为主的能源供应，支撑了经济的高速发展，与此同时，也面临着严峻的资源及环境挑战。而煤炭开采过程与水资源紧密相关，一方面，煤矿的开采将直接破坏地下含水层结构，随着矿井水的排放将逐步形成地下水降落漏斗，对地下水形成不容易恢复的破坏；另一方面水又是煤矿开采的五大灾害之一，在受水威胁的矿区，严重制约着煤矿安全生产。

近年来，不少煤炭企业在保护水资源方面做了大量工作，尤其是在充填开采方面，为保水开采提供了一条新途径。目前国内外保水开采多围绕顶板水进行相关研究，底板高承压含水层防治也进行了相关研究，但通过注浆充填保水来置换煤炭资源的研究及实践较少。本文拟通过新方矿业4201下山采区开采，深入探讨和研究注浆充填保水置换煤炭技术，通过工作面实际开采情况对研究结果进行验证。

1研究区水资源及煤炭开采现状

新方矿井位于山东省潍坊市坊子区南部，是潍坊市目前剩余的唯一一对生产矿井。坊子区水资源严重缺乏，年人均占有水资源可利用量249 m3，为全国平均水平的八分之一；年亩均分配水资源量175 m3，为全国平均水平的十分之一。区内无大中型河道及拦蓄水工程，地表水缺乏，地下水严重不足，部分村庄出现了无水可用的现象。因此，保护地下水资源是坊子区保障人民生活、保持长远发展的重要战略工程。

新方矿井4201下山采区东部靠近井田边界，大致呈西北至东南向不规则长条形，面积约1.33 km2。采区地质构造复杂，断层发育。开采煤层留设的断层防水煤柱多，煤柱内压煤量大。受断层影响，工作面多数按三角形布置，回采困难。特别是开采煤层下距太古界花岗片麻岩平均间距43.37 m，回采中断层带及附近易发生底板突水，影响工作面安全生产。4201下山采区设计回采工作面16个（1#～16#工作面），其中1#工作面已回采结束，该面未超前采取底板裂隙注浆措施，工作面开采时正常涌水量60 m3/h，涌水主要为底板太古界花岗片麻岩水。涌水原因是工作面采后围岩破坏影响到了工作面周围的断层煤柱，导致煤层底板太古界花岗片麻岩水沿断层、裂隙等导水通道涌入采空区。

鉴于上述开采地质条件及水资源缺乏的现状，本次研究设计在4201下山采区采用回采工作面超前注浆充填底板断层破碎带的措施，封堵底板导水裂隙，防止底板大量涌水，达到充分开采置换煤炭资源的目的。

2研究区地质及水文地质

区内所见地层有第四系、白垩系、侏罗系、太古界泰山群。煤系属中生代侏罗系坊子组，含煤5层，其中可采煤层为上、中、下共3层煤，均为中厚煤层，可采区内总平均厚度6.23 m，主要开采上、中两层煤。研究区整体呈东北高西南低的单斜构造，现已发现落差（H）≥5 m的断层18条，其中5 m≤落差（H）＜30 m的断层14条，落差（H）≥30 m的断层4条。

区内充水含水层为侏罗系坊子组上、中、下层煤基本顶含水层和煤系基地太古界泰山群花岗片麻岩裂隙含水层。据2014年在4201下山运输巷内施工水文观测孔资料，水压1.5 MPa，富水性较好，含水性不均匀，为主要充水含水层。矿井出水点受断层控制，大的出水点发生在断裂带附近或断裂复合部位。

根据矿井生产规划，4201下山采区未采工作面2015年至2020年生产。本次研究方案对2#～16#工作面涌水量采用1#工作面回采时实测资料，利用面积类比法进行了预测。1#工作面回采面积22040 m2，断层1条，正常涌水量60 m3/h。预测各工作面涌水量28～140 m3/h（表1）。

3底板裂隙注浆充填保水开采设计

3.1注浆充填保水开采技术方法

4201下山采区开采中层煤，煤层厚度0.49～2.28 m，平均1.30 m。采煤工艺为炮采、高档普采或综采，采用单体液压支柱与交接顶梁联合配套或综采支架支撑顶板。

表1　4201下山采区工作面涌水量预测表Table 1 No.4201 dip stoping area production face water inflow prediction

根据采区地质及水文地质情况，保水开采技术方法为：对回采工作面采取采前底板裂隙注浆充填的方法，封堵导水通道，减少工作面涌水，实现采动条件下保护底板太古界花岗片麻岩水资源、确保工作面安全回采的目的。

3.2工作面底板裂隙注浆充填

本采区中层煤至底部花岗片麻岩含水层间距33.74～52.51 m，平均43.37 m，受开采影响，断层可能导致底板水突出。

根据兖州矿区杨村煤矿太原组煤层（厚度1.2～1.3 m）采后底板破坏深度实测资料［1］及坊子煤矿以往开采数据，煤层采后底板破坏深度不大于20 m。目前，花岗片麻岩水压1.5 MPa，断层破碎带突水系数按0.06 MPa/m计算，该区隔水段岩层厚度25 m，故底板断层带注浆堵水加固段为煤层底板向下20～45 m。

根据工作面地质情况和生产接续计划，以3#工作面为例对设计布置注浆孔进行介绍。

3#工作面位于采区南部，中层煤底板标高-701.50～-708.10 m，工作面大致为一向东倾斜的单斜构造。工作面南北两侧分别发育一条与工作面大致平行的正断层，回风巷北侧有F4-51断层，落差8～10 m，进风巷南侧有F4-49断层，落差18 m。

3.2.1注浆孔布置原则

（1）工作面内外采动影响范围内落差（H）≥5 m的断层均布孔注浆，对落差（H）≥30 m的断层，其下降盘注浆孔垂向按扇形布置，每组孔数2～3个。

（2）注浆孔布置在工作面轨道巷或运输巷内。

（3）注浆水泥浆扩散半径25 m。根据断层长度，结合水泥浆扩散半径确定注浆钻孔数量，并确保各注浆孔浆液扩散对接。

（4）俯角注浆孔垂深为各开孔点中层煤底向下30 m，终孔位置进入断层破碎带（图1）。

图1　F4-51断层3B1号注浆孔设计剖面示意图Figure 1 A schematic diagram of fault F4-51 No.3B1 grouting borehole designed configuration

（5）注浆覆盖率确保90%以上。

（6）每条断层注浆后，注浆段需布置质量检查孔。检查孔对注浆段质量要有控制性，孔数一般不少于2个。

3.2.2注浆孔布置数量

3#工作面设计断层注浆长度600 m（进风巷外侧F4-49断层480 m，回风巷外侧F4-51断层120 m），注浆孔12个，质量检查孔4个，总工程量648 m。

4底板裂隙注浆充填保水开采实践

4201下山采区需注浆的回采工作面15个（2#～16#面），设计注浆孔331个，钻进工程量12215 m。设计质量检查孔70个（需注浆断层共35条，每条断层施工2个检查孔），单孔平均深度39 m，工程量2730 m。合计钻孔401个，总工程量14945 m。

下面以3#工作面为例对注浆施工及效果进行说明。

4.1工作面底板断层注浆施工

4.1.1注浆施工

注浆施工与注浆孔施工交叉进行。先施工回风巷的3B1、3B2号孔，注浆结束后施工3J1号质量检查孔，而后施工进风巷的3A10～3A1号注浆孔，注浆孔注浆结束后，施工了3J2～3J4号质量检查孔。注浆钻孔于2015年6月22日至9月20日施工，历时91 d，共施工注浆孔12个，质量检查孔4个（图2）。12个注浆孔注浆完成后，3#工作面总注浆量1707 m3，水泥用量1437.2 t。施工时各环节均严格按照设计要求施工，注浆时未出现设计外的异常现象。

通过3J1、3J2、3J3、3J4号质量检查孔取样及钻孔压水等方法对注浆效果进行检查，检查孔出水量（Q）均小于1 m3/h，断层带及岩层裂隙水泥充填好，达到注浆效果。4个质量检查孔不需补注浆，随即封孔，注浆施工结束。

4.2生产过程及采出煤量

3#工作面走向长120 m，平均倾斜长275 m，面积33000 m3。工作面采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。于2015年6月25日至10月31日回采，历时129 d，共采出煤炭155031 t。

4.3保水效果评价

4.3.1工作面涌水量

3#工作面回采过程中仅局部出现少量顶板淋水，底板未出现涌水。面内首次出现少量淋水为工作面推进35 m后，初始涌水量1 m3/h，而后涌水量稍有增加，至工作面回采结束稳定涌水量9 m3/h（表2），对生产无影响。

4.3.2含水层水位变化

表2　3#工作面涌水量表Table 2 Production face No.3 water inflow

（1）采前水位。据2014年在4201下山运输巷内（1#工作面北西200 m处，孔口标高-684 m）施工的水文观测孔（G1号孔）资料，水压1.5 MPa，换算水位-534 m。

（2）采动水位。2015年1月至11月，3#工作面开采时对G1号孔观测，水位无明显下降（表3）。证明由于工作面回采过程中涌水量较小，下部花岗片麻岩水的疏放量小，对水位未造成影响，注浆起到了保护花岗片麻岩含水层水的作用。

表3　G1号孔水位观测资料Table 3 Data sheet of borehole G1 water-level observation

4.3.3含水层水质分析

根据3#工作面开采前1#工作面水质资料，花岗片麻岩含水层矿化度1 852.65 mg/L，pH值8.64，水化学类型为CI-Na型。3#工作面开采中分别对工作面采集了水样，送潍坊市产品质量监督检验所化验室进行了水质分析。通过资料对比，2个工作面涌水特征基本相同（表4），证明注浆施工对工作面充水含水层水质无影响。

表4　1#工作面与3#工作面水质对比Table 4 Water quality comparison between in production faces No.1 and No.3mg/L

5结论及建议

（1）3#工作面开采前对受煤层采动影响的断层带进行了注浆充填，起到了加固煤层顶底板地层的作用。开采过程中，受中层煤顶板砂岩局部含少量构造裂隙水影响，局部出现少量顶板淋水，但底部片麻岩水未进入工作面，确保了工作面安全回采。

（2）3#工作面于2015年10月末回采结束，工作面总涌水量稳定在9 m3/h左右。按原回采工艺进行回采，预计总涌水量74 m3/h。从统计数据看，涌水量减少65 m3/h。即采用注浆保水生产工艺，有效保护地下水资源65 m3/h，置换煤炭155031 t，说明本次注浆充填保水置换煤炭技术是可行的，而且效果较好。未来可在全矿加快推广，以解放大量的煤炭资源，有效延长矿井服务年限，同时可减少地下水资源流失，减缓潍坊市“水量性缺水”现状。

（3）加强注浆充填材料的研究工作，在保证不污染底板含水层水情况下，进一步降低注浆充填成本。

［1］段宏飞，姜振泉，等.杨村煤矿综采条件下薄煤层底板破坏深度的实测与模拟研究［J］.煤炭学报，2011，36（5）：13-17.

［2］刘建功，赵立涛.基于充填采煤的保水开采理论与实践的应用［J］.煤炭学报，2014，39（8）：1545-1551.

［3］张京顺，丁树生.淄博煤田石谷井田底板水害分析及防治水对策探讨［J］.中国煤炭地质，2009，21（4）：44-47.

［4］赵光全.浅谈煤层底板含水层注浆改造技术的实践与应用［J］.科技信息，2007，19（7）：484-485.

［5］杜金龙，曾健勇.华北下组煤底板突水及涌水量预测方法浅析［J］.中国煤炭地质，2011，22（9）：38-41.

［6］张文学.平煤十一矿己二采区底板注浆开采实践［J］.中州煤炭，2010，（7）：72-73.

［7］李七明，翟立娟，等.华北型煤田煤层开采对含水层的破坏模式研究［J］.中国煤炭地质，2012，24（7）：38-43.

［8］徐家林，轩大洋，等.部分充填采煤技术的研究与实践［J］.煤炭学报，2015，40（6）：1303-1311.

［9］翟立娟.华北型煤田煤炭开采对岩溶水影响方式探讨［J］.中国煤炭地质，2012，24（11）：30-35.

［10］苗乃华，王金忠等.滩仿市地下水资源开发利用及对策［J］.水文，2003，23（4）：52-54.

［11］王金祥，王琳等.潍坊市水资源可持续利用评价［J］.中国人口·资源与环境，2014，24（3）：316-318.

［12］赵成喜.工作面底板注浆加固改造质量综合评价方法研究［J］.能源技术与管理，2010，（5）：1-3.

［13］黄建飞，张亚楠等.复杂地质条件工作面底板注浆改造施工技术［J］.中州煤炭，2011，186（6）：73-77.

［14］叶东生，杜飞虎.煤层底板承压含水体上带压开采研究［J］.中国煤炭地质，2010，22（1）：38-41.

［15］曹胜根，李国富等.煤层底板突水水量预测及注浆改造技术［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（2）：312-318.

［16］侯进山.21101综采面底板注浆改造技术研究及应用［J］.煤炭工程，2013，（6）：55-57.

Practices of Grout Filling Water Conservation Coal Replacement Technology

Lu Liang1，2
（1.Jinan Baker Mining Engineering Technology Co.Ltd.，Jinan，Shandong 250031；2.College of Geoscience and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083）

The Xinfang coalmine is situated in the southern Fangzi District，Weifang City，Shandong Province；surface water in the area is insufficient，groundwater serious shortage.The No.4201 dip stoping area has complicated structures，in faulted zone and periphery can easily cause floor water bursting during winning and impact working face safety in production.Thus more fault water barrier is needed and caused large amount of protecting coal.To fully exploit coal resources and effectively protect Archean granite gneiss water resources under coal measures floor，ensuring coalmine sustainable development，thus production face advanced grout filling in shattered fault zone is used to plug floor water conducted fractures，prevent floor water gushing，and realize full coal resources replacement target.Taking the No.3 production face in the stoping area as an example，introduced grouting boreholes layout principle and operation procedure，and then assessed water conservation effect.The coal winning has confirmed that after production face grouting，largely reduced water inflow，ensured safety in winning，meanwhile effectively protected groundwater resources，and actively mitigated the“quantitative water shortage”status in Weifang City.

grout filling；water conservation mining；boreholes layout；effect assessment

P641.4+61；TD745+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.12

1674-1803（2016）09-0058-04

鲁亮（1985—），男，山东临沂人，工程师，矿井地质和水文地质方向。

2016-03-11

责任编辑：樊小舟