承压水体上保水采煤注浆材料及技术

王苏健，陈 通，李 涛，冯 洁

(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；2.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程中心，陕西 西安 710065)

承压水体上保水采煤注浆材料及技术

王苏健，陈 通，李 涛，冯 洁

(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；2.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程中心，陕西 西安 710065)

针对薄隔水层低承压灰岩含水层涌入工作面造成黄河生态湿地水位下降问题，采用数值模拟、现场实测、数理统计等手段综合剖析采动底板破坏带发育规律，并基于室内实验及注浆工业化试验研究了底板黄土高效注浆关键技术。应用结果显示，在底板破坏深度以下注入改性的黄土基浆液可降低矿井涌水量90%以上，其中，黄土基浆液主要由除砂后黄土加入奥灰水中快速搅拌而制得，高强度开采未造成半干旱地区生态湿地进一步退化，生态效益显著。

保水采煤；底板；薄隔水层；黄土浆液

底板灰岩水害是华北型煤田的普遍问题[1-3]，但各个矿区的灰岩水害类型不同，山东等矿区以超高水压闻名，山西、河北矿区多有陷落柱等导水构造存在，淮北矿区多有小构造密集发育，但在华北地区西南缘的陕西省渭北煤田主采煤层距离奥灰仅20余米，隔水层厚度很薄，国内罕见[4]。针对奥灰水害防治的研究工作，有疏水降压和注浆加固[5-6]，其中注浆加固多以水泥基为主，加固的对象多为隔水层的薄弱带。本文研究区地处半干旱地区，其灰岩水与黄河生态湿地直接相关，因此不仅仅是注浆加固隔水层防治底板水害，更有控制矿井涌水量保护生态水位的意义。依据王双明等提出的生态水位理念[7-8]，若潜水位持续下降必然导致生态大面积不可逆退化，因此必须保护生态水位。

笔者在防治底板奥灰水害的基础上，就地取材，采用奥灰水联合黄土制备注浆材料对采动有效隔水层进行注浆防渗改造，大量工程实践证明，该保水技术有效控制了底板矿井涌水，达到了底板“保水采煤”[9-13]的目的。

1 薄隔水层低承压灰岩含水层充水特征

本次研究区域选定为陕西省渭北石炭—二叠纪煤田澄合矿区，该矿区煤炭远景储量达68亿t，但水资源整体匮乏(大气降水552.6 mm，年平均蒸发量为1 929.7 mm)，“煤”与“水”的矛盾十分突出。奥灰水是该地区主要的供水水源，而该地煤炭开采造成奥灰水充入矿井，进而使得奥灰水位下降，甚至造成岩溶泉点的减流甚至干涸，将直接影响黄河生态湿地的生态环境的水源。因此，针对该区的“保水采煤”技术要求，不仅仅应防治底板奥灰水害，更应控制该区带压开采过程中底板奥灰水的充水强度。

1.1 研究区带压开采地质条件

(1) 澄合矿区主采5号煤层，该煤层受到下伏奥陶纪灰岩水威胁，带压开采面积达到90%以上。煤层底板地层如图1所示，底板除K2灰岩含水层外，其余为相对隔水层。

图1 研究区综合柱状图

(2) 澄合矿区基本构造形态是一向北倾斜的单斜构造，产状平缓，倾角一般5°～10°，近年开采的1个工作面揭露的断层多为2～3条正断层，整体构造简单。

(3) 通过澄合矿区钻孔资料统计，5号煤底板至奥灰间的距离一般在20～35 m，隔水层厚度之薄，国内罕见。

(4) 根据多个奥灰含水层长观资料，奥灰水位基本稳定在+370 m，结合钻孔简易水文资料，隔水层承受的奥灰水压力在3 MPa以下，一般在0.5～2.0 MPa，浅部突水系数小于临界突水系数0.06，中、深部大于临界突水系数值。

(5)奥灰顶段为峰峰组二段，q值在0.2～3.6 L/(s·m)，一般为强富水含水层，历史上进行过大规模放水试验，认为该含水层不易疏放。

综上，研究区带压开采具有薄隔水层、低承压、强富水含水层的特点。

1.2 研究区奥灰充水特征

研究区奥灰充水以澄合矿区董家河煤矿为例，可以分为3个阶段：

第1阶段：2003年以前，奥灰充水量基本为0，其原因是开采区域在浅部，奥灰水突水系数未达到临界值，该阶段区域奥灰水位稳定在+380 m。

第2阶段：2003—2006年，奥灰充水每年约增加100 m3/h，其原因是开采区域进入底板奥水突涌水区(突水系数大于临界突水系数)，由于水量可排，工作面没有进行底板注浆处理，该阶段区域奥灰水位持续下降到+370 m。

第3阶段：2006年至今，奥灰充水量每年基本没有增加，奥灰水位也保持在+370 m，主要是由于新开采区域进行了底板注浆工程，该阶段区域奥灰水位没有进一步下降。

可见，底板注浆工程为保护黄河生态湿地水源提供了技术保障。

2 保水采煤注浆层位分析

由于研究区底板奥灰水不易疏放且水位对生态湿地意义重大，因此采用注浆改造来进行保水采煤。由于隔水层厚度较薄，底板注浆层位确定需要在充分研究底板破坏深度的基础上进行。

2.1 研究区底板破坏深度发育规律

2.1.1 底板破坏深度发育规律的主控因素

从澄合矿区底板破坏深度实测结果可知：澄合矿区由于采深(介于深部开采与浅埋开采之间)、倾角(3°～8°属缓倾斜煤层)、顶板岩性(岩性组合系数多集中在0.4～0.5)、构造发育程度(断层多为中小型断层，工作面断层条数集中在7～9条)等方面变化有限，底板破坏深度与这些因素在统计学上的关系不大。需要指出的是，当以上因素存在显著变化时，应该重新实际测定相关的底板破坏深度。根据以往经验，澄合矿区构造显著发育地区底板破坏深度约为正常地段底板破坏深度的2倍；采深达到一定深度后，岩体表现出更多的塑性特征，底板破坏深度也存在显著变化。

与以上自变量不同的是，澄合矿区底板岩性复杂多变，主要表现在上覆石英砂岩下切冲刷时，K2灰岩相变为石英砂岩，其相邻的上、下岩性也有变化，即底板岩性组合有显著变化；另外，为适应采矿、地质条件的变化，澄合矿区工作面斜长也有显著变化，从几十米至100余米，前述理论研究中已提及，工作面斜长在一定范围内(几十米至100余米范围内变化最为剧烈)的变化必然会引起底板破坏深度的显著改变。

综上，澄合矿区现阶段的主要影响因素表现在底板岩性组合和工作面斜长两个方面，但不排除其他局部因素(构造等)异常导致的底板破坏深度变化。

2.1.2 研究区底板破坏深度预测模型

统计实测工作面(表1)、数值模拟工作面和理论计算工作面的底板破坏深度结果，依据理论和国内现行统计的经验公式来看，认为底板破坏深度H与工作面斜长L的关系为指数函数关系，与工作面底板岩性组合系数D为线性关系，因此总体选定非线性函数关系。

表1 澄合矿区实测底板破坏深度与主控因素

Table 1 Depth of floor failure and main control factors in Chenghe mining area

序号工作面编号工作面斜长L/m工作面底板岩性组合系数D底板破坏深度H/m1董家河煤矿2250896.00.711.82董家河煤矿22507114.00.712.03澄合二矿24504140.00.113.54澄合二矿2450860.00.811.55王村煤矿斜井5208150.00.612.06王村煤矿斜井5206150.00.911.57王村煤矿14503136.40.513.68王村煤矿13506125.00.712.1

在36组数据基础上，依据选择的函数类型，拟合出澄合矿区底板破坏深度计算公式为

2.2 研究区注浆层位分析

依据国内的大量底板注浆层位选择的实际经验，可以得出注浆层位选择的基本原则有：注浆层位应在采动影响范围外、注浆层位应有可注入性、注浆层位的经济性、注浆改造后安全性。综上，澄合矿区底板破坏深度以下至K2灰岩(砂岩)范围可作为注浆改造层位。结合底板破坏规律可以看出，5煤的采动底板破坏深度破坏了煤层下伏的10 m的有效隔水层，同时对K2含水层有疏放作用，有效隔水层仅剩余K1铝质泥岩(研究区奥灰顶段主要为较纯的石灰岩，整体富水性强)。对铝质泥岩进行了压水试验，结果显示该段单位吸水量在0～0.000 9 L/(min·m2)，绝大多数集中在0.000 1～0.000 9 L/(min·m2)，在奥灰水压较高区域奥灰水会通过有限的隔水层发生渗流，因此需要对底板破坏深度以下至K2含水层底板层段进行注浆防渗加固。

3 黄土基注浆材料及技术

由本区的底板突涌水条件可以看出，该区水压低、但采动后有效隔水层厚度小，根据段宏飞提出的“基于抗渗强度的底板突水评判模型”[14](式(2))，可以看出底板岩层阻水性能跟岩石的抗水性、综合强度条件、底板岩层的实际受力状态等因素有关。

Pzi为底板第i层隔水岩层的平均阻水强度，其物理意义为每米完整岩柱能够抵抗的极限水压力，单位为MPa/m。其数值按下式确定：

式中，σci为底板第i岩层岩石(岩块)的膨胀界限抗渗强度，由伺服渗透试验获得，MPa；αi为底板第i岩层平均阻水强度换算系数，m-1。

因此，针对本区突涌水特性，为提高有限的隔水层的膨胀界限抗渗强度，采用黄土基材料为主料，水泥为辅料作为底板注浆材料对岩体进行抗渗性和抗压性的加固。

3.1 黄土基注浆材料性能测试

(1)黄土的基本物理指标

本着就地取材的原则，由于注浆层位的地质、水文条件一般可以采用黄土单浆液，即采用的是地表出露的离石组黄土作为主要注浆材料，因此对区内的离石黄土进行取样测试。离石黄土的基本物理力学性质见表2，对不同深度的离石黄土进行了颗粒分析、塑液限测试，结果见表3。由表3可以看出区内离石组黄土粉粒含量最大，其次为黏粒和砂粒，为粉土或粉质黏土。砂粒的存在会造成注浆防渗效果的下降，需要去除。

将离石组黄土进行X光衍射分析，结果如图2所示。由图2可以看出，离石黄土含有较多的蒙脱石、高岭石、伊利石，有部分伊蒙混成、绿泥石等黏土矿物，其中蒙脱石含量分别为24%，属于高含量，而蒙脱石对黏性土渗透性影响最为明显，蒙脱石的矿物晶体结构决定了其吸水的高膨胀性，蒙脱石遇水膨胀使得黏性土孔隙变小，从而造成黏性土渗透性变小。

综上，底板注浆基础材料(离石黄土)天然状态下以粉粒为主，蒙脱石、伊利石矿物含量高，且广泛分布、易获取，因此可作为注浆的基础材料。为提高其相关性能，需要去除砂粒成分，增加黏粒成分，从而提高相关的注浆防渗性能。

表2 离石黄土基本物理力学性质指标

Table 2 Index of physical and mechanical properties for Lishi loess

含水率/%密度/(g·cm-3)比重孔隙比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa无侧限抗压强度/kPa9.2～20.81.75～2.112.69～2.710.47～0.7638～10127.9～33.80.08～0.257.0～22.1119～159

表3 离石黄土颗分试验成果Table 3 Results of particles partial test for Lishi loess

土样编号取样深度/m颗粒百分比/%砂粒0.5～0.250.25～0.075粉粒0.075～0.005黏粒<0.005液限/%塑限/%塑性指数土体命名14.20～4.358.772.918.428.618.110.5粉质黏土24.82～5.1016.463.719.926.215.810.4粉质黏土夹砂35.73～5.7532.049.418.624.916.28.7粉质黏土夹砂

图2 离石黄土X射线衍射光谱

(2)利用奥灰水制备的黄土浆液性能测试

浆液的性能主要由3个方面决定，即浆液扩散性(以黏度表征)、浆液防渗性(以渗透系数表征)和浆液抗压性(以无侧限抗压强度表征)。因此，本次对比实验测试了超纯水和奥灰水制备黄土的浆液性能，其中黄土过筛120目制备，超纯水通过纯水仪制备，奥灰水选用洁净高矿化度奥灰水。相关测试成果见表4，其中渗透系数是采用变水头试验测试最优含水率下的土样渗透系数，单轴抗压强度是采用无侧限压力仪测试的最优含水率下的土样单轴抗压强度，黏度是采用马氏漏斗测试水固比1∶1浆液的黏度：

表4 黄土浆液性能对比测试成果

Table 4 Contrast test results of performance for loess slurry

黄土浆液配制的液相渗透系数/(10-5cm·s-1)单轴抗压强度/kPa黏度/s超纯水1.98128.530.5奥灰水5.27160.829.1

由表4可以看出利用高矿化度奥灰水配制黄土浆液渗透性下降了62.43%，防渗效果显著提高；利用高矿化度奥灰水配制黄土浆液单轴抗压强度提高了25.14%，抗压性能显著提高；利用高矿化度奥灰水配制黄土浆液黏度下降4.51%，即流动性更好，浆液可注性更好，扩散范围更大。

产生上述效果的主要机理分析认为：

① 奥灰水来自石灰岩地层，因此水中的钙离子含量较高，溶液中钙离子含量增高时，将会和碳酸根离子产生CaCO3沉淀，导致土中孔隙的阻塞，因此浆液的防渗性能有所提高。

② 在黏性土中加入钙离子可以提高黏性土的强度已经得到共识，此结果部分是因为产生了一些沉淀物质的原因。国外有学者进一步研究了NaCl对石灰加固黏性土强度的影响，研究结果表明，在钙离子加固作用外，钠离子对黏性土强度也有提高作用。奥灰水中除了钙离子以往最富存钠离子，因此浆液的抗压性能有所提高。

③ 钙离子的大量加入使得土体双电层结构变薄，土体结构发生絮凝，絮凝会使得浆液的黏度下降，使得其拥有更好的流动性和可注性。

综上，采用黄土浆液时可采用奥灰水联合制备，浆液效果更为显著。

(3) 黄土-水泥注浆材料的制备

由于注浆层位地质、水文条件多变，在相对富水区域需要采用黄土-水泥双浆液，水泥用量按水灰比1∶1比例制浆液后，掺入黄土浆中，其用量占黄土浆液的20%～30%配制。密度达到：1.17～1.21 g/cm3。

3.2 高效注浆系统建设

为了全面改造有限隔水层位，需要大量的浆液注入，因此设计并建设了地表制浆系统，系统分为两大部分：一部分为纯黏性土(黄土)制浆系统(图3(a))；另一部分为水泥-黄土制浆系统(图3(b))。其中，黄土制浆系统核心设备是NL20型高速涡流制浆机和ZDS系列振动除砂机。高速涡流制浆机较低速搅拌制浆和射流法制浆，其主要优势功能是将浆液泌水率进一步降低，更提高了浆液的运移和扩散能力；振动除砂机的主要功能是出去浆液中的杂质和砂粒成分，提高浆液的可注性和抗渗性能。高度机械化的注浆系统可以连续不间断注入黄土浆液，从而达到改造含水层的目的。

图3 黄土制浆系统和水泥制浆系统示意

3.3 工程实例分析

澄合矿区董家河煤矿22508工作面所采的5号煤层底板标高局部最低处已经达到+273 m左右，奥灰水压约1.0 MPa，5号煤层下距奥灰顶界面30～40 m。22508工作面构造相对简单，工作面内基本表现为小褶曲构造，小向斜与小背斜转折处易产生小断层或裂隙构造。底板泥岩、砂岩互层虽然具有一定的阻水性，但由于小断层、裂隙及工作面回采时对底板的破坏，煤层底板有效隔水层变薄，极有可能发生底板奥水突水。

5号煤层的回采前必须进行水害治理，22508工作面回采前进行了防治水工程设计，先物探探查工作面底板富水异常区，针对异常区采用水泥-黄土双浆液注浆，其余区域采用黄土单浆液注浆，而制备黄土单浆液的液相采用制备的奥灰水。22508工作面共设钻场24个(图4)，施工钻孔82个，完成注浆量52 378 m3，注浆改造的目的层为煤层底板下10 m至K2段底板下2 m的层段。在注浆结束后，经过再次直流电法探测验证和后续开采验证，证明注浆工作的效果达到了注浆目的，工作面回采过程中未发生底板突涌水现象，比预测涌水量下降了90%以上。

图4 工作面底板注浆改造示意

建立地面注浆站对5号煤层煤底板灰岩和奥灰岩承压水进行注浆治理后，从目前的应用来看，取得了很好的效果。由于它的连续性，方便造浆和大量注浆，与在传统的井下注浆相比，运料方便、快捷，节省了大量的人力、物力，井下需求人员减少，增加了人员的安全系数，有着无可替代的优越性和可靠性。

4 结 论

(1) 薄隔水层低承压灰岩含水层上采煤，有限的隔水层厚度会造成奥灰水涌入采场，矿井涌水量一般不会造成水害，但持续涌水3 a造成黄河生态湿地岩溶水位下降10 m，控制该区域奥灰涌水量对保护岩溶含水层水位意义重大。

(2) 底板破坏深度主要受底板岩性组合和工作面斜长影响，但在局部构造发育区域底板破坏深度显著增大。

(3) 基于振动除砂机和高速涡流分散制浆机两类核心设备的注浆系统，高效制备了黄土基注浆材料，工程实践证明其对渗漏型的底板涌水治理有显著效果。

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Grouting material and technique in water protection mining above confined water

WANG Su-jian,CHEN Tong,LI Tao,FENG Jie

(1.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710065,China;2.NationalandLocalUnitedEngineeringResearchCenterofGreenSafeandEfficientCoalMining,Xi’an710065,China)

In terms of the problem of the lowering of water level at Yellow River ecological wetland,which is caused by water inrush into coal working face from the thin aquifuge-low confined water limestone aquifer,this paper used numerical simulation,in-situ measurement and mathematical statistics methods to analyze the development rule of the floor failure in mining,and to study the key technology of loess efficient grouting for coal seam floor based on laboratory experiments and grouting industrial experience.The results show that the mine water inrush will be reduced more than 90% by grouting de-sanding-decentralized loess slurry under the depth of floor failure,and the high intensity mining caused no further degradation in semi-arid areas.There is a remarkable ecological benefit to ecological wetland.

water-preserved mining;floor;thin aquifuge;loess slurry

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5017

2016-09-26

2017-10-31责任编辑:韩晋平

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB047100)

王苏健(1963—)，男，陕西韩城人，教授级高级工程师。E-mail:hcwsj@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0134-06

王苏健，陈通，李涛，等.承压水体上保水采煤注浆材料及技术[J].煤炭学报,2017,42(1):134-139.

Wang Sujian,Chen Tong,Li Tao,et al.Grouting material and technique in water protection mining above confined water[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):134-139.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5017