采煤工作面底板突水机理研究及注浆堵水技术应用

刘松

摘 要：金鼎煤业二1煤层开挖后引起应力重新分布使底板岩体应力环境进一步恶化，加剧了底板原有裂隙和结构面的扩展、错动、贯通，甚至产生新裂隙。当这些原生结构面和新裂隙与下伏高压含水层沟通形成导水通道时便导致矿井突水，利用先进注浆堵水技术仅用205天便成功堵水，堵水率100%。

关键词：突水机理；卸荷力学；突水模式；截流堵源

中图分类号：TD74 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0093-02

Research on Mechanism of Water Bursting in Coal Face and

Application of Grouting and Water Shutoff Technology

LIU Song

（Zhengzhou Xianglong Geological Engineering Co.， Ltd.，Xinmi Henan 452371）

Abstract： The stress redistribution caused by the excavation of No.21 coal seam in Jinding Coal Mine further aggravates the stress environment of the floor rock mass， exacerbating the original cracks and structural planes in the floor， expanding， dislocating， penetrating and even creating new fractures. When these primary structures when the surface and new fractures communicate with the underlying high-pressure aquifer to form the aqueduct， it will lead to water inrush in the mine. By using advanced grouting technology， water can be blocked only in 205 days and the water plugging rate is 100%.

Keywords： water inrush mechanism；unloading mechanics；water inrush mode；interception plugging source

金鼎煤业位于河南省汝阳县城西，东西长5.39km，南北宽3.23km，面积17.41km2，主采埋深大于600m的山西组二1煤。2014年12月19日，-328皮带巷距掘进头后40m处发生突水，突水量峰值为5 820m3/h，累计出水量73 000m3，导致矿井被淹[1]。2015年1月7日，首孔开钻至2015年7月29日工程竣工，共完成总进尺为4 766.19m的6个钻孔，注骨料3 599m3、水泥6 533.1t、添加剂40.335t，历时205d成功堵水，堵水率100%。

1 地质概况

井田位于汝阳断陷盆地北东部，属河南地层综合分区中华北地层区豫西分区渑池-确山小区，其西部和北部以低山丘陵的山脊分水岭为界，东部和南部以断层F33、F11为界，区域上的断裂主要有北西-南东向和北东-南西向两组，区内与含煤地层关系密切的有4条断层。

2 水文地质

大气降水是区域地下水的主要补给源，接受大气降水补给后，地下水沿着一系列向南倾斜的岩石层面、裂隙及溶隙向下游运移，在南部和東部被F33、F11阻水断层切断。此区中、上寒武系白云岩之上覆盖着巨厚的白垩系隔水层，因而形成承压斜地的高水头承压区。

2.1 含水层

区域内出露并分布有松散层岩类孔隙含水层、碎屑岩类裂隙孔隙含水层和碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。①第四系孔隙含水层为潜水含水层，主要分布于河谷及其两侧阶地上，由近代河流冲积物组成；②古近系砾岩裂隙孔隙含水层，岩性由泥质胶结、固结程度差的砾岩组成，孔隙发育，富水性弱；③二1煤层顶板大占砂岩裂隙含水层是二1煤层顶板直接充水含水层；④太原组灰岩岩溶裂隙含水层是二1煤层底板直接充水含水层；⑤寒武系白云岩岩溶裂隙含水层。

3 突水分析

3.1 突水过程

2014年12月16日16：00，-328轨道巷距掘进头后16～36m处发生底鼓。19日10：00，-328皮带巷距掘进头后40m处底板底鼓并向外渗水；10：35皮带巷左帮涌水量20m3/h；11：35涌水量达150m3/h；随后涌水量快速增大并在16：30达到峰值5 820m3/h。22日03：00，水位稳定在+313.01m，累计涌水量7.3万m3，矿井被淹。

3.2 突水水源

本次突水水量大、增长快、补给充分，结合水质化验结果可以确定突水水源为寒武系白云岩岩溶裂隙水。

3.3 导水通道

太原组灰岩岩溶裂隙含水层及寒武系白云岩岩溶裂隙含水层为二1煤层底板直接和间接充水含水层，二者在高水压作用下都具有一定的原始导升高度，煤层开挖后重新分布的地应力诱发了采动裂隙与下部原始导升裂隙贯通导致出水，出水后在地应力和高水压联合作用下进一步扩展、撕裂导水通道，致使突水水量进一步增大。

4 突水机理

4.1 动力条件

本次突水点标高-323.80m，水位稳定在+313.01m，水压大于6MPa。区内石炭系地层（平均厚27m）直接和寒武系灰岩不整合接触。据公式（1）可计算突水系数：

[T=P/M ] （1）

式中：[T]为突水系数，MPa/m；[P]为底板隔水层承受的水压，MPa；[M]为底板隔水层厚度，m。通过计算可得突水系数=0.22MPa/m。参考经验值，底板受构造破坏块段突水系数一般≤0.06MPa/m，正常块段≤0.10MPa/m，否则存在底板突水危险。因此，高水压和底板有效隔水层厚度薄是导致本次突水的动力条件。

4.2 突水模式

受地质构造控制，在采煤工作面底板支承力作用下极易造成断裂的剪切滑动及其派生的节理与含水层导通。若构造和裂隙形成的导水通道处于拉剪状态时，导水通道是开放的，很容易造成采动沟通型突水；反之，处于压剪状态时导水通道是闭合的，在高应力和高承压水联合作用下断层带物质逐渐被弱化，其水力开度和透过率增大，容易造成构造和裂隙采动导通型突水。

5 治水方案要点

本次属特大型寒灰突水，突水初期两条巷道均出现底鼓现象。该底鼓区在注浆过程中可能承受不住注浆压力形成突破造成次生突水，应选择先截流后堵源的“截流堵源”思路进行水害治理。

6 实施步骤

打钻透巷封堵突水点后延深钻孔注浆封堵突水水源和导水通道，后期进行探查加固至彻底根除水患。

6.1 钻孔布设

注浆堵水工程共布设注浆孔4个（皮带巷为注1孔、注3孔，轨道巷为注2孔、注4孔），检查加固及堵源孔2个（注5孔、注6孔）。

6.2 注料工程

通过4个透巷孔向巷内充填不同粒级、合理配比的骨料，使巷内水流由管道流变为渗透流，然后通过注浆使之固结形成人工堰塞段，以截断巷道涌水的外泄通道。

6.3 注浆工程

骨料填充至巷顶或巷内单位吸水量较小时，管道流即变为渗透流。此时，利用透巷孔对巷内骨料进行注浆加固，浆液在高压驱动下充填裂隙形成人工挡水墙实现巷道截流，然后采用下行法注浆加固底板，直至终压终量终孔。

7 堵水效果

7.1 水量对比

矿井突水峰值达5 820m3/h。通过注浆加固，原突水點被彻底封堵，堵水率达100%。

7.2 终压终量

堵水工程设计要求钻孔受注层注浆结束后均达吸浆量小于50L/min，孔口压力为3～4MPa，稳压时间不少于20min的标准，实际施工每次终量都小于50L/min，终压都在4.0～6.0MPa，稳压时间为25～30min。

8 结论及建议

8.1 结论

本工程所堵水源为寒武系灰岩水，其大水量、高水压给堵水工程带来较大困难，采用合理科学的钻孔布设、“截流堵源”方案，使堵水工程得以高效、经济地完成。

8.2 建议

①本次水害治理对采煤工作面底板进行了卓有成效的注浆加固，但局部仍可能存在薄弱带，若遇富水区应先进行疏水降压试验，做好预注浆工作。

②因矿井水文地质条件复杂，建议矿方加强水文地质勘探，并建立水文地质观测网，查明断层导水性质，查清矿井水的补、径、排条件及各含水层之间的水力联系。

参考文献：

[1]费新卿，蒋绍永.河南大峪沟煤业集团炭煤矿突水机理分析与治理[J].河南理工大学学报（自然科学版），2012（4）：392-396.