大型烧变岩帷幕预注浆工程的即时检验技术

柴建禄，姬中奎，杨 帆，张 池，任智智，杨志斌，罗安昆

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719316)

在以堵水为目标的矿井注浆工程中，注浆工程大致可以分为两类，一类是矿井发生突水的后注浆，一类是为了预防矿井突水的预注浆。按照这个划分方法，矿井突水抢险时的巷道截流注浆[1-3]和突水点堵源注浆[4，5]等均为后注浆，而薄层灰岩底板改造、奥灰区域治理、陷落柱超前治理等属于预注浆[6-10]。预注浆和后注浆不同，后注浆是一种即时响应性注浆，虽然难度很大，但注浆效果直观，从突水点的残余水量可以判断堵水效果，技术人员和决策者容易统一认识。而预注浆由于时间和空间的超前性，工程效果往往不直观，缺乏即时响应性，由于技术水平及其他原因，效果已达标可能认为还没注好，效果未达标可能误以为注好了，给项目后续进展带来很大不确定性，甚至可能留下安全隐患。因此，矿井预注浆工程最好有一套效果即时检验方法，能在采掘前的工程中预知注浆效果，而不是滞后检验甚至用采掘生产来验证。

我国烧变岩帷幕预注浆工程案例很少，陕煤集团神木市张家峁煤矿烧变岩帷幕预注浆工程总投资超过4000万，工程事关两个大型综采面和一个中型水库，以该工程为例研究烧变岩帷幕预注浆工程的即时检验方法，对于张家峁煤矿安全生产和水库水资源保护具有非常重要的现实意义，对于提高烧变岩预注浆乃至其他预注浆工程的技术水平，具有一定的参考价值。

1 烧变岩帷幕预注浆工程概况

1.1 矿井及工作面概况

张家峁煤矿主采侏罗系延安组煤层，是一座年产千万吨的特大型现代化矿井，井田内多个煤层烧变，井田中部有常家沟水库。常家沟水库是神木市最大的水库，最大库容1200万m3，蓄水量一般500～600万m3。根据矿井采掘布置，开采5-2煤的15207和15208工作面距离水库较近，工作面走向约2300m，两个工作面上部均覆盖有4-2煤烧变岩。经前期探查，4-2煤烧变岩与常家沟水库有水力联系，烧变岩含水层富水性强。5-2煤与4-2煤间距约75m，5-2煤厚度为5.6m，若不采取措施，开采后一方面工作面乃至矿井存在安全隐患，另一方面还会造成水库水资源的大量流失。

1.2 帷幕区地形地质条件

帷幕区位于张家峁井田中部、常家沟水库北岸，帷幕区东侧为陈家塔沟，沟中有一个间歇性泉，陈家塔水潭是一个水位低于4-2煤烧变岩、与常家沟水库无水力联系的水塘，陈家塔沟谷西岸有4-2煤烧变岩直接露头，帷幕区西侧为4-2煤火烧区边界，如图1所示。帷幕区地层自上而下为风积沙(Q4eol)、离石组黄土(Q2l)、保德组红土(N2b)和延安组岩层(J2y)，延安组岩层自上而下为基岩风化带、4-2煤烧变岩、4-2煤底板岩层和5-2煤，如图2所示。研究区主要含水层自上而下为风积沙含水层、风化带含水层、4-2煤烧变岩含水层及延安组含水层，4-2煤开采主要充水含水层为4-2煤烧变岩含水层和延安组含水层，延安组4-2煤与5-2煤顶板含水层均为弱富水含水层，图1中帷幕线内外阴影部分代表水库水浸入火烧区的范围。

图1 帷幕区地形地质及帷幕工程平面示意图(m)

图2 帷幕区地层简易柱状图

1.3 帷幕预注浆工程设计

根据工作面与水库空间关系及帷幕区地形地质条件，在工作面切眼外侧布置一个“一字型”帷幕，如图1所示，帷幕东至陈家塔沟，西至4-2实煤体，帷幕总长度620m，帷幕下至4-2煤烧变岩下新鲜基岩5m，上至烧变岩顶部，帷幕平均深度约60m。帷幕设计两排钻孔，外排帷幕孔距离切眼50m，如图3所示，帷幕排间距8.66m，两排孔错开呈正三角梅花形，所有钻孔的孔间距10m，见图1。注浆孔一开Φ219mm/Φ190mm，进入到基岩中1m防止土层坍塌，二开Φ153mm/Φ127mm，进入到烧变岩中，三开Φ108mm为注浆段。注浆浆液分别为PO42.5水泥单液浆、水泥-粉煤灰混合浆和水泥-水玻璃双液浆，注浆采用孔口封闭分段下行式工艺，要求在注浆压力4MPa、泵量60L/min情况下时持续注浆15min结束注浆，压水试验中要求单孔单位吸水率q≤0.005L/(min·m·m)。帷幕预注浆工程实施后，15207和15208工作面采后涌水量均不得超过100m3/h。

图3 5-2煤、4-2煤烧变岩、水库、 帷幕孔关系剖面示意图(m)

2 帷幕预注浆即时检验方法研究

2.1 即时检验方法的研究思路

上述工程设计中钻孔注浆结束有两个技术指标[11，12]，一个是压力、泵量、时间的P-Q-t指标，一个是单位吸水率q指标。P-Q-t指标要求单孔在高压力、小泵量的情况下稳压一定时间才能结束注浆，因为不能仅靠高注浆压力，还要在小泵量的情况下持续一段时间；单位吸水率在参照注浆压力和泵量的同时，还考虑了钻孔受注段的长度，能在单位长度上反映注浆压力和注浆量。分析可知，上述两个指标其实都只是单孔结束技术指标，难以从宏观层面检验帷幕整体效果，不能认为单孔达到要求了，整个帷幕工程的效果就达标。

烧变岩是煤层燃烧围岩融化、烧结和烘烤后形成的一种特殊岩层[13，14]，烧变岩中既有类熔岩带的孔隙，也有坍塌和烘烤后形成的裂隙，还有烧变岩边界过渡到实煤体处的空洞，帷幕区4-2煤烧变岩裂隙十分发育，既有水平裂隙也有垂向裂隙，且裂隙之间的贯通性非常好，有利于浆液较为均匀地的扩散与运移。在这种地质条件下，烧变岩帷幕预注浆工程的即时检验方法可从帷幕带烧变岩在施工中的变化和帷幕内外水文地质单元在施工中的差异两方面入手，简言之，烧变岩帷幕预注浆的即时检验方法可从“一带(帷幕带)两区(帷幕内外水文地质单元)”两个方面进行研究。

2.2 注浆前后帷幕带烧变岩变化分析

注浆工程实施后，帷幕带烧变岩的裂隙、孔隙、空洞等受注介质将会被浆液充填，烧变岩会逐渐由含水层改变为隔水层。具体施工过程中，帷幕带烧变岩在注浆前钻探中可能有掉钻空推，钻遇烧变岩后冲洗液会大量漏失，成孔后钻孔水位略低于水库，钻孔取心率低；烧变岩注浆后，由于裂隙等介质已被浆液充填，钻探中很难出现掉钻空推，冲洗液消耗小甚至不消耗，钻孔水位将高于水库，钻孔取心率高。帷幕带烧变岩前期注浆中，钻孔注浆量大，起压时间长，后期随着烧变岩裂隙逐步被充填，钻孔注浆量小，起压时间变短。

2.3 注浆前后帷幕内外水文地质单元差异分析

注浆工程实施前，水库水和工作面上部4-2煤火烧区有水力联系，火烧区受水库水补给钻孔水位低于水库水位，陈家塔沟中的间歇泉受水库水位波动间歇性有水，水库水通过火烧区向泉点排泄，5-2煤工作面上部整个4-2煤火烧区烧变岩是一个统一的含水层，水位受常家沟水库控制。若帷幕工程的效果良好，帷幕工程实施过程中，帷幕内外两个水文地质单元中外部单元将仍与水库水保持水力联系，与水库水位同升同降，内部单元将逐步与水库失去水力联系，陈家塔沟泉水将逐步断流，工作面顶部烧变岩水会渐渐成为静储量水，在泉水排泄下钻孔水位会下降。

3 帷幕预注浆即时检验方法实施

根据以上分析，烧变岩帷幕预注浆即时检验方法有两个，一个是分析“一带”中帷幕带上烧变岩裂隙等充填情况，具体可通过钻探揭露和注浆反馈实现，一个是“两区”中对帷幕内外水文地质单元进行对比，具体可对比泉水流量变化和钻孔水位。

3.1 帷幕带即时检验情况

3.1.1 钻探揭露

张家峁矿烧变岩帷幕预注浆总体先施工靠近切眼的内排孔再施工外排孔，同排孔分序次注浆。钻探施工中，根据现场观测，内排帷幕前序孔冲洗液消耗漏失非常严重，经常出现15m3/h全泵量失返的情况，个别孔有掉钻现象，钻孔取心率低，整体上不超过60%，钻孔水位标高约为+1134～+1135m，低于水库水位的+1136～+1137m。随着前序孔注浆的逐步进行，后序孔钻探中冲洗液漏失越来越小，多数漏失量5～10m3/h，钻孔水位经常在+1150～+1170m之间，高于水库水位，钻探中很少有掉钻现象，个别钻孔返出泥浆中可见水泥，钻孔取心率高，整体上超过75%。后期靠近水库的部分外排钻孔施工中，冲洗液几乎没有消耗，起钻后可直接看到孔内水位。帷幕注浆中施工有检查孔，检查孔的取心率超过90%，岩心上可见烧变岩裂隙被水泥充填，图1中C08孔钻进至烧变岩后冲洗液全部漏失，终孔后钻孔水位+1134.83m，钻孔取心率55%；后序施工的C06孔进烧变岩后漏失量7m3/h，终孔钻孔水位+1159.65m，钻孔取心率76%；外排施工的C03孔进烧变岩几乎无消耗，终孔钻孔水位+1182.27m，钻孔取心率高达83%。

3.1.2 注浆反馈

注浆中对钻孔注浆量及注浆时长进行了观测，前序孔注浆中注浆量普遍非常大，一般单孔约为200～400t，注浆时间长起压慢，帷幕中部区域钻孔注浆时间一般2～4d。随着注浆进行，尤其等到内排孔钻探注浆完成后，外排孔注浆中注浆量普遍较小，单孔为50～100t，注浆所用的时间短，一般1～2d，不少钻孔根本不用注浆，可以直接封孔进行下一个钻孔施工。如图1中的前序C08孔注浆量273.37t，前后注浆时间3d，后序C06孔注浆量114.48t，注浆用时2d，后排C03孔注浆量13.63t，1d内完成注浆。

3.2 帷幕内外即时检验情况

3.2.1 泉水观测

烧变岩帷幕工程从2017年2月3日开始注浆，注浆过程中对帷幕内陈家塔沟泉水进行了持续观测。2月份泉一直有水，水量约为15m3/h，随注浆工程的进行，在常家沟水库水位一直上升的情况下，泉点水量逐渐减少，3月13日沟谷下游出现断流，3月19日泉水完全干涸。

3.2.2 水位对比

帷幕工程布置了3个水文孔，如图1所示，W5孔在帷幕线外，W2孔和W3孔在帷幕线内，注浆期间对水库和水文孔水位进行了观测，水文孔窜浆凝固后停止观测，如图4所示。由图4可知，观测期间水库水位一直处于上升中。帷幕外的W5孔水位比水库低，至4月9日一直上升，上升趋势与水库水位一致，4月3日与4月9日水位受注浆影响有波动。W2孔从2月底开始观测，水位高于水库，原因是W2孔受注浆影响水位略有抬升，但此后水位整体上为下降趋势。W3水位低于W5孔，观测期间水位受注浆压力干扰有起伏，水位高于水库，但整体也呈下降趋势。图4表明，帷幕工程实施中，帷幕外部钻孔水位和水库水位一致，整体呈上升趋势，帷幕区内部钻孔水位与水库水位相反，整体呈下降趋势。

图4 帷幕内外钻孔及水库水位历时曲线

3.3 即时检验结果分析和验证

帷幕带烧变岩后期钻探揭露和注浆反馈中冲洗液消耗变少、钻孔水位变高、取心率高、后期注浆量小甚至不注浆，表明随着帷幕工程的进行，帷幕带烧变岩裂隙等逐步得到了充分充填。在帷幕外水库和观测孔水位同步上升的情况下，帷幕内泉水断流和钻孔水位下降表明，预注浆已逐步切断了帷幕内外之间的水力联系，帷幕工程取得了好的效果。

图5 15207工作面采前钻孔疏降水量历时曲线

15207工作面回采前，井下进行了采前顶板疏放水，放水中钻孔水量逐步衰减至无水，如图5所示，表明帷幕内烧变岩水已失去水库补给成为静储量水。15207和15208工作面回采后，工作面涌水量均不超过5m3/h，回采证明帷幕工程效果良好，远小于要求的涌水量。实践表明，烧变岩帷幕施工中采用的“一带两区”即时检验方法思路正确，结论可靠。

4 结 论

1)对于即时响应性不明显的大型烧变岩帷幕预注浆工程，根据烧变岩和帷幕工程的特点，即时检验工作可从帷幕带烧变岩受注介质在施工中的变化和帷幕内外水文地质单元在施工中的差异即“一带两区”两方面入手。

2)烧变岩帷幕带受注介质在施工中的变化可通过钻探揭露和注浆反馈进行分析，钻探揭露中可分析冲洗液消耗、空推掉钻、钻孔水位、取心率等内容，注浆反馈中可分析钻孔注浆量和注浆时长。

3)烧变岩帷幕内外水文地质单元在施工中的差异可通过内外单元钻孔水位变化和泉流变化进行对比分析。