巴拉素煤矿强富水煤层注浆改造设计

刘 洋，王春刚，梁向阳，方 刚

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

榆横北区位于陕北侏罗纪煤田中西部的榆阳区和横山县境内，面积3 200 km2，探明煤炭储量270亿 t，共规划 11 个井田，建设规模3 300 万 t/a。目前，整个榆横北区仅小纪汗煤矿和袁大滩煤矿为生产矿井，其他矿井正处于基建或勘探阶段。作为生产矿井的小纪汗煤矿和袁大滩煤矿，在井筒揭露2 号煤层及后期开采过程中，均发生了煤层突水事故[1-2]。小纪汗煤矿进风井筒由于未采用冻结法施工，在揭露 2 号煤时，煤层涌水量 80 m3/h、水压 2.2 MPa，连续排水超过1 个月，水量未出现衰减，在采取单液浆、双液浆及化学浆等多种方式无果的情况下，矿井最后将设置在 2 号煤中的马头门底板标高上调20 m，以避开出水煤层段；袁大滩煤矿回风立井在揭露2 号煤时，瞬时涌水量最高达305 m3/h，连续排水2 个多月水量未出现衰减，最后矿井采用加大排水能力，超前疏放掩护掘进的方式完成马头门施工。这2 个矿井在后续掘进煤层巷道过程中，一直饱受2 号煤出水的影响，仅能通过疏放水的方式掩护巷道掘进。

从上述矿井井筒开凿过程中煤层出水情况表明，2 号煤层水已经严重影响榆横北区矿井建设进度。目前，在井筒开凿阶段，由于井筒无法形成稳定的排水系统，临时排水设施的排水能力较低，井筒一旦揭露强富水、高压力的煤层水，安全风险极高，防治措施采取不当，极易造成井筒被淹事故的发生，当前主要采取疏放水或注浆改造2 种措施，疏放水易实行但放水时间无法确定，加之矿井建设初期外排水处理能力低，且涉及水资源费及环保政策等一系列问题，矿方一般不会采取该种措施；煤层注浆改造不但能够快速封堵马头门出水部位，减少甚至消除矿井涌水量，使矿井的建设进度按照计划工期进行，还可以为井筒周边2 号煤层内附属硐室的安全掘进提供条件，因此该措施得到煤炭企业的普遍认可。然而，针对石炭-二叠纪煤层开采面临底板奥灰水威胁，煤层底板含、隔水层注浆改造及加固的报道较多，对煤层自身进行注浆改造却尚未见报道，根据调研，也有部分矿井如小纪汗袁大滩等矿井也开展过煤层注浆堵水工程试验，但是均以失败告终。据此，以巴拉素煤矿副立井马头门过强富水2号煤为例，根据煤层出水特征及裂隙发育特点编制针对性的注浆设计，为出水煤层封堵改造提供依据，以大幅度减小井筒涌水量，确保马头门及相关硐室的正常掘进。

1 工程概况

巴拉素煤矿为陕西延长石油集团正在筹建的1个大型现代化矿井，地处毛乌素沙漠边缘，井田南北长约 22.5 km，东西宽约 13.4 km，总面积 300.40 km2，采用全立井开拓方式[3-4]。在井田中部场地布置主立井、副立井、中央回风立井。其中副立井设计为圆形断面，井筒净直径 φ10.5 m，净断面积 86.59 m2，井口标高＋1 205.500 m，井底标高＋ 674.15 m，井筒垂直深度 531.35 m。

巴拉素煤矿副立井井筒已落底，在准备掘进2号煤马头门时，根据井筒防治水设计，掘进前矿方在井筒2 号煤位置针对待掘马头门进行了超前探放水。2018 年7 月19 日，矿方在东侧马头门施工了的1 个煤层探放水孔，在钻进至5 m 时钻孔开始有少量出水（2 m3/h），至 52 m 时出水量为 35 m3/h，停钻测水温为 22.5 ℃，水压为 2 MPa，水质清澈，有硫磺味，一直开孔放水至7 月21 日，水量未出现衰减。2018 年7 月21 日，矿方在副立井西侧马头门施工了1 个煤层探放水孔，钻进至9.5 m 出水量约19 m3/h，水温 22.5 ℃，水压 2.0 MPa，水质清澈，有硫磺味。疏放水钻孔关闭后，两侧马头门煤壁开始出水，随着冻结圈解冻范围扩大，水量持续增大，截至8月2 日，两侧马头门煤壁涌水量稳定在180 m3/h。根据东侧马头门探放水孔的水压观测，通过15 d 的马头门出水，初始水压力由 3.2 MPa 稳定至 3.0 MPa，副井马头门总出水量虽然近6.5 万m3，但总涌水量未见衰减，含水层水压力衰减缓慢。

针对副井马头门出水情况，现场第一时间取水样进行了水质全分析，并在随后间断取样进行了化验，截至7 月31 日，共取水化学样品3 组，测试结果的矿化度为 5 293.53～5 744.17 mg/L，水质类型为SO4-Na·（Ca）。通过与水文补勘阶段各含水层水化学特征对比，初步判定充水水源为2 号煤煤层水。

根据勘探报告[5]结果，巴拉素井田内2 号煤含水，水位埋深 21.12～117.25 m，水位标高＋1 104.96～＋1 216.23 m，单位涌水量0.002～0.034 L/（s·m），渗透系 0.060～1.173 m/d，富水性弱。与副立井最近的DCC-1水文勘探孔揭露的2 号煤水位标高为＋1 054.96 m，副立井揭露的2 号煤底板标高为＋721.6 m，据此得出副立井揭露的2 号煤承受水压为 3.53 MPa，与出水煤层观测的水压基本相同。

从水质、水压及钻孔实际揭露情况分析，最终确定副立井出水水源为2 号煤层水。由于副井马头门涌水量大，矿井地面外排水压力较大，加之经过近15 d 的疏放，水量衰减程度不明显，因此对副立井2号煤出水位置进行注浆封堵是最可行的方案。

2 注浆堵水

2.1 总体设计

巴拉素煤矿副立井井筒刚落底，井筒排水能力及矿井外排水能力均不足，因此本次注浆堵水设计的总体思路是采用新材料、新工艺进行“引流注浆，帷幕封堵”，在待掘马头门巷道周围注浆形成止水帷幕[6-7]，将掘进巷道与含水煤层隔开，减少井筒涌水量，保障马头门巷道的安全掘进。

本次工程目标是单侧马头门掘进过程中涌水量不超过30 m3/h，为后续2 号煤层马头门掘进及砌碹提供安全保障，方案总体分为4 步：

1）对马头门上部40 m 井筒范围内壁间及壁后环形空间进行充填注浆，避免煤层水封堵后水位上升，加速冻结孔及冻结壁的解冻速度。

2）在待注浆堵水区域周边施工一定数量疏水泄压钻孔，通过集中放水截流，降低待注浆区域内煤层水压力，并在注浆过程中起到引流注浆作用。

3）对2 号煤内待掘马头门两帮及迎头影响范围内施工一定数量注浆孔，采用水泥浆和双液浆相结合的方式，对煤层孔隙、裂隙进行注浆改造，单孔注浆过程采用见水就堵的注浆方法；注浆孔在煤层顶板砂岩中开孔，并在砂岩段安装止水套管。

4）对注浆改造区域施工检查孔，通过单孔压水试验、出水量指标检查注浆效果，对不满足要求的区域，通过检查孔进行补充注浆。

通过上述4 个注浆过程，最终实现副立井2 号煤两侧马头门的注浆封堵，总体目标为注浆工程实施完毕后，副立井2 号煤马头门单侧涌水量不超过30 m3/h，两侧总涌水量≤50 m3/h。

2.2 防隔水煤岩柱

《煤矿防治水细则》中防隔水煤岩柱宽度计算公式见下式：

式中：L 为巷道迎头或侧帮与含水层间安全隔水煤（岩）柱宽度，m；K 为安全系数，取值 2.5；M 为巷道跨度，m；p 为岩（煤）柱承受的水头压力，MPa；KP为水岩（煤）柱的抗拉强度，0.5 MPa。

根据《巴拉素井田水文地质补充勘探报告》2 号煤的饱和抗拉强度KP为0.5 MPa，副立井井筒直径为 10.5 m，煤层最大水压力为 3.0 MPa，求得防隔水煤岩柱宽度L=17.5 m。根据《煤矿防治水细则》第九十三条规定，防隔水煤岩柱的尺寸不得小于20 m。安全起见，本次设计安全隔水煤岩柱宽度取值20 m。

2.3 马头门上部井壁注浆

进行马头门上部井壁壁间、壁后充填的主要目的：是防止封堵后的高压煤层水沿着外层井壁环形空间向井筒上部流动，加速井壁围岩冻结圈及冻结孔的解冻速度，将延安组、直罗组及洛河组含水层水导入井下；防止对马头门施工及后续稳定性产生影响；防止引发次生灾害[8-9]。

本次马头门上部壁间、壁后环形空间充填利用现有的预埋注浆孔进行施工，由于是局部止水注浆，只需在-490 m 及-470 m 施工 2 排孔（6 孔/排，共12 个注浆孔），按照设计要求完成注浆工作即可，注浆压力一般以能克服注浆管道阻力和静水压力为宜，但必须小于井壁能够承受的压力。井壁能够承受的压力按以下公式确定：

式中：pj为注浆处井壁能承受的压力，MPa；f 为井壁材料允许抗压强度，50 MPa；B 为井壁厚度，1 200 mm；R0为井筒内半径，4 000 mm。

计算出井壁能够承受的压力为10.2 MPa。在实际注浆过程中，由于注浆段井筒深度不一，注浆结束标准存在差异，施工时按下式进行动态调整：

注浆孔达到设计终压并稳定2 min，方可结束单孔注浆。计算得到-490 m 处注浆孔压力为5.9 MPa，-470 m 处注浆孔压力为 5.7 MPa。

2.4 泄水孔

施工泄水孔的主要目的降低带注浆区域的水压，在注浆过程中起到引流注浆的作用，并确定注浆影响半径，关键时刻可以起到补充注浆的作用。

1）钻孔结构。泄水孔一开孔直径为φ127 mm，孔深17 m；套管固结，套管孔径为φ108 mm，套管长度16 m；二开用φ94 mm 无芯钻头钻进至设计孔深。

2）钻孔布置。副井马头门泄压孔布置平面图如图1。平面上，在副立井2 号煤马头门东、西两侧各布置5 个泄压孔，钻孔终孔位置为注浆范围以外5 m。考虑到副井周围有1 圈冻结管，为避免钻孔施工过程中，碰到冻结管，钻孔平面设计避开冻结管。剖面上，泄压孔开孔位置为煤层底板以下3 m，在底板粉砂岩中开孔，保证孔口管可以完整地固定在岩层中；相邻钻孔开孔位置间距为1.5 m；钻孔穿过煤层，进入底板砂岩1 m 后终孔。

2.5 注浆堵水设计

2.5.1 注浆钻孔

1）钻孔结构。钻孔结构同注浆孔。

2）钻孔布置。平面上，注浆钻孔覆盖范围为巷道两帮各20 m 范围及待掘巷道迎头20 m 范围；钻孔终孔位置平距为35 m，在两侧马头门分别布置13 个注浆孔，考虑到副井周围有1 圈冻结管，为避免钻孔施工过程中，碰到冻结管，钻孔平面设计避开冻结管，副井马头门注浆孔布置平面图如图2。剖面上，钻孔开孔位置为2 号煤层顶板砂岩中，开孔位置距离煤层顶板3～4 m，同一排相邻2 个钻孔开孔位置间距为 0.7 m。

官方资料显示，郝建华，女，出生于1969年5月，河北涉县人，在职研究生学历，1996年3月加入民革。1994年12月，她在山西省政府法律服务处（三晋律师事务所）工作，于2005年7月起任山西佳镜律师事务所主任。

图1 副井马头门泄压孔布置平面图Fig.1 Pressure relief hole design plan of auxiliary shaft inset

图2 副井马头门注浆孔布置平面图Fig.2 Grouting hole design plan of auxiliary shaft inset

副立井2 号煤东、西两侧马头门共设计26 个深部注浆孔，累计进尺892 m。为防止注浆效果达不到预期目标，在东西两侧马头门各设置3 个机动孔，孔深40 m。即本次设计注浆孔累积孔深1 132 m。

2.5.2 注浆工艺参数

1）注浆材料。首先，采用水灰比 3∶1 的 P.O42.5R 水泥进行地面高压劈裂支撑注浆，达到8 MPa 的注浆设计压力后停止注浆，其质量须符合GB 175—2007国家标准；其次，采用水灰比3∶1、比表面积600 的高性能水泥基注浆料进行恒压渗透充填注浆，增加浆液扩散半径，强化孔隙、裂隙充填密实度，提高煤层整体抗水压强度；造浆用水水质须满足JGJ 63—2006 国家混凝土用水标准其 SO42-浓度应＜2 700.0 mg/L，pH 应＞4.0。

2）注浆工艺。帷幕注浆堵水治理注浆采用孔口封闭静压前进式分段注浆法。注浆开始前，先进行压水，注浆过程中若吃浆量大，可用稠浆进行注浆或采用间歇式注浆法。若吃浆量小，可用稀浆进行注浆。注浆时首先采用P.O42.5R 水泥进行地面高压劈裂支撑注浆，达到注浆设计压力后，再采用比表面积600 m2/g 的NF 高性能水泥基注浆料进行恒压渗透充填注浆，达到设计压力后注浆结束。单回次注浆起压等凝后，进行扫孔再注浆，若能吃浆则须继续注浆，然后再扫孔，直至扫孔不吃浆，则继续向前钻进，如此循环式前进。煤层注浆时孔口终止压力不大于10 MPa，由于注浆工程的特殊性，施工中可根据现场情况进行调整，如遇到较大垂向通道可能造成浆液大量漏失时，可采用间歇注浆方式对钻孔进行升压。

3）注浆压力。注浆压力的大小直接影响到浆液扩散距离和有效充填范围。由于本方案钻孔间距较大，浆液压力较小时扩散范围有限，为了提高注浆效果，增加扩散距离，注浆过程中遇到细微裂隙时，采用高压稀浆灌注工艺，使原有裂隙通道变大，沟通无效封闭裂隙，提高充填效果[10-11]。根据以往注浆经验[11-12]，注浆总压力应不小于受注含水层最大静水压力。根据水文地质补充勘探结果，2 号煤水压3.8 MPa，为提高注浆效果，注浆总压定为静水压力的2 倍，即注浆终压不小于 7.6 MPa，按照密度为1.5 kg/cm3的水泥浆计算，本地区注浆孔口终压不大于8 MPa。

4）注浆程序。程序为：①注浆前先疏放水10～15 min，并控制好疏放水量，将沉积在孔内的煤岩粉冲出；②对注浆设备、注浆管路进行打压试验，地面试验的最大压力不超过6.0 MPa，井下最大压力不超过10.0 MPa；③造浆：水泥浆由稀到稠，再根据注浆压力、泄水孔压力及钻孔涌水量进行反应速度的调整；④注浆：注浆过程中根据进浆情况随时调节泵压、泵量及浆液浓度。一般要连续注浆，发现跑、串浆时，可对浆液反应时间进行调节，确保不发生上述现象；⑤当全孔段注浆达到结束标准时，向孔内注入一定体积清水，将管路清洗干净，关闭注浆孔阀门，2 h 后打开阀门，观测孔内是否还有涌水。

5）注浆孔施工顺序。注浆孔施工顺序为：先施工副立井2 号煤东侧马头门注浆孔，待东侧马头门注浆结束后，再施工西侧马头门注浆孔。同一侧马头门注浆工施工过程中，采用从两侧向中间注浆的方式，即先施工北侧1#孔，完成注浆后施工南侧7#孔，依次类推，最后施工13#孔，一方面检查注浆效果，另一方面对中部进行补充注浆。在同一侧注浆钻孔施工过程中，采用跳孔注浆的方式，即先对1#、7#、3#、9#、5#、11#、13#孔注浆，在对 2#、8#、4#、10#、6#、12#孔注浆，注浆过程中观测泄水孔水量变化情况，若泄水孔出现漏浆、水量增加的现象，应关闭相应钻孔，进行升压注浆。注浆孔的施工顺序为：钻孔定位→开孔钻进至孔口管设计深度→下入孔口管注浆固结→浆液凝固后继续钻进至设计层位→全控端注浆方法。注浆孔施工与注浆的配合方式：每施工完1个钻孔，即进行注浆，注浆完成后，再施工下一个钻孔，依次类推。

6）扩散半径。预计浆液扩散半径为10～15 m，本次设计取值10 m。

7）注浆量预计。经计算，副立井帷幕注浆浆液注入量为 3 554 m3。预计水灰比 3∶1 的 P.O42.5 R 水泥浆注浆量为总注浆量的1/3，注浆量为1 185 m3，浆液密度 1.20 g/cm3，用量 355 t；水灰比 3∶1 的比表面积600 NF 高性能水泥基注浆料为总注浆量的2/3，注浆量为 2 369 m3，浆液密度为 1.29 g/cm3，用量为764 t。实际施工过程中，浆液可能沿着外层井壁边缘向上、下部空间流动，致使注浆量增大。为了避免浆液流失量过大，注浆前，先进行井筒壁后空间的注浆封堵。帷幕注浆浆液注入量Qj按以下公式计算：

式中：L 为注浆范围长度，m；Bj为注浆范围宽度，m；Mj为受注层段厚度，煤层厚度 3.3 m；η 为受注层平均孔隙率，取值9.0%；ε 为充填率，取值90%；δ 为浆液流失系数，取值 2.5；ω 为浆液结石率，取值60%。

8）单孔注浆结束标准。在检查注浆段前，每个注浆孔都应达到单孔结束标准。单孔注浆结束标准的参数指标包括：注浆压力pd、注浆量Qd及单位吸水率q。煤层注浆压力不大于8.0 MPa，即可认为该受注层段注浆已达到压力结束标准。当注浆压力达到结束标准后，应逐次换档降低泵量，直至泵量达到10 L/min，并维持30 min。在注浆量达到要求后，每个孔必须进行压水试验（试验压力为结束压力的80%），并求解单位吸水率q，确定是否继续注浆。根据 2 号煤层涌水情况，Qd和pd取压水试验记录数据，Ld取孔口管位置至孔底的距离。当单位吸水率小于标准值0.01 L/（min·m·m），表明煤层内裂隙已达到充填加固封堵的效果。单位吸水率可根据注浆泵压、吸水段长度等计算，单位吸水率公式如下：

式中：qd为单位吸水率，L/（min·m·m）；Qd为压入流量，L/min；p 为作用于试段内的压力换算水头高度，m；Ld为受注段长度，m。

2.5.3 检查方案

注浆工程结束后，须布置一定量的检查孔，其数量占注浆孔总数的20%。检查孔一般布置在钻孔稀疏和待掘进区域内，其作用是：一是可以用来检查注浆改造的效果；二是可起到补充注浆的作用。本次检查孔暂设计 6 个，后期根据注浆效果检查情况进行适量增减[10-12]。

1）检查孔标准。检查孔须开展压水试验，以判断注浆结石体的稳固性，检查孔出水量必须小于0.4 L/（min·m），任一检查孔总出水量小于10 L/min；然后进行压水检查，在 1.0 MPa 压力下，吸水量小于2 L/min，否则重新进行补充注浆。

2）注浆圈内外水压差。注浆工作完成后，施工2个水压观测孔，1 个孔终孔位置超过注浆帷幕以外，水压应为3.0 MPa，另1 个孔终孔位置在注浆固结圈径内，应呈现无压、无水状态，水压观测不少于12 h，出现上述现象，说明待掘巷道外围止水帷幕形成，否则继续补充注浆，直至满足水压差为止。本次在副井东西两侧马头门各设置 6 个检查孔，预计钻探进尺 480 m。

3 结 语

根据“引流注浆，帷幕封堵”的堵水思路及工程设计，巴拉素煤矿通过近2 个月的现场工程实施，煤层内孔隙和裂隙得到浆液固结加固，成功实现了在动水条件下的煤层注浆封堵。注浆工作完成后，副立井两侧马头门揭露的2 号煤实测涌水量为11 m3/h，堵水率越93 %，满足硐室开凿条件。本次注浆堵水能够取得如此高的堵水率，主要原因取决于注浆工艺的改进及NF 高性能水泥基注浆料在煤层堵水中的创新性使用。