帷幕注浆技术在煤矿水害防治中的应用

富鹏飞

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 矿井水文地质条件及分析

常村煤矿核定生产能力0.63Mt/a，可采煤层4层，由上到下分别是A5、A3、A2、A1煤层，煤系地层为侏罗系下统塔里奇克组下段。井田西部为由库车河二级阶地冲洪积砂砾石堆积形成的河谷地貌，井田边界距河床平均距离约260m。井田地势总体呈东高西低，地表基岩裸露，植被稀疏，冲沟发育，排泄条件良好。井田内库车河年径流量为3.31亿m3，平均流量为10.50m3/s，洪水期最大流量可达1940m3/s，该河流由北向南在井田西侧流过。井田内含水层可按其含水特性分为基岩层间裂隙水含水层，基岩风化裂隙水含水层，烧变岩含水层及第四系冲洪积孔隙水含水层。矿井开采后形成地下水降落漏斗，开采标高最低可至+1710m附近，较库车河河床标高低70m左右。矿井回采煤层标高低于河床标高时，河流水通过第四系含水层对煤层顶板基岩裂隙含水层进行补给，河流为对矿井充水水源。

矿井为多煤层联合开采，煤层埋深由西到东逐渐加深，西部井田边界处煤层埋深较浅，A5煤层开采标高处于该地区侵蚀基准面10m左右，煤层顶板岩层风化裂隙发育，风化严重，A5煤层回采过程中矿井涌水量长期稳定在35m3/h左右，其主要充水水源为顶板砂岩裂隙水与大气降水。部分A3煤层工作面开采标高低于河床标高，随着A3煤层工作面逐渐向深部回采，矿井涌水量逐渐加大，直至该煤层回采结束。该煤层回采期间，矿井最大涌水量为河流丰水期段的320m3/h。A3下A2、A1煤层回采阶段，矿井涌水量未见明显增加，根据观测数据，矿井最大涌水量为350m3/h。通过上述对回采期间矿井涌水量及涌水通道分析可知：库车河水是矿井的主要充水源，充水通道为河床下的砂砾岩裂隙及煤层顶板的砂岩裂隙。

2 矿井地表水防治方案

对矿井充水机理与充水性进行分析，库车河水通过第四系孔隙水含水层补给捷斯德里克向斜轴部附近的A3煤层顶板砂岩风化裂隙水含水层，再渗透补给矿井A3煤层采空区。因此，切断地表河流与煤层顶板含水层之间的联系通道是该矿水害防治的关键。

根据分析及工程实际情况，采用帷幕注浆手段阻断地表河水与矿井西部A3煤层顶板砂岩含水层之间的水力联系，从而达到水害防治的目的。具体方案为在矿井西部边界与河流东侧之间的一级阶梯西边缘处施工注浆钻孔进行帷幕注浆，形成南北走向约300m的帷幕墙，帷幕墙高度为40m，底部深入A3煤层顶板完整基岩10m左右，从而有效的阻断第四系含水层与A3煤层顶板砂岩含水层的水力联系。帷幕截留治水示意图如图1所示。

图1 帷幕截留治水示意图

3 钻探施工技术分析

根据第四系冲洪积层和A3煤层顶板风化砂岩的渗透特性，注浆压力采用2Mpa，预计浆液渗透半径为15～20m。对帷幕注浆工程选用双排灌浆孔方案，灌浆孔孔距40m，预计单排孔注浆帷幕形成后，能治理约40%～60%的透水量。为保证能形成20～30m的防渗墙、并确保防渗墙的隔水效果，双排灌浆孔排距设20m。

3.1 钻孔结构

1）第四系冲洪积层中钻进时易出现卡钻、踏孔、孔壁固结困难等情况，选用下设多级套管的方法对冲洪积层进行分段固结。依次下入6m长Φ127mm套管和Φ89mm套管，Φ89mm套管下设长度根据钻孔揭露A3煤层顶板砂岩的孔深确定。

2）Φ89mm套管耐压试验合格后，用Φ75mm钻头钻进至A3煤层终孔，预计深度38～40m。

3.2 帷幕注浆技术要点

1）采用孔口封闭、自上而下分段注浆法，段长不宜大于6m，采用循环注浆方式。每段先钻孔，再注浆，凝固后接着钻、注下一段。

2）每段注浆前进行清水试压，试压时孔口压力小于2MPa时进行正常钻、注施工；如果钻孔压力达到2MPa及以上时，该段不再进行灌注，进行下一段钻、注。

3）注浆结束压力设为2MPa，具体数值由注浆试验确定，或根据注浆试验另作调整。

4）注浆采用425#硅酸盐水泥或以上强度等级水泥，根据情况需要，可添加速凝剂、水玻璃等相应的外加剂。

5）注浆浆液由稀至浓逐渐变化，浆液水灰比为4级，分别为2:1，1:1，0.8:1，0.5:1。

6）注浆结束标准。①单孔注浆结束标准：孔口压力达到2～2.5MPa，浆液配比1:1，吸浆量小于50L/min，稳定时间在30min以上；②帷幕注浆工程结束标准：单孔注浆达到标准；钻孔压水试验合格。

4 工程的施工情况及其效果

4.1 施工情况

工程于2017年3月开始实施，至2018年5月份完成野外工作，先后投入钻机4台，历时11个月。共施工各种类型钻孔30个，分别为25个注浆孔和5个检查孔，总钻进长度为6850m。30个钻孔共灌注水泥浆3200t，骨料650t。注浆钻孔成果图如图2所示。施工过程中钻探表明导水通道主要集中在靠近捷斯德里克向斜轴部的100m区域内，且该地区裂隙大，极为发育，因此，施工过程中，在该区域增加了注浆钻孔，其他区域相应减少了注浆钻孔。

图2 注浆钻孔成果图

4.2 注浆效果评价

1）在A3煤层上覆地层中建立了稳定的隔水墙。通过施工注浆钻孔，在矿井和库车河间的第四系冲洪积层、A3煤层顶板风化砂岩中形成了长约300m，平均高度40m，有效宽度约30m的防渗墙，有效地阻断了库车河和矿井的水力联系。

2）堵水效果分析。帷幕注浆工程施工前库车河丰水期时对矿井最大补给量可达到350m3/h。通过帷幕截留，补给量大幅减小，目前矿井涌水量约150m3/h，库车河对矿井的补给量减少200m3/h以上。

5 结论

1）对矿井主要充水水源和充水通道进行分析，确定了主要充水水源为库车河水，充水通道为库车河阶地砂砾石间孔隙和A3煤层顶板砂岩风化裂隙。

2）根据第四系冲洪积层和A3煤层顶板风化砂岩的渗透特性，对帷幕注浆工程选用双排灌浆孔方案，灌浆孔孔距40m，通过施工注浆钻孔，在矿井和库车河间的第四系冲洪积层、A3煤层顶板风化砂岩中形成了防渗墙，有效地阻断了库车河和矿井的水力联系，施工后，库车河对矿井的补给量减少200m3/h以上，有效的保证了矿井安全生产。