辛置矿2 号煤奥灰水防治技术研究与应用

马宏华

（霍州煤电集团，山西 霍州 031400）

随着生产能力提升，煤矿大型突水事故频发，造成了经济损失和人员伤亡。根据统计，目前我国煤矿的开采深度平均每年向下延伸10 m，开采水平不断向深部拓展，距底板奥灰、含灰等富水性强岩层的距离越来越近，突水威胁逐渐增加。底板强含水层条件下开采措施主要有2 种，即深降强排和带压开采，但由于强排费用高且对地下水资源破坏严重，带压开采成为主要的开采方式。因此加强底板奥灰水的治理，成为煤矿实现安全生产的关键。

1 工程概况

1.1 矿井条件

山西焦煤霍州煤电辛置矿主采煤层为2 号煤，位于二叠系下统山西组，煤层稳定可采，结构复杂，含2 层夹矸，其中第二层夹矸层位较稳定，厚度稍大。2 号煤以半亮型煤为主，为低硫肥煤，煤质优良。煤层厚3.8～4.3 m，平均4.1 m，全区可采。

煤层直接顶板为泥岩—砂质泥岩，薄层状，层面含丰富植物化石，半坚硬，下部为泥岩，局部相变为砂岩，厚度3.0 m。基本顶为K8 中细砂岩，厚层状，石英为主，次圆状，分选中等，坚硬，厚度7.2 m。直接底板为泥岩，厚层状，水平层理，半坚硬，中上部含有菱铁矿结核，厚度4.5 m。基本底为中厚层状，分选中等，坚硬，厚度6.5 m。

辛置矿2-208 工作面采用一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤法，全部垮落法处理顶板。

1.2 井田地质构造

2-208 工作面掘进过程中共计揭露大小断层13条，均为正断层，其中有2 条断层落差超过5 m。其中，F1167 断层落差为5 m，预计在工作面内延伸长度约300 m，对回采影响较大；F1162 断层与相邻工作面揭露的断层走向基本一致，横穿整个工作面，预计对回采影响较大。

1.3 水文地质分析

影响2-208 工作面回采的主要水源有2 号煤层上覆的各砂岩裂隙水和奥灰含水层。

砂岩裂隙水主要是2 号煤顶板的K8～K10 砂岩含水层，在实际掘进过程中，巷道顶板仅有局部淋水，且水量较小。掘进期间揭露的断层均不导水，因此该含水层对回采影响较小。

奥灰含水层位于工作面底板以下110 m，2-208 工作面平均标高为+280 m，奥灰水位标高为+505 m，工作面为带压开采，带压2～2.5 MPa。

2 奥灰水防治技术

2.1 奥灰水的特点

奥灰水为奥陶纪形成的灰岩中所含的水，与其他含水层相比，奥陶纪含水层具有以下特点。

（1） 水量大。奥陶纪灰岩含水层的主要补给源为大气降水，补给充沛。因此，奥陶纪灰岩含水层的水量丰富，深降强排费用高，经济性差。

（2） 奥灰水为岩溶裂隙水，导水通道一般为岩层中的裂隙，但由于岩层中裂隙的发育极不均匀，规律性差，因此，奥灰水具有明显的非均质各向异性。

（3） 富水性差别大。不同地质年代形成的石灰岩中含水层的差别较大，并且随着埋藏深度的增加，奥陶纪灰岩的含水性逐渐降低。

2.2 奥灰水的治理

受奥灰水威胁的矿井一般采用带压开采的方式，同时对煤层底板进行注浆加固，其加固机理如图1 所示。

图1 注浆加固Fig.1 Grouting reinforcement

通过注浆加固，可以降低底板岩层的含水层和导水性，将底板含水层加固为弱含水层，提高隔水层的完整性，封堵可能的导水通道，达到防止奥灰突水的目的，技术路线如图2 所示。

图2 底板注浆加固路线Fig.2 Grouting reinforcement of floor

3 煤层底板注浆改造

3.1 注浆层位的确定

为了研究奥灰的裂隙及岩性特征，确定注浆的层位，在辛置矿2 号煤底板进行打钻，取芯统计，钻探结果见表1。

表1 钻探结果统计Table 1 Statistics of drilling results

由于该井田位于沁水煤田东南边缘，地质工作开展较早，通过收集钻孔资料，结合打钻资料，分析可得奥陶纪灰岩顶板裂隙发育具有如下特征。

（1） 奥陶纪灰岩顶部裂隙发育程度最高，一般集中在0～10 m 的层位内，自上往下，裂隙发育程度逐渐降低。

（2） 奥陶纪灰岩顶部 0 ～15 m 均有岩溶裂隙水的存在，说明裂隙存在横向联系，连通性好。

（3） 多个钻孔资料显示，奥灰顶面以下30 m左右存在掉钻现象，该区域存在岩溶通道，煤层开采时应该引起重视。

（4） 奥灰顶板40 m 以下裂隙发育不充分，该位置及以深的层位具有较好的隔水性。

通过以上分析可以看出，对奥灰进行注浆改造的最近层位为顶面20 m 范围以内。该区域内裂隙发育，通过注浆可以对裂隙进行封闭，控制效果好。

3.2 钻场及钻孔布置

根据工作面的实际情况，每隔60 m 设计1 个钻场，钻场规格为5 m×4 m×3 m（长×宽×高），每个钻场内布置3 个注浆孔。注浆孔的垂深为50 m，倾角不小于45°，实际钻进深度大于100 m。

钻孔的开孔直径为146 mm，下三级套管，终孔的直径不得小于80 mm。要求第三级套管进入到奥灰顶部以下5 m 的位置。钻孔钻至设计位置后，利用1∶1 的水泥浆液对钻孔进行封孔。封孔结束24 h 后进行耐压试验，试验压力大于最大注浆压力，打压时间不少于30 min。待封孔合格后注浆。

3.3 注浆参数的计算

（1） 注浆压力。

注浆压力是奥灰注浆改造的重要参数，可按下式计算：

式中：PS为注浆泵压力表数值，MPa；Pg为注浆液产生的压力，MPa；Pg为注浆液流动过程中的阻力损失，MPa。

实际应用中具体的压力大小可简化为静水压力的2 倍，注浆末段的压力为静水压力的3 倍。

（2） 注浆量计算。

研究表明，单孔注浆量与涌水量呈线性正比例关系，如图3 所示。涌水量大的钻孔一般吃浆量大，需要长时间注浆。

图3 单孔注浆量与涌水量的关系Fig.3 Relationship between single hole grouting quantity and water inflow

按工作面采空区面积来计算底板奥灰改造的总注浆量，如下式所示：

式中：Q 为总注浆量，m3；l 为工作面面长，m；d为沿工作面方向浆液的扩散长度，m；L0为工作面推进长度，m；H0为奥灰岩层的厚度，m；η 为奥灰岩层的裂隙率；β 为浆液的填充系数，一般取0.9；λ 为浆液的损失系数，取0.95。

根据以上公式可测算出所需水泥浆液的总量。在实际应用中，注浆量还与涌水量有密切的关系，一般单孔注浆所用水泥的质量与涌水量相当时，注浆效果较好。

4 现场应用及效果

4.1 注浆孔止水

奥灰底板改造是利用高压将水泥浆液注入目标岩层，充填裂隙，注浆压力较大。在注浆孔的钻进过程中，如果不能及时有效止水，则容易形成废孔，影响工作面的正常生产。在成孔后，如果套管止水不严密，则容易造成跑浆，水泥浆液甚至有可能顶出套管，威胁施工人员安全。为此，在反复研究、多次试验的基础上，研发了高压止水装置，如图4 所示。

图4 高压止水装置Fig.4 High pressure water sealing device

4.2 钻孔施工事故处理

（1） 岩粉卡钻。由于注浆孔向下施工，岩粉容易在孔底沉积，造成卡钻，不仅影响钻进，而且成孔后影响注浆。可以在成孔之后利用注浆泵向孔内压水，将底部的岩粉冲出，防止卡钻。

（2） 塌孔。在底板岩层破碎时，注浆孔施工过程中极易出现塌孔。在地质构造等岩性差的地段提前利用水泥浆液加固，提高岩层的强度，同时在软岩区域用水泥浆液冲孔，防止施工过程中塌孔。

4.3 工程效果

注浆结束后，采用单孔压水试验、井下钻探、综合物探等方式对底板注浆效果进行检验，未发现水文地质异常区域，水泥浆液将底板隐伏导水通道填充，降低了奥灰水与采空区的水力联系，工作面回采过程中水量较小，无突水发生。

5 结 论

（1） 奥灰水为奥陶纪形成的灰岩中所含的岩溶裂隙水，与其他含水层相比，奥陶纪含水层水量大、补给充足，导水通道为裂隙，采用降强排经济性差。

（2） 辛置矿奥陶纪灰岩顶部0～15 m 内裂隙存在横向联系，连通性好，20～30 m 存在掉钻，由此确定注浆加固的层位为20 m。

（3） 通过对奥陶纪灰岩进行注浆改造，降低了奥灰水与采空区的水力联系，工作面回采过程中水量较小，实现了安全回采。