4301工作面突水因素分析与注浆堵水工程

贾 佳

(山西长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100)

能源赋存结构决定了煤炭是我国的主要消费能源，随着煤炭需求量和开采强度的不断增加，煤炭开采向深部转移，我国中东部矿井开采深度已超过了1 000 m。近年来，随着开采深度的不断增加，工作面受底板高承压水影响，突水事件时有发生，影响了矿井的正常生产，突水严重时将造成极大的经济损失[1-5]。4301工作面位于一水平三采区，开采4号煤层，煤层厚度6.34 m，在4301工作面回采过程中发生了突水现象，突水水量约180 m3/h。

1 工作面充水条件与突水因素分析

1.1 工作面充水条件

1) 顶板直接充水含水层。山西某矿4301工作面开采煤层位于太原组顶部，顶板直接充水含水层主要为P1s、P1x、P2s组的K4、K5、K6砂岩含水层。邻近工作面回采资料显示，工作面回采前顶板涌水量为160～170 m3/h，工作面回采后，顶板涌水量逐渐衰减至100 m3/h，表明顶板含水层存在动静水量。

2) 煤层底板含水层组。据计算，4301工作面采动底板破坏深度大于30 m。资料显示，4301工作面与太原组K3砂岩层间距为7.43～28.68 m，因此，煤层底板含水层组为4301工作面直接充水含水层。

3) 太原组底部灰岩、本溪灰岩含水层组。太原组底部灰岩厚度3.33 m，K1砂岩厚度6.17 m，本溪灰岩厚度2.44 m，含水层组总厚11.94 m，工作面底板出水后施工的补期孔3号(2-0)钻孔在本溪灰岩层位出水100 m3/h，水压4.3 MPa，并有喷渣现象。

4) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。工作面受奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层影响，属于带压开采，带压约6 MPa。

1.2 突水因素分析

1) 突水水源分析。4301工作面回采过程中发生突水现象，突水水量约180 m3/h，突水水量长期稳定，表明突水水源补给源稳定。4301工作面底板出水水质类型与太原组含水层水及与奥陶系灰岩水质均有一定差异。因此，判断4301工作面突水水源为混合型水源。

2) 突水通道分析。经计算，4301工作面底板奥灰突水系数为0.052 MPa/m，突水点分散。勘探资料显示，试验工作面附近区域未发现陷落柱，根据近期钻孔施工现场反馈，在试验工作面施工钻孔时，出现严重卡钻现象，钻孔涌水量显著增加(100 m3/h)，并碰触大量泥岩、细砂岩等岩石碎块，因此，判断突水通道为隐伏导水构造。

2 注浆堵水工程与效果

2.1 注浆堵水工程

1) 钻孔布置。 4301工作面注浆堵水工程共设计注浆堵水钻孔15个，在4301工作面辅运巷布置2个钻场，共计6个钻孔(具体包括1-1、1-5、2-0、2-3、2-4、2-5)，4301工作面胶带巷布置2个钻场，共计9个钻孔(具体包括3-0、3-1、3-2、3-3、4-1、4-2、4-4、4-5、4-6)，设计钻孔总进尺2 514m，钻孔具体参数见表1。

2) 钻孔结构。注浆堵水钻孔采用三径套管结构。结构参数如下：①一开D168 mm钻进11 m，下入D159 mm护管10 m；②二开D133 mm钻进36 m，下入D127 mm孔口管35 m；③三开D110 mm钻进61 m，下入D89 mm孔口管60 m；④以下用D75 mm钻头钻进至终孔层位。

表1 注浆钻孔参数

3) 单孔钻孔注浆结束标准。在实体煤区域底板较完整块段施工的钻孔，注浆终压采用底板岩溶含水层静水压力的1.5倍，在采空区附近及周边底板破坏区施工的钻孔，注浆终压不宜太高，以免发生底板压裂破坏事故。考虑到工作面浅部底板破碎，岩石完整性差，注浆终压根据实际情况来确定，一般比静水水压高0.5～1.5 MPa。

4) 注浆工艺。采用分段注浆和全孔段注浆方式注浆，具体如下：

分段注浆，适应条件：①钻孔出水量大，继续钻进困难时；②塌孔严重，难以继续钻进时。

全孔段注浆，适应条件：钻进过程中钻孔水量﹤20 m3/h；孔壁稳定，无塌孔现象。

5) 浆液比重。①水泥浆：按照先稀后浓的原则，水泥浆比重为1.1～1.5，如受注层的可注性好，可考虑提高0.1个比重或掺加粘土浆，何时掺加粘土浆以及掺加比例要结合受注层的可注性和受注层单孔水量大小而定。②粘土水泥浆：粘土浆比重在1.12左右，最高不得超过1.16，最低不得低于1.08，按照先稀后浓的原则，分档控制，如现场发生跑浆、底鼓等特殊情况，要及时采取停止注浆、降低压力、加入速凝剂、投入软骨料、或改为引流注浆等可靠措施，防止事故扩大。

2.2 注浆工程量与效果分析

注浆工程共施工井下注浆堵水钻孔15个，实际进尺2 514 m，累计注浆总干料3.9×103t，其中水泥2.2×103t，粘土1.7×103t。工作面排水资料显示，注浆工程施工前，4301工作面底板涌水量180 m3/h，注浆工程施工后，工作面剩余水量32 m3/h，减少148 m3/h，详见图2和表2，注浆堵水率82%.同时，注浆工程施工后，揭露的底板太原组砂、灰岩含水层水压为2.7～3.6 MPa，相比提高了1.4 MPa，太原组底部灰岩、本溪灰岩含水层组水压为4～5.6 MPa，相比提高了2.1 MPa，奥灰水水压为5.4 MPa，相比提高了1.1 MPa，奥灰水水位已接近正常，综上所述，注浆堵水工程取得了明显的效果。

图2 注浆工程施工前后工作面水量

表2 工作面注浆堵水率

3 结 语

文章总结了4301工作面的充水条件，分析了4301工作面的突水因素，认为工作面突水水源为混合型水源，突水通道为隐伏导水构造。基于此，设计了注浆堵水工程，共设计钻孔15个，设计总进尺2 514 m，注浆堵水工程实施后工作面底板出水量由180 m3/h减小至32 m3/h，堵水率82%，奥灰水水位已接近正常，注浆堵水工程取得了明显的效果。