陈四楼煤矿高承压水复杂工作面水害治理技术

李春阳 段李宏

（河南能源化工集团永城煤电控股集团有限公司）

陈四楼煤矿目前开采山西组二2煤层，煤层底板下伏石炭系太原组岩溶裂隙承压水水压为2～6.5 MPa，二2煤层与石炭系太原组上段L11灰岩距离42 m左右。在构造发育区域，二2煤底板受褶皱、断层、裂隙等构造破坏严重，导致与太原组上段灰岩含水层产生水力联系，在采动影响下造成工作面突水。尤其是水压大于5 MPa，标高在-600 m以下的南翼区域，构造发育、岩浆岩零散分布，含水层富水性强，水文地质条件比较复杂。陈四楼煤矿主要采取局部底板改造的方法进行水害防治。实践表明，自建矿以来，发生多次底板太原组灰岩水突水，给矿井生产造成了较大的损失，通过长期的探索和实践形成了一套完整的煤层底板水害综合治理技术，即“瞬变电磁探测—底板改造钻探—高压注浆—瞬变电磁探测复探—底板改造效果验证”，对煤层底板太原组上段灰岩承压含水层进行综合治理，提高了防治水工程的针对性，有助于开采受水害严重威胁的煤炭资源，确保煤矿安全生产，降低防治水成本，具有重要的理论指导意义和较高的实际应用价值。

1 研究区概况

21701工作面位于陈四楼煤矿南翼十七采区，开采山西组二2煤层，工作面标高范围为-715.7～-515.4 m。工作面总体为一个单斜构造，地层倾角为7°～21°，平均为16°，走向为北北西—北北东，倾向为南西西—北西西。21701工作面构成充水影响的构造主要为周边区域断层及工作面实际揭露断层，下顺槽临近最大落差15 m的Fs5正断层、切眼临近最大落差19 m的Fs4正断层，这2条断层对太原组上段灰岩的完整性影响较大；21701工作面在巷道掘进时实际揭露8条断层，均为正断层，落差大于3 m（含3 m）的断层有2条，落差大于1 m（含1 m）、小于3 m的断层有2条，落差小于1 m的断层有4条，见表1。太原组上段灰岩含水层是二2煤层的主要间接充水含水层，其中，二2煤下距太原组距L8灰岩75.9 m，距L9灰岩70.2 m、距L10灰岩58.6 m，距L11灰岩42.2 m，这4层灰岩平均厚度分别为14.4、4.6、4.8、1.5 m，太原组上段灰岩静水压力达到5.0~5.8 MPa，水文地质条件复杂，为了确保工作面安全回采，矿井进行了底板注浆改造工程施工［1-8］。

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2 工程设计概况

2.1 设计目的

为消除21701工作面受底板灰岩水威胁，采取物探、钻探相结合的手段，沿工作面顺槽大面积布置注浆钻孔，通过钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而大大减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，将受注含水层改造为隔水层或弱含水层，同时增强煤层底板隔水层的强度，降低工作面底板出水的可能性，有利于工作面的安全回采。

2.2 设计原则

（1）根据所需安全隔水层厚度确定，底板注浆改造终孔层位为L8灰岩底部约90 m厚的地层。

（2）钻孔布置在平面上采用放射状展布，以斜孔为主。在剖面上长短结合，使钻孔揭露的含水层段尽量长；尽量与断层、裂隙垂直或斜交，穿过多个含水层（钻场之间的钻孔尽量进行交叉布孔，以达到揭露的裂隙最多，避免出现注浆空档）；终孔点辐射L8灰岩含水层，空间上把煤层底板改造成箱形隔水单元，隔断工作面深部与外围导水构造之间的水力联系。

（3）钻孔设计时严格控制钻孔倾角，减少布置倾角较大钻孔，确保钻孔最大程度揭露灰岩与导水裂隙。

（4）钻孔设计时，在平面上、剖面上充分考虑灰岩覆盖范围，确保钻孔覆盖无盲区。

（5）按照整体加固并对物探异常区和构造发育区重点布置钻孔探查的原则，前期钻孔以探查为主，钻孔布置较为稀疏，共布置钻孔87个，钻孔密度为0.000 7个/m2，探明灰岩含水层富水性及导水裂隙发育程度，后期重点对富水异常区和裂隙发育区进行加密布置钻孔，检查和验证注浆效果。

（6）对出水量大于50 m3/h的钻孔，L11、L10灰层位出水量大于20 m3/h且注浆量与出水量比值小于0.5的钻孔和L8灰层位出水量大于30 m3/h的钻孔，在控制区域进行补孔检查和验证注浆效果。

（7）根据钻孔的出水量、出水层位、注浆量和施工顺序进行综合分析，对整体富水性较强、注浆效果较差的区域进行补孔检查和验证。最后序次施工的检验、验证钻孔效果，原则上以出水量小于10 m3/h为结束标准。

2.3 钻孔设计

工作面共设计钻场13组（轨顺7组，皮顺6组），共设计钻孔数量87个（轨顺48个，皮顺39个），预计钻探工程量为12 736 m。钻孔实际施工中，根据钻孔出水量和注浆量，适当调整钻孔参数及孔数；在掘进过程中，根据实际煤层底板等高线发生变化及工作面物探结果，需要及时修改钻孔设计参数或补加钻孔，使钻孔达到设计目的和效果。

3 施工质量及技术要求

（1）施工单位接到本设计后，必须立即编制工作面底板改造作业规程，规程中重点强调高压注浆及高压水起钻时的安全注意事项，报生产科和有关科室及总工程师审批，并在队内贯彻学习、签名。

（2）施工顺序。每个钻场的钻孔交叉施工，先施工奇数孔后施工偶数孔；奇数孔施工时，先施工大角度或与巷道夹角大的钻孔，后施工小角度或与巷道夹角小的钻孔；偶数孔作为检查孔，确保对两侧相邻奇数孔起到验证注浆效果和补充改造的作用。

（3）所有钻孔必须下入二级套管，一级孔口管直径为127 mm，二级孔口管直径为108 mm，并且要分层进行套管加固，透过套管后必须进行耐压试压，压力达到13 MPa无漏水现象，稳压30 min后，方可视为合格。

（4）每个钻场最多只能同时施工3个钻孔，并且只能1个钻孔揭露含水层，第1个钻孔注浆结束后，第2个钻孔才能揭露含水层；相邻2个钻场的交叉孔，不能同时施工，防止出现串浆和孔口管事故。

（5）在钻孔施工期间，孔口要安装防喷反压装置，制定切实可行的钻孔出水快速止水措施；钻场附近要备有堵水材料（ϕ89 mm孔口管、ϕ73 mm孔口管、锯末、麻捻等）；钻场附近或巷道最低处安装具有不小于300 m3/h的排水设备，并保证完好，可随时正常运转。

（6）施工时若钻孔突然发生突水，施工单位要及时向调度室汇报，并详细记录出水位置、钻孔深度，测出水压、水温、水量，并把详细情况及时报生产技术科，必要时取样交生产科送验，经生产技术部门硏究同意后注浆或继续钻进。

4 注浆钻孔成果分析

21701工作面施工底板注浆改造钻孔共计268个，钻探总进尺为37 513 m，总注浆量为23 124.25 t，所有钻孔施工均达到设计要求，施工期间未出现钻孔工程质量事故。施工期间共计出水394次，说明太原组上段灰岩含水层富水性较强，岩溶裂隙较发育。

4.1 钻孔出水量对比分析

所施工钻孔总体出水量较大，施工钻孔总数268个，钻孔最大出水量为180 m3/h，出水量大于等于50 m3/h的钻孔共96个，占钻孔总数的35.8%；出水量大于等于20 m3/h、小于50 m3/h的钻孔计91个，占钻孔总数的34.0%；出水量大于10 m3/h、小于20 m3/h的钻孔共20个，占钻孔总数的7.5%；出水小于10 m3/h的钻孔计61个，占钻孔总数的22.7%。

从所施工钻孔出水量统计分析，出水20 m³/h以上的钻孔达到了钻孔总数的69.8%。说明21701工作面煤层底板太原组上段灰岩岩溶含水层富水性较强，且灰岩岩溶裂隙较为发育。

4.2 钻孔出水次数分析

出水钻孔个数较多，单孔最多出水次数为8次，出水次数大于等于3次的钻孔共47个，占钻孔总数的17.5%；出水2次的钻孔共57个，占钻孔总数的21.3%；出水1次的钻孔共103个，占钻孔总数的38.4%，出水小于10 m3/h共61个，占钻孔总数的22.8%。

从所施工钻孔出水次数分析，灰岩含水层层位出水率达到了77.2%，出水2次以上钻孔占38.8%。

4.3 钻孔注浆量分析

21701工作面注浆总量为23 124.25 t，单孔最大注浆量为688.6 t，单孔注浆量大于等于300 t的钻孔16个，占钻孔总数的6.0%；大于等于100 t、小于300 t的钻孔62个，占钻孔总数的23.1%；大于等于50 t、小于100 t的钻孔共44个，占钻孔总数的16.4%；小于50 t的钻孔共146个，占钻孔总数的54.5%。

从注浆量方面分析，21701工作面单孔平均注浆量86.1 t/孔，由统计数据可知，工作面整体注浆量较大，说明该工作面底板太原组上段灰岩岩溶裂隙较发育，钻孔可注性较强，岩溶裂隙得到有效封堵。

4.4 不同序次钻孔出水情况分析

21701工作面在施工过程中根据物探及三维地震资料，按照先期探查富水区域，后期加密布置钻孔进行补充注浆改造，并在后期布置钻孔进行效果验证的方法施工，施工中根据钻孔出水情况不断地优化设计，从施工序次上，多数钻场历经5个序次的施工。通过不同序次钻孔出水、注浆情况分析，后期序次施工钻孔出水量呈现逐渐减小的趋势，出水次数大于2次、出水量大于20 m³/h钻孔所占比例大幅减小，注浆量较大，经邻近钻孔钻探验证，钻孔注浆效果较好。

4.5 灰岩出水量及注浆量分层分析

21701工作面在施工底板注浆改造工程期间共计出水394次，该工作面底板太原组上段灰岩含水层富水性较强，岩溶裂隙较发育。其中L11灰岩层位出水87次，占出水总次数的22.1%，最大出水量为120 m³/h，总注浆量5 009 t，占注浆总量的23.1%；L10灰岩层位出水182次，占出水总次数的46.2%，最大出水量为180 m³/h，总注 浆量 为11 052 t，占 注浆 总量 的50.8%；L8灰岩层位出水125次，占出水总次数的31.7%，最大出水量为140 m³/h，总注浆量为5 670 t，占注浆总量的26.1%。工作面底板L11、L10、L8灰岩层出水次数比值为1∶2∶1.4；注浆量比值为1∶2.2∶1.1。

通过施工钻孔数据分析，21701工作面钻孔设计终孔层位为L8灰岩，并对L11、L10灰岩出水量较大的区域加密钻孔布置，从出水次数上分析，L10、L8灰岩出水次数明显大于L11灰岩；从出水量上分析，L11、L10灰岩平均出水量基本一致，且明显大于L8灰岩；从钻孔可注性上分析，L11、L10灰岩出水点可注性明显优于L8灰岩。说明工作面内L11灰岩呈现富水不均一的特点，L11灰岩裂隙发育不均一，局部区域易与L10灰岩发生水力联系；L10灰岩富水性较强，且较为均一；L8灰岩含水层富水性较为均一，但富水性比L10灰岩弱。综合以上情况分析，L10灰岩含水层为21701工作面的主要富水含水层，该含水层水量大，裂隙较为发育，钻孔出水后可注性较好。

5 水害效果治理评价

5.1 物探、钻探验证方法评价

21701工作面主要采用物探及钻探相结合的方法指导优化钻孔设计，该工作面共进行了3次物探，施工过程中先布置钻孔对物探异常区进行探查。经探查，部分区域钻孔出水呈现出水量大、出水次数多、水压较大的特征，且出水点呈面状密集形态，为确保施工质量可靠，工程施工中分序次针对出水量大的异常区域进行了重点补孔，增加钻孔施工密度，提高注浆效果，补加钻孔施工过程中较上序次钻孔出水情况减小，最后施工的验证钻孔出水量、出水次数均大幅减小。

21701工作面共计施工钻孔268个，钻探总进尺为37 513 m，总注浆量为23 124.25 t，施工时对出水量较大的L10、L11灰岩含水层加密布置钻孔，钻孔终孔层位为L8灰岩含水层，钻孔密度达到0.002个/m2，钻孔密度较大，使钻孔对工作面L8、L10、L11灰岩含水层做到了全覆盖，其中钻孔揭露L11、L10、L8灰岩间距最密处分别达到了9，7，15 m，含水层施工过程中钻孔出水量、注浆量均较大，富水含水层以L10灰岩为主，钻孔出水后地面注浆期间，及时调整浆液浓度，且注浆终压不小于13 MPa，确保了注浆改造质量。后期根据钻孔的出水量、出水层位、注浆量、施工顺序进行了综合分析，对整体富水性较强、注浆效果较差的区域进行了补孔检查和验证，得出钻孔在L8灰岩的出水量小于30 m3/h，在L11、L10灰岩的出水量均小于20 m3/h；在钻孔施工达到终孔深度后，对每个钻孔均进行了现场验收，所有钻孔封孔质量合格。

综合以上分析评价，说明该工作面水文地质条件复杂，底板灰岩含水层富水性强，裂隙较为发育，施工期间重点对断层附近灰岩含水层及底板裂隙、物探异常区和钻探富水区进行了注浆改造，注浆量较大，经过后期钻探验证，工作面底板灰岩含水层改造效果较好，有效封堵了煤层底板导水裂隙，将二2煤层底板至L8灰岩底部约为90 m的3层灰岩含水层改造成了有效隔水层及弱含水层。

5.2 突水系数评价

根据三维地震资料及21701工作面掘进时实际揭露资料，工作面内仅发育8条落差较小的断层，构造发育程度一般，临界突水系数取为0.1 MPa/m。由钻孔施工情况已知工作面底板灰岩含水层实测水压值为3.0～5.0 MPa，根据突水系数计算公式:

式中，T为突水系数，MPa/m；P为保护层底板承受的水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

计算该工作面突水系数T=5.0 MPa/90 m=0.056 MPa/m（水压取最大值）。经计算，该工作面经底板改造后突水系数远小于0.1 MPa/m，底板注浆改造效果较好，达到了预期要求，可以安全回采［9-10］。

6 结论及建议

21701工作面底板注浆改造期间通过加密布置钻孔，对物探异常区、富水异常区、构造发育区进行了重点注浆改造，工作面注浆量很大，且后期施工验证钻孔期间出水量、出水次数均大幅减小，工作面底板灰岩含水层改造效果较好。回采期间需对部分问题进行关注，具体注意事项如下。

（1）工作面切眼东侧临近2502工作面采空区有动水约为15 m³/h，21701下顺在施工期间在迎头施工引流孔，连接引水管后将该动水引入21701下顺槽水沟内，回采期间需超前连接排水管路，并坚持观测孔内水量变化情况，发现异常及时汇报生产科。

（2）该工作面钻孔出水次数较多、局部区域出水深度较浅，虽地面注浆量很大，但在构造发育处，受扰动破坏后，易破坏煤层底板隔水层，回采至该区域时需加快回采速度，减小扰动破坏深度。

（3）加强工作面涌水量观测，尤其是过断层期间，发现断层附近裂隙渗水，工作面涌水量增大等异常情况时，需立即汇报，经分析后及时采取措施。

（4）加强工作面排水路线的检查，及时清理两巷水沟，保证排水路线畅通。