地面注浆技术在矿井区域水害防治中的应用

邹军

摘 要：冀中地区部分煤矿水害严重，尤其是奥灰水系，严重影响矿井安全生产。本文以河北某煤矿一采区为研究对象，分析了区域内产生水害的主要地质因素，确定了封堵目标层为奥陶系灰岩含水层。同时，介绍了地面注浆材料、设备及相关工艺，综合分析了注浆过程中出现泵站压力突变的原因，并进行了后期回采区域岩层吸水率的效果考察。结果表明，地面注浆技术较好地封堵了奥灰水系向开采层径流的通道，有效控制了该区域水害。

关键词：注浆工艺;泵压分析;水害治理

中图分类号：TD745.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0058-03

Application of Ground Grouting Technology in Prevention of

Water Injury in Mine Area

ZOU Jun

（The Third Hydrogeological Team of China General Administration of Coal Geology，Handan Hebei 056006）

Abstract： Some coal mines in central Hebei have serious water disasters， especially the Ordovician limestone water system， which seriously affects the mine safety production. Taking a mining area of a coal mine in Hebei Province as the research object， this paper analyzed the main geological factors causing water damage in the area， and determined that the plugging target layer is Ordovician limestone aquifer. At the same time， the ground grouting materials， equipment and related processes were introduced， the reasons for the sudden change of pump station pressure in the grouting process were comprehensively analyzed， and the effect of rock stratum water absorption in the later mining area was investigated. The results show that the surface grouting technology can block the runoff channel from Ordovician limestone water system to mining layer， and effectively control the water disaster in this area.

Keywords： grouting process;pump pressure analysis;water damage control

礦井水害是影响矿井安全生产的“流动杀手”[1-2]。冀中地区部分矿井水害严重，通过地质分析可知，水害影响因素为奥灰含水层[3]。为了有针对性地解决奥灰水区域灾害的影响，现针对河北省某矿一采区区域进行水害分析，采用地面注浆技术对区域内进行注浆封堵，并进行后期效果考察。

1 矿井及采区概况

河北省某矿产能为90万t/a，矿井为低瓦斯矿井，矿井主采煤层为2#煤层，平均煤层厚度为6 m;含煤地层柱状图如图1所示。矿井采用综合机械化走向长壁放顶煤方式开采，采高2.5 m，放顶高度3.5 m。目前在采工作面为826101工作面，工作面运输巷和回风巷均已掘进完成，巷道整体已经贯通。

该矿所在区域整体为丘陵地带，地势为西高东低，平均坡度为11°。通过测量可知，最高处标高为+180 m，最低点标高为+106 m。地表有大小冲沟12个，矿井内存在1条大型断层，为DF39断层，断距12 m，为正断层。

对矿井安全生产具有威胁的含水层有10个，分别为：奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，大青灰岩岩溶裂隙含水层，小青灰岩裂隙含水层，伏青灰岩裂隙含水层，山青灰岩裂隙含水层，野青灰岩裂隙含水层，山西组砂岩裂隙含水层，下石盒子组砂岩裂隙含水层，上石盒子组一、二段砂岩裂隙含水层，第四系孔隙含水层。

通过计算，本区奥灰含水层埋深860～1 040 m，奥灰岩顶面标高为-906～-725 m，奥灰水位为+125 m。该含水层属深埋型岩溶充水矿床，裂隙发育较差，相对浅部水循环较慢，奥灰地下水静储量较大，与2#、4#、6#煤的间距分别约为150 m、115 m、85 m。奥陶系灰岩含水层位于含煤地层的下部，岩性以角砾灰岩、花斑灰岩、白云质灰岩及纯灰岩为主，顶板为紫红色铁质泥岩和铝土。依据以往63个揭露奥灰钻孔的资料，所有钻孔均漏水，多数钻孔冲洗液消耗量为0.3～0.5 m3/h，最大为7.2 m3/h，水量较大，极易灌入开采区域。

综合分析，该区域主要水害影响因素为奥陶系灰岩含水层，主要治理位置为奥灰含水层水害。

2 地面注浆工艺

现采用地面注浆技术对矿井一采区奥陶系灰岩含水层进行注浆填充，填充完成后含水层裂隙被水泥浆填充，从而起到阻隔水系的作用[4-6]。

2.1 注浆工艺

注浆工艺流程如图2所示。施工过程中首先进行钻孔施工，钻孔施工完毕后进行注浆作业。注浆过程中，采用高速涡流制浆工艺，使水泥浆密度从1.1 g/cm3逐渐增大至1.6 g/cm3，随后每隔50～80 m进行高压压水试验。压水试验前首先进行洗孔，压入清水循环替换钻井液，直至返出清水后起钻。提钻后每30 min观测一次水位，直至水位稳定，共观测3次。至此一个注浆工序完成。

注浆结束标准如下：泵量小于35 L/min时，注浆终压不小于受注含水层最大静水压力的2～3倍，地面注浆压力不小于13 MPa，并稳定30 min以上。

2.2 注浆材料

通过综合分析，本次注浆主要采用R32.5矿渣硅酸水泥。由于该水泥具有抗水性好、早期强度低、后期强度逐渐增大等特点，因此可以有效填充裂隙水，同时，随着时间的推移，填充效果越来越好。注浆浆液密度控制在1.0～1.6 g/cm3。当遇见大的断层时，可适当加入粉煤灰或者黏土，增加黏稠度。

2.3 注浆设备

本次注浆的主要设备为XJ-2000高速涡流制浆机、NBB390-15注浆泵、100WQ100型潜水泵。设备如图3所示。

3 地面注浆技术实施及效果考察

3.1 现场实施

根据设计方案施工钻孔，钻孔设计如图4所示。使用的钻机为ZYL-17000D型千米定向钻机，采用XJ-2000高速涡流自动化制浆机进行制浆，采用NBB390-5/15注浆泵进行注浆。地面工作台配备相应的配电室、水泵房等基础设施。

竣工图中钻孔轨迹和设计基本一致，出现水量异常区域随即进行注浆封堵，注浆采用黏土、粉煤灰、水泥混合进行封堵。

3.2 效果考察

注漿过程中对各个参数进行考察，考察结果如图5所示。随着注浆过程不断推进，泵站压力不断增大，随后在63 h出现泵压突增后又降低的现象，此时泵量出现降低的现象。在90 h时，泵站压力突降，泵量增大，这是由于出现大的裂隙带所导致的。

施工完成后对工作面下部20 m区域进行了渗透率考察，工作面、巷道均未出现冒汗等水害现象。可见，地面注浆技术较好地封堵了奥灰水系向开采层径流的通道，有效控制了该区域水害。

4 结语

本文以河北某煤矿为研究对象，介绍了地面注浆工艺，分析了注浆过程中出现曲线突变的原因，并进行后期效果考察。

参考文献：

[1]刘小明.复杂地质条件下煤矿水害形成机理与防控技术研究[D].西安：西安科技大学，2020：15-16.

[2]刘天航.五沟煤矿1010工作面松散含水层注浆改造可行性研究[D].合肥：安徽建筑大学，2020：22-23.

[3]史先志.大埋深高承压水上采煤底板破坏演化及水害防治研究[D].徐州：中国矿业大学，2020：35-36.

[4]胡彦博.深部开采底板破裂分布动态演化规律及突水危险性评价[D]. 徐州：中国矿业大学，2020：20-21.

[5]魏本亮.霄云煤矿奥灰突水机理及快速治理研究[D].徐州：中国矿业大学，2020：41-42.

[6]杨哲.煤矿区地面注浆多分支水平井装备及技术[J].煤矿安全，2020（4）：125-128.

[7]郑士田.地面顺层孔探注成套技术在底板高压岩溶水害治理中的应用[J].中国煤炭地质，2018（8）：53-57.