高承压水条件下工作面底板注浆堵水技术应用研究

王栋任

（徐矿集团有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

孟津井田11011 工作面距北侧黄河小浪底水库最近2.75 km，该工作面底板承压水水压一般在5.5 MPa左右，奥灰露头在黄河小浪底库区，奥灰含水层充水性与小浪底库区直接相关。在11011 工作面回采到215 m位置时，工作面泵房水泵被淹，涌水从大巷排出，实测涌水量880 m3/h，3 天后，涌水量达到1 990 m3/h，之后水量缓慢下降。孟津煤矿11011 工作面突水情况，经现场观测，出水点位置为11011 胶带底抽巷距底抽巷切眼外170~215 m 处，自底抽巷瓦斯抽放钻孔及工作面采空区流出，经过水质化验：Ca2+、Mg2+质量分数为68.6%，K+、Na+质量分数为31.3%，确定水源成分以底板奥灰水为主。据此认为系工作面底板发生突水，最大突水量1 990 m3/h，其后稳定在1 600 m3/h左右，突水水源系奥陶系灰岩承压水，造成工作面被迫停产，损失较大，多项治理方案被否定。本文通过注浆方法将工作面底板岩层中的过水通道封闭，改造了底板隔水层的承压强度，抵御透水率在90%以上，加强了底板抵抗突水的能力，实现了工作面安全回采。

1 方案设计

孟津井田内地表水系不发育，仅有冲沟内季节性溪流汇入西北侧畛河，井田北部的范沟水库旱季干涸无水。地表水对矿井开采没有影响。孟津矿井主要含水层为奥陶系马家沟组灰岩岩溶含水层，距离二1 煤层底板58~83 m，平均66 m，水压4.7~5.5 MPa，为弱~中等富水性含水层，富水性极不均一。在煤层开采过程中，充水来源主要是煤层底板直接充水含水层的地下高承压水，奥陶系石灰岩在本井田为中等富水性含水层，距离二1 煤底板60 m 以上，由于岩溶裂隙发育不均，局部地段有强富水的可能，特别是由于构造破坏造成煤层底板隔水层减薄的情况下，是矿井突水的主要水患，据此，提出治理方案。

11011工作面位于副井东北侧，西侧轨道运输顺槽与东翼第一车场相连，东侧胶带运输顺槽与东翼-322 胶带大巷相连，对应地面标高+412~+438 m；工作面标高-253~-320 m，顺槽方位327°，回采二1煤层。工作面底板水防治应当采取区域治理与局部治理相结合的思路，根据矿井实际情况，采用井下注浆加固底板防治水措施，因此采用打钻注浆加固并封堵工作面底板岩溶裂隙，切断水力联系，把含水层改造为隔水层或弱含水层，最终达到加固底板、加大有效隔水厚度、增强抗压强度的效果，从而达到治理效果［1］。注浆改造设计方案根据矿井水文地质条件及11011工作面突水情况确定治理目标层和布孔方式，并根据注浆扩散半径确定合理布置钻孔间距，施工过程中逢漏必注，循环钻进，直至达到设计终孔位置，实现探测、治理、验证“三位一体”的治理效果。

1.1 注浆改造隔水层厚度的确定

矿压对底板的破坏深度可采用钻探实测，并结合经验公式求得。在断层附近及构造破碎地段，突水系数选0.06 MPa/m。根据相关公式计算，破碎构造地带改造隔水层厚度为110 m，完整地块改造隔水层厚度为74 m。考虑到煤层底板底抽巷及瓦斯抽放孔对工作面的影响（间距16 m），底抽巷以上岩层可视为破碎岩层，工作面注浆改造隔水层应以底抽巷底板为起点，即完整块段注浆改造隔水层厚度为底抽巷以下74 m，破碎构造块段注浆改造隔水层厚度为底抽巷以下110 m。

1.2 治水钻孔布置规则

通过对工作面水害成因的分析，11011工作面堵水方案以外围堵源、重点封堵涌水通道为主，结合添加骨料封堵过水通道为手段［2］，进行堵水作业。高承压水条件下治水思路的钻孔布置使其在平面上呈放射状展布，以俯角孔为主，在剖面上深浅孔相结合，使钻孔穿过的底板含水层段尽量加长。尽量保持钻孔与裂隙走向垂直或斜交，以穿过多个含水层为宜，保证浆液尽可能把裂隙充填完全。终孔层位进入奧陶系灰岩含水层30~50 m。临近钻场的钻孔布置呈平面交叉，避免出现注浆扩散空白区。立体上把煤层底板改造成多个隔水单元，从而阻断工作面底板与深部奥灰含水层的水力联系，达到治理效果。

1.3 注浆钻孔终孔平面间距的确定

高承压水条件下注浆钻孔终孔间距设计方式以外围堵源、重点堵涌水通道为主，形成一个帷幕，将水源封堵在帷幕之外，对突水点附近地层进行加固，从而达到突水减小的目的，要根据可扩散半径并参照其他因素进行确定。该钻孔的布置形式在平面和剖面均成扇形，根据相邻矿井底板注浆改造的经验公式，浆液扩散半径在22 m，为了使浆液在整个工作面或需改造范围的覆盖率达到100%，为保证注浆效果，本次底板注浆改造钻孔终孔层位为奧灰系灰岩上部30~50 m，平面间距确定为32 m。

2 施工情况

钻孔布置及施工实践。在施工过程中，所有钻场布置在回风巷和运输巷的两侧，钻场间距在100 m左右，每个钻场按设计施工4~5 个注浆钻孔，钻孔方向尽可能地与裂隙发育方向斜交或垂直，并且均以俯角孔为主，使钻孔接触含水层长度尽量增大，多穿过导水裂隙，提高注浆扩散效果。工作面回风巷和运输巷的注浆钻孔相互重叠搭接，不留盲区。对裂隙较为发育的地带、断层破碎地带、物探富水区域、地质构造隔水层变薄区域及巷道底鼓变形段应重点布孔，优化布孔。为确保治理方案，采用钻探验证法，工程最后结合实际增加了20%的钻孔作为注浆效果检验孔。钻孔参数的标定，施工前要由测量人员及防治水专业人员到现场共同标定，施工过程要严格按照标定的方位角、倾角施工，误差小于±1°。注浆孔要按序号施工，因水压较高，钻孔成孔后要求立即进行注浆，防止钻孔坍塌和孔间串浆。每个钻场1号钻孔注浆完成后，再依次施工 2 号、3 号、4 号、5 号钻孔，视钻孔水量和注浆情况确定是否补孔。钻孔需要进行防斜纠偏，按照钻孔设计参数进行施工每20~50 m测斜一次，及时绘制钻孔轨迹曲线，发现孔斜超标要采取措施及时纠偏。钻孔进入奥灰后，终孔深度为奥陶系灰岩顶板下30~50 m，在奥灰含水层内须进行不小于30 min 的压水洗孔，之后观测终孔静止水位。成孔后，必须进行放水冲孔，以使孔内岩粉随水冲出来，保证注浆工作的质量。钻机过程中全孔要求清水钻进，必须认真做好现场小班记录，准确记录初始涌水量、最大涌水量、出水岩层层位、换层深度、进入含水层后岩溶裂隙的发育程度、水压等。

注浆加固方法。采用钻孔有效布置、连续注浆、加固与封堵相结合的原则，对底板进行了注浆加固改造。在注浆加固过程中，如钻孔吃浆量过大，在单孔注浆量超过2 000 m3时，一般采用间歇注浆法，既节省了注浆材料，又提高了注浆效果［3］。但也有个别钻孔，采用间歇注浆方式注浆压力仍然达不到起压要求，注入的材料随裂隙被冲走或跑掉，注浆压力长时间不上升，并出现巷道底板跑浆现象，则采用加入骨料锯末、海带丝和大豆的方法。其手段是在地面将锯末均匀地撒入浆液池，并控制摄入量，采取点注措施，注浆压力很快便可升高。通过实践，该注浆效果良好，对加固、封堵工作面底板作用较大。钻孔注水泥浆或骨料结束后，根据钻孔注浆量，决定是否进行二次注浆，若进行二次注浆，则需要进行扫孔。

注浆终压标准。止水套管固好后，在套管上安设阀门，顶板孔闸阀耐压不小于6 MPa，底板孔闸阀耐压不小于15 MPa。钻孔至目的层之前，如若孔内出水，根据需要可进行注浆，等浆液凝固后方可继续钻进，以免造成固管困难、固管不牢、串浆导致巷道底鼓等现象。为防止注浆孔内有残留水，必须进行封孔，压力不小于15 MPa。一般要进行两次封孔。一是注浆终压前利用孔内注水泥浆封孔，如不能完全封孔，二次在井下孔口处拌浆封孔，水泥浆比重1.5~1.7至终压。在施工过程中，严格遵循设计注浆终压为14 MPa，井下达到注浆设计压力后，改为缓慢低压注入法，并稳压保持30 min以上，后续验证效果良好。

3 效果验证

通过该治理方案的工程实践，孟津煤矿11011工作面注浆堵水注浆工程共计施工86 个钻孔，钻探工程量12 433 m，总注浆量为44 669 m3，其中黏土干料2 285 m3，水泥干料8 043 t，透孔工程量3 958 m。该堵水注浆工程干料比为3.3∶1，满足设计思路要求。通过在东翼水仓测水站采用矩形堰方法测定工作面涌水量为210 m3/h。进行堵水之前水量为1 680 m3/h，堵水率达到90%，工作面底板导水裂隙得到了充填、加固。工作面底板奥灰岩弱含水层得到有效改造，将奥灰含水层上部20 m 破碎带含水层变为相对隔水层［4］。

4 结语

通过合理布孔、有效注浆加固，11011 工作面底板未回采段采取了“充填裂隙、加固底板”改造措施，相当于增加了底板隔水层的有效厚度，加强了底板抵抗突水的能力，验证了高承压水条件下间歇注浆有效封堵高承压奥灰突水技术的可行性［5］，同时也验证了在构造复杂高承压水区域设计和实施底板注浆改造，将奥灰含水层改造成为隔水层是行之有效的堵水手段［6］，能可靠实现工作面的安全回采。该项治理技术为同类矿井高承压水条件下煤炭资源的高效开采利用提供了一定借鉴意义，为煤矿工作面防治水提供了较为成功的治理技术。