煤矿小帷幕动水注浆截流技术实践

赵明卿

（焦煤集团 中马村矿，河南 焦作 454000）

1 概况

煤矿井下动水注浆治理工作一直是防治水工作的难题之一。因突水点涌水通道涌水量大，流速快，动水注浆情况下，仅对主涌水通道附近的小涌水通道进行封堵或增透，对主涌水通道封堵效果不佳。另伴随注浆孔的施工，对其他含水层岩层扰动明显，二次增加导水补给通道，造成涌水量未显著减小，同时由于井下施工空间有限，采用大范围帷幕注浆加固难度大。基于此，中马村矿结合21106工作面突水点特征及现场实际条件，采取小帷幕动水注浆截流技术，即通过人为构筑地下隔水帷幕，对过水通道进行截流，降低动水的流速及流量，为后期动水注浆创造条件，井下动水注浆效果较好。

中马村矿水文地质类型为极复杂型。矿区内含水层主要由二1 煤顶底板含水层构成，煤层顶板含水层为二叠系砂岩裂隙含水层及新近系、第四系砂、卵砾石孔隙含水层，底板含水层为奥陶系及石炭系灰岩（O2、L2、L8） 岩溶裂隙含水层，其中石炭系灰岩含水层是矿井水的主要充水水源。结合该矿历年突水事故分析，由L8灰岩岩溶裂隙水引起的突水事故最多、突水威胁最大，是该矿最直接的突水水源。

中马村矿211 采区西翼地质及水文地质条件极复杂。21106 工作面回风、运输巷及运输改造巷在向西掘进距211 轨道437～484 m 时揭露落差H=0.8～14 m 的断层6 条，且回风、运输巷均发生断层滞后突水。

2004 年4 月，21106 回风巷掘进期间揭露落差1 m 的断层且发生滞后突水，突水最大水量达55.2 m3/h，在追排水过程中该断层与211-9 断层（H=14 m） 沟通的深部含水层通道被打开，突水量激增，最大水量360 m3/h，为59 号突水点，造成巷道被淹没；2005 年11 月，21106 运输巷在修理到老切眼西约10 m 时，揭露落差2.2 m 的断层且发生滞后突水，最大水量906 m3/h，为63 号突水点，工作面被迫后退做切眼回采。59 号、63 号突水点自2005 年至2019 年井下突水点封堵工程开工前，经过长时间疏放，突水点水量基本稳定在408 m3/h 左右。21106 工作面构造及突水点布置如图1 所示。

图1 21106 工作面构造及突水点布置平面Fig.1 No.21106 face structure and water outburst point layout plane

2 动水注浆技术路线

211 采区西翼水文地质条件极为复杂，该区域断层较多且存在一条近南北走向的强径流带，矿井数次大的突水均发生在该径流带上，断层附近含水层富水性强，且存在深部L2灰岩、O2灰岩强含水层对L8灰岩含水层水平或垂直补给现象。

自2005 年至今对59 号、63 号突水点进行3次封堵工程，目前该区域L8灰岩水位由-158.7 m左右疏降至-210 m 左右。

第一阶段。分别于2005 年和2007 年在地面对2 个突水点进行封堵。2005 年对59 号突水点进行注浆封堵，注浆期间涌水量由360 m3/h 降至70 m3/h，注浆效果明显；2007 年对21106 工作面切眼断层破碎带进行注浆加固，加固后总涌水量未减小，之后一直采取疏放的措施。

第二阶段。在井下施工，主要对L8灰岩进行注浆加固，L8灰岩水位在注浆期间整体呈上升趋势。由于主涌水通道涌水量大，流速快，动水注浆情况下，对主涌水通道封堵效果不佳，同时注浆期间对L2灰岩扰动明显，增加了L2灰岩与L8灰岩之间的小补给通道。

第三阶段。在地面通过多分支水平井对断层面走向发育情况进行探查，并进行注浆加固，同时对L2灰岩进行注浆加固，L8灰岩受深部水补给，在注浆期间整体呈上升趋势，由于主涌水通道涌水量大，流速快，动水注浆情况下，对主涌水通道封堵效果不佳，造成总涌水量只是略有减小。

结合以往3 次封堵工程实践经验，针对动水条件下实施注浆过程中出现的问题，制定“切断突水点的过水通道，降低动水的流速及流量，形成近似‘静水’注浆条件”的注浆方案，同时结合井下施工空间有限、无法利用大型设备及采用大范围帷幕加固等实际条件，确定采用小帷幕动水注浆截流技术，对突水点涌水的过水通道构筑地下隔水帷幕，配合地面注浆工程，达到快速堵水的目的。

另外，如组织施工队伍构筑防水闸墙，将耗费大量的人力、物力，同时也会面临工期长、堵水时间将向后延续的问题，不利于211 采区西翼工作面的生产接替。因此，确定采用煤、矸装袋直接填充巷道作为小帷幕加固回填手段，不再构筑防水闸墙。

3 帷幕墙设计

3.1 帷幕施工地点

通过对211 采区西翼附近地质资料分析，确定63 号突水点出水水量会通过4 条通道向外流出。63 号突水点附近断层及过水通道情况如图2 所示。

图2 63 号突水点附近断层及过水通道情况Fig.2 Faults and water channel near No.63 water outburst point

（1） 21106 泄水巷。

该泄水巷是作为突水点涌水长期过水通道，已在泄水巷出水口构筑控水密闭墙，控水密闭墙如图3 所示。下一步211 采区西翼地面注浆期间，通过控水闸墙的控水作用，该过水通道将不会形成主要的过水通道。

图3 21106 泄水巷控水密闭墙示意Fig.3 Water control closed wall in 21106 face drainage roadway

（2） 21106 运输巷东段。

该巷道前期已在涌水通道口位置留设有密闭墙，如图4 所示。在涌水过水时会起到一定的阻隔作用，过水通道有限。

图4 21106 运输巷东段密闭墙示意Fig.4 Closed wall in east section of 21106 face transport roadway

（3） 21106 切巷。

该通道在涌水过水时会经过塌实的21106 工作面，塌实后形成的空间通道有限，在后期注浆时该巷道不会形成主要的过水通道。

（4） 21106 运输巷西段。

该巷道出水口位于211 采区西回风底抽巷，塌实情况不理想，在后期注浆过程中将会形成主要的过水通道。

综上所述，确定21106 运输巷西段作为本次井下小帷幕加固的施工地点。

3.2 帷幕墙设计参数

（1） 帷幕加固长度。21106 运输巷西段不再构筑防水闸墙，设计在井下采用简单的巷道回填加固手段，帷幕加固回填的巷道要足够长，以保证在大量涌水涌出时对水流形成一定的阻隔作用。结合现场实际条件，确定21106 运输巷西段帷幕加固回填巷道长度为21 m。21106 运输巷西段帷幕加固平面如图5 所示。

图5 21106 运输巷西段帷幕加固平面示意Fig.5 Curtain Reinforcement Plane Diagram in west section of 21106 face transport roadway

（2） 注浆孔设计。注浆管在矸石袋填充过程时提前预埋，预埋管路分上、中、下3 排，注浆管采用φ50 mm 钢管和软管加工制作而成，材质必须符合设计规定，连接胶管、快速接头能承受的最大压力不小于3 MPa。注浆管布置如图6 所示。

图6 注浆孔布置Fig.6 Grouting holes layout

4 帷幕墙施工

4.1 墙体施工

帷幕加固施工取材为就近取材，直接用巷道内清理的矸石、浮煤装袋作为小帷幕加固的主要填充材料。先将21106 运输巷西段清理出21 m 长度，对清理出的矸石、浮煤等装袋备用。在巷道清理完成后，开始对巷道进行帷幕加固，首先在巷道内从里往外用矸石袋分层码放整齐，矸石袋之间用水泥撒匀加固。为保证所填的矸石与矸石间存在孔隙尽量小，增强回填矸石的抗压能力，减少地面注浆期间此处的跑浆量，在矸石袋之间预埋注浆管，在矸石回填完成后通过注浆管对回填缝隙二次加固。

施工期间，重点做好以下工作：巷道内管子、旧荆棍等杂物清理干净；巷道内矸石、浮煤清理干净并装袋；矸石袋摆放彼此压“缝”；矸石袋接顶时收口用小袋捣实；每班结束把最外边袋缝抹实。

4.2 注浆施工

注浆材料采用单液水泥浆，水灰比为1∶0.7～1∶1，水泥采用32.5 号普通硅酸水泥，注浆压力不小于0.5 MPa。施工顺序为敲帮问顶—安装注浆管—安装止浆阀—拌浆—注浆—封堵注浆孔。

注浆期间检查设备运转状况、管路连接情况，撤出注浆段作业地点范围内的所有无关人员；浆液制备好后，打开泥浆泵注浆阀门，启动注浆泵；注浆时必须有专人观测、记录浆液耗量、注浆时间、压力，达到注浆泵不再吸浆，并达到注浆终压；每根注浆管未注浆完毕前，必须连续注浆，不能停止；若不能连续注浆时，必须往孔内压清水，防止管路被水泥堵塞；发现漏浆严重时，必须立即停止注浆进行处理；按照先稀后稠的注浆原则，尽量多注入；注浆结束时，先停注浆泵，关闭孔口进浆阀，最后打开卸压阀，开注浆泵压清水冲洗注浆泵、高压管、球阀及混合器等。

5 应用效果

（1） 通过小帷幕动水注浆截流技术的实施，在211 采区西翼地面注浆封堵工程开始后，21106运输巷西段的小帷幕加固段，降低了原突水点的动水流速，随着地面注浆工程的不断推进，现211 西突水点涌水量已由408 m3/h 减小至60 m3/h，堵水工作取得阶段性成果。

（2） 经济效益显著。现阶段每小时减少排水量273 m3，23 泵房水泵排水高度391.4 m，每百米排高需0.43 度电，电价按0.57 元/度，则23 泵房每年节约排水费用229.4 万元。

6 结语

中马村矿总结以往3 次堵水工程实践经验，结合井下施工空间有限、无法利用大型设备、采用大范围帷幕加固难度大等实际条件，通过实施井下小帷幕动水注浆截流技术配合地面注浆堵水工程，211 采区西突水点涌水量由408 m3/h 降至60 m3/h，每年节省排水费用229.4 万元，取得了阶段性成果。该技术适用于各矿井老突水点的注浆堵水工程，为类似条件下的工程提供借鉴。