帷幕注浆工艺在鼎盛煤矿突水治理中的应用研究

2022-09-16蒋杰

煤炭与化工 2022年8期

蒋杰

（安徽省地矿局325地质队，安徽淮北 235000）

0 引言

煤层底板奥灰突水是目前主要的矿井水害地质类型之一[1]，随着浅部煤层的资源枯竭，在开采深部下组煤时面临的底板水害问题越发明显[2]。国内外专家和学者针对煤层底板突水危险性的评价及预测开展了大量研究，也取得了较好成果[3-5]，但由于煤层底板突水是多种地质因素综合影响下的复杂动力现象，在实际生产中很难完全避免[6]。目前，采取底板含水层的注浆加固和治理等相关技术手段，在业内认可度较高、应用较为广泛，可有效的改造含水层，甚至消除底板奥灰水害威胁[7-11]。

渭北石炭二叠纪煤田鼎盛煤矿在建井阶段施工+800 m水平轨道运输大巷时，发生了最大涌水量达400 m3/h的底板奥灰突水事故，此次研究从突水情况、突水水源和突水通道等多方面综合分析了其突水机理，并依据帷幕注浆改造结果，对治理效果和煤层开采可行性进行了评价。研究成果为未来采掘范围内的底板奥灰水害防治提供了依据。

1 地质概况

陕西铜川市鼎盛煤矿位于渭北石炭二叠纪煤田铜川矿区南部，井田面积2.1 km2，矿井采用单一水平开拓，开拓水平标高+800 m左右，主采上石炭统太原组的5号和10号煤层。

井田位于铜川矿区陈炉正断层的北部，王石凹—李家塔宽缓背斜东翼。总体构造形态为一向北北西缓倾斜的单斜构造，该区地质构造受东北部的枣庙逆断层与西南部的董家沟正断层挤压、影响，在单斜的基础上发育有小型次级背、向斜和小型断层。产状较平缓，倾角一般为5°~10°，未发现岩浆岩。

依据《鼎盛煤矿建井地质报告》评价结果，该矿矿井水文地质类型属于中等型。

2 突水机理分析

2.1 突水基本情况

轨道运输大巷位于鼎盛煤矿四采区中部，巷道在掘进至3-3勘探线N692钻孔附近时，巷道周边裂隙发生渗水现象，涌水量约20 m3/h。巷道掘进至四采区和五采区交汇处时涌水量增至60 m3/h，停止掘进，进行了顶板和掘进迎头的井下探放水工作，待涌水量下降至30 m3/h左右后采取了边掘边放的方法继续掘进，期间水量最大增至140 m3/h，平均在100 m3/h左右，巷道掘进至五采区中段118 m时，掘进迎头揭露一断裂破碎带，涌水量猛增至300 m3/h，继续推进后涌水量最大高达400 m3/h左右，在矿方采取一系列的井下探放水工作后，涌水量基本稳定在210 m3/h（图1）。

图1 各阶段突水水量变化Fig.1 Change of water outburst quantity in each stage

突水后采取堵水工程，在初期施工了挡水墙，但由于挡水墙基底施工质量不佳，加上采用的是普通混凝土挡水墙及水泥—水玻璃注浆工艺，挡水墙仅使用30 d左右，由于墙内水压逐渐上升至1.1 MPa，墙内水体从底部渗透。而后该矿采用纵横锚杆高密度快凝早强混凝土挡墙及MG911系列双组合分聚氨酯化学液注浆工艺，在原挡水墙外侧建成新挡水墙，通过关闸试压，7 d内水压由0.65 MPa逐渐增加并稳定在1.2 MPa左右，期间未发现漏水现象，堵水效果良好。

2.2 突水机理分析

2.2.1 突水水源

当+800 m轨道运输大巷突水后，位于突水点东南部约1 km处的N641水源孔在+942 m取水点的涌水量从原来65 m3/h左右锐减至10 m3/h，造成供水紧张的局面。而在该矿实施堵水工程后，水源孔涌水量又恢复了正常。此外，水质化验结果也显示，井下突水点和N641水源孔的水质相近，同属HCO3--Ca2+型水质。

综合以上2点可以看出，+800 m轨道运输大巷突水的水源为灰岩水，来自煤层底板奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙承压水。

2.2.2 突水通道

（1）断层。

根据以往勘探和井下地质编录结果，突水区段共发现断层2条，分别是F7和F突断层。

综上所述，城市化进程为建筑行业发展提供良好契机的同时也为工程项目管理带来了巨大的挑战。作为建筑管理的重要方面，进度管理直接关系着工程质量和成本，因此应该加强进度管理模式的改进创新，促进行业持续健康发展。

F7断层走向NNE，倾向NWW，倾角61°，正断层，落差大于30 m，破碎带宽度2 m左右。该断层有4个钻孔控制，其中3个钻孔不导水，1个钻孔导水性极弱；井巷工程有3个控制点，均不导水。可见，F7断层一般不导水。

F突断层早期三维地震勘探未解译出该断层，为此次突水区段井下实际揭露断层。+800 m轨道大巷掘进过程中井巷地质编录成果显示，突水点有断层通过，断裂带走向NE，倾向SE，断裂带中岩层破碎，石英脉异常发育。可见F突为+800m轨道运输大巷突水的直接导水通道，但该断层在早期勘探阶段未被发现，因此推断其应该是落差小于10 m的小断层，没有切割到马家沟组灰岩，不会导通至灰岩岩溶裂隙承压含水层。

（2）封闭不良钻孔。

建井地质报告资料显示，井田内以往的勘探钻孔封孔质量基本可靠，但2000年之前施工的资源勘查孔多采用泥浆作冲洗液，可能会存在某些孔段由于泥浆冲洗不干净，水泥柱与孔壁凝结不牢的现象。其中，N711孔为封闭不良钻孔，该孔揭露到奥陶系马家沟组含水层，但未进行封孔。该孔孔深701.2 m，在终孔提钻测井时发生事故，钻具掉在孔内，虽经过长期处理，但终因钻具弯曲度大，扫孔困难而放弃。

N711孔位于此次最大突水点的北侧附近，根据现场实测的F突产状，F突会切割到N711钻孔，此外，+800 m轨道运输大巷突水时，突水点初期的水中可见少量气泡，并伴有较浓的臭味，水质化验结果显示SO42-、Fe2+含量高，到突水量猛增后，水质才变为HCO3--Ca2+型，推测N711钻孔里的钻具腐蚀后释放出来的Fe2+离子。由此推测N711钻孔可能导通了马家沟组灰岩岩溶裂隙承压水。

综上所述，+800 m轨道运输大巷突水是F突导水断层和N711封闭不良钻孔综合作用的结果，即导致此次突水事故的原因是奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙承压水通过断裂带或封闭不良钻孔补给上石炭统太原组煤系地层所致。

3 帷幕注浆治理方法和效果分析

3.1 治理方案和方法

此次煤层底板突水的治理方案是基于鼎盛煤矿实际的地质和水文地质情况，并通过突水水源和突水通道的探查分析后综合确定的。此次治理采用帷幕注浆堵水技术封闭马家沟组组灰岩岩溶裂隙承压水和煤系地层的导水断层，在突水区段内形成帷幕，确保在巷道掘进施工过程中的安全。

图2 注浆管路连接示意Fig.2 Grouting pipeline connection

3.2 注浆过程和效果分析

此次注浆共计施工钻孔22个，其中第一阶段施工了6号探水孔，孔深150 m，累计消耗水泥12 400 kg，水玻璃435 kg，注浆前水量为393.3 L/min，注浆后出水量仅为0.1 L/min；第二阶段施工15个孔，孔深516.9 m，累计消耗水泥10 250 kg，水玻璃662.25 kg，注浆前最大出水量为16.67 L/min（9号孔），注浆后出水量几乎都将至0；第三阶段施工6个孔，孔深440 m，累计消耗水泥14 000 kg，水玻璃319.5 kg，注浆前最大出水量为441.8 L/min（7号探水孔），注浆后出水量均将至0，各阶段注浆情况见表1。此外，施工过程中和施工结束对工程质量进行了全面的综合检验，主要包括单孔注浆结束后的最终压力、注浆结束后的压水试验、钻孔的简易水文观测和取心分析、井下涌水点的水量和水质情况观测等。

表1 注浆情况汇总表Table 1 Summary of grouting

依据前文所述，通过帷幕注浆改造和治理，取得了较好的工程效果。突水区段的涌水量从治理前的980.96 L/min下降到13.8 L/min，堵水率达到85%以上，基本上解除了该区现有的水患威胁，为鼎盛煤矿5采区的开拓设计和接续生产提供了安全保证。且经过估算，划定的突水危险区的煤炭资源量约为1 200万t，按矿井回采率60%计算，预计5采区可采出煤炭资源量720万t。