工作面上覆松散含水层注浆改造及其效果检验

解 建 ，许大强 ，胡 伟 ，张培森

（1.安徽恒源煤电股份有限公司，安徽 宿州 235139；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；3.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590）

五沟煤矿坐落于安徽省濉溪县境内，南北走向长约4.5 km，东西宽约3～5 km，面积约21.65 km2。五沟煤矿煤层上覆第四系松散含水层（以下简称“四含”）煤柱压煤量大，煤炭资源损失严重，经济技术合理性遭受置疑，且“四含”水文地质条件复杂，含水层水头压力近3.0 MPa，常规方法开采可能会导致水、砂沿采动裂隙进入井下，易引发突水溃砂事故[1-2]。因此，如何降低改造区“四含”富水性，提高“四含”强度，避免井下开采突水溃砂，解放更多浅部压煤资源，进而实现近含水层下煤炭资源安全高效开采、延长矿井服务年限，成为亟待解决的重大工程技术问题。

采动岩体破坏及水-岩耦合作用下渗流场突变是造成矿井突水溃砂的直接原因。根据近含水层薄基岩浅部煤层采矿地质条件特点，通过对松散含水层进行劈裂、扩散、渗透、压密注浆改造，促使松散破碎岩体胶结成整体[3-7]，提高了岩体黏聚力与内摩擦角，进而改变含水层颗粒占比结构，阻隔含水层径流、补给条件，使含水层变为隔水层或等效隔水层，达到注浆堵水效果[8-10]；并依据资源-环境协调开发原理，控制工作面涌水量大小、涌水形式、矿井排水能力与环境承载能力相匹配，实现近松散含水层煤层绿色安全高效开采。松散含水层注浆变性改造研究方面，主要集中于浆液扩散规律[11]、注浆参数[12-13]、注浆可行性[14]、注浆技术[15-17]等方面。此外，余岩等[18]针对顾北煤矿1512(3)工作面地质情况，研究了薄基岩采场风化带地面注浆加固前后顶板结构、岩心力学特性、回采矿压显现规律，并分析了注浆加固效果；方杰等[19]针对神东矿区煤层上覆薄基岩、厚松散含水层及煤层埋深浅的地质条件，采取了水文地质补勘、施工直通泄水孔、井下探放水、地面注浆及井下工作面排水系统建设等措施，进而实现了安全回采；王振荣[20]为解决神东矿区薄基岩厚松散含水层煤层开采突水溃砂问题，提出了“疏注结合、先疏后注、边治边探、先治后采”的突水溃砂防治技术路线，并在哈拉沟煤矿予以应用。

综上可知，有关松散含水层注浆改造方面的研究还相对较少，尚处于探索阶段。此外，考虑到矿井水害防治具有很强的实践性，研究成果都具有极强的时间效应和对特定含水层、采矿方式与采矿环境的适应性，因此，对松散含水层注浆变性改造、注浆效果检验等方面还有待深入研究。基于此，以五沟煤矿一采区1010-1 工作面为例，对“四含”及其底部基岩风化带进行注浆改造试验并对注浆效果进行检验，以期为类似条件下的松散含水层治理及煤矿安全问题提供参考。

1 1010-1 工作面治理区概况

1010-1 工作面治理区位于五沟煤矿西南，梯形状，面积约37 123 m2，位于DF38和F14-62 条中型正断层和煤层风化带之间。地层整体为西北向东南逐渐加深的单斜构造形态，地层倾角9°，下伏10 煤层可采储量22.6 万t。“四含”治理区岩性复杂，主要由砾石、砂砾、黏土砾石、粗砂、中砂及黏土质砂等组成，其间0～4 层薄层状黏土夹有砾石、黏土、砂质黏土、钙质黏土等，“四含”底界面埋深264.41～275.18 m，“四含”厚度25.30～47.88 m，含水砂层厚度4.80～30.74 m，单位涌水量0.019 4～0.047 4 L/(s·m)，渗透系数0.093～0.316 m/d。“四含”治理区为弱富水性岩层，主要接受侧向区域径流补给，水平渗透性强，垂直渗透能力次之，其上部“三隔”厚度36～62.35 m。1010-1 工作面治理区水文地质剖面图如图1。

图1 1010-1 工作面治理区水文地质剖面图Fig.1 Hydro-geological section of 1010-1 working face control area

2 松散含水层注浆加固

2.1 钻探工程

采用地面直孔结合定向斜孔逐排施工驱水固沙，共设计43 个地面直孔或定向斜孔，其中，3个注前取心孔（Z12、Z20、Z22）、3 个注后取心检查孔（J4、B1、B2）、36 个治理孔，钻孔以加固“四含”及其底部基岩风化带为主要目的，注浆钻孔间距28.3 m，终孔位置必须进入基岩以下10 m，累计完成钻探进尺11 790.03 m（一开10 408 m，二开1 382.03 m），取心243.03 m，扫孔336 次，测斜11 790.03 m，压水试验44 次，总注浆量70 263 t（其中水泥57 738 t，粉煤灰12 525 t）。钻孔结构示意图如图2。

图2 钻孔结构示意图Fig.2 Schematic diagram of borehole structure

钻孔采用二开孔身结构：一开段至基岩面以上25 m，孔深约245 m，孔径 ϕ215.9 mm，下入ϕ177.8 mm×8.05 mm 套管，水泥固井；二开治理段，孔径 ϕ152 mm，分段下行式注浆治理，单位段长4～6 m，终孔至基岩顶面下10 m。

2.2 注浆工程

注浆工程的主要目的是对煤层顶部“四含”及“四含”底部基岩风化带进行注浆加固，通过地面钻孔将配制好的浆液高压注入目标地层，将含水层变为隔水层或有效隔水层，由Ⅰ类、Ⅱ类水体转变为接近疏干的Ⅲ类水体[21]，最终实现解放浅部“四含”煤柱资源。

2.2.1 注浆材料

注浆材料为水泥及粉煤灰，水泥型号为矿渣硅酸盐水泥，强度等级为P.S 32.5。在保证工程质量的同时为了最大限度降低治理成本，注浆前对水泥掺注粉煤灰、石膏的可行性进行了探究。试验采用粉煤灰和石膏分别以不同比例替换不同标号水泥，以配制不同比重混合浆液，最终通过混合浆液结石率及单轴抗压强度反映不同类型浆液性能，粉煤灰掺比试验设计见表1。

表1 粉煤灰掺比试验设计表Table 1 Fly ash ratio test design table

表1 中，混合浆液比重=（组分1 的比重×组分1 的体积比例+组分2 的比重×组分2 的体积比例+···+组分n的比重×组分n的体积比例）/总体积，其中，每个组分的比重是指该组分的密度与水的密度之比。总体积是混合物中所有组分的体积之和。

共计制备不同水泥-粉煤灰掺注比例的水泥标准试试块38 组114 件试块，经28 d 养护后送检进行单轴抗压强度及结石率测试，结果表明：粉煤灰与水泥配制的混合浆液在粉煤灰掺比比例小于50%时，水泥-粉煤灰试块强度与粉煤灰掺比呈正相关，且远高于水泥净浆试块强度。

不同水泥-粉煤灰配备下的混合浆液结石率试验结果表明：水泥-粉煤灰混合浆液结石率高于水泥净浆结石率，一般比纯水泥浆液高20%，在粉煤灰掺量20%时结石率最高。

2.2.2 注浆工艺

注浆采用分段下行式、劈裂注浆法，连续与间歇注浆相结合的注浆工艺，设计单位注浆段长为4～6 m（可根据实际施工情况调整），进行简易水文观测，最后对钻孔进行高压注浆。每次注浆前，均需进行压水试验，目的在于疏通注浆管路及孔内岩石裂隙，测定受注段透水率。压水试验一般先用稀浆进行试注，了解该孔地层可注性、注浆压力变化及邻孔是否窜浆等情况，及时调整注浆参数，最后根据压水试验结果，确定注浆量及比重。

考虑到注浆工程的特殊性，可能会引起相邻孔窜浆、地面变形等问题，进而无法高压注浆，因此注浆压力应根据现场情况进行调整，但原则上总压力不低于受注层位静水压力的2～3 倍，注浆压力达到结束标准后，应逐次换档降低注浆量，直至注浆量小于60 L/min，并维持30 min，则可停止注浆，最终确定注浆压力为2.5～3.5 MPa。

3 注浆效果检验

3.1 浆液扩散范围

3.1.1 钻孔窜浆分析

浆液扩散范围从施工过程中钻孔窜浆、钻遇水泥进行了初步分析。施工过程中，随着施工钻孔增多，孔间窜浆现象时有发生。分析认为，该原因主要是受孔间压力传递所致，钻探施工过程中受周边注浆孔压力影响或者是由于观测孔水位上升均会出现孔口返浆现象。注浆过程中共发现窜浆16 次，窜浆距离28～89.5 m，但有很多相邻钻孔注浆期间无联系或者无明显联系，说明浆液在“四含”中扩散极不均一，因此，注浆过程需通过控制注浆量控制浆液的扩散范围。对于工程施工窜浆问题，主要采取分区施工、钻探及注浆分区分时段施工、同一区域同注同扫方式以及钻探施工时周边不进行注浆、注浆时周边孔不进行钻探等方法，以尽可能地减少孔间窜浆对施工的影响。

3.1.2 钻遇水泥情况

在工程施工过程中，钻探下延揭露的“四含”及基岩段岩屑中时有钻遇水泥的情况，除去注前3 个取心孔以及注后3 个取心检查孔，36 个治理孔二开下延段钻探施工共捞取1 179 包岩屑，捞取的1 179 包岩屑中可见水泥的有281 包，水泥可见率约23.8%，“四含”细砂、中砂、粉砂、黏土质砂、砂质黏土及黏土中均有发现，基岩层位粉砂岩、砂质泥岩及泥岩中也均有发现，整体上“四含”多于基岩，其中，“四含”水泥含量质量分数少则3%～5%及10%～20%，多则40%～50%甚至可达70%。“四含”中上部细砂层含零星水泥，中部粗砂、细砂层含水泥质量分数达15%～50%，黏土质砂、砂质黏土及基岩砂质泥岩风化段含少量水泥；“四含”底部接近基岩粉砂层位置含水泥碎屑质量分数达10%～75%，基岩段上部风氧化带层段粉砂岩含固结状水泥碎屑质量分数10%～15%。

注入后的浆液在地层中存在的形式主要包括：固结状水泥碎屑，颗粒状，薄片状、零星水泥块及未固结浆液。通过分析水泥含量及形态，发现在“四含”及基岩层位有水泥充填，上部“三隔”层位并未发现，同时，部分钻孔下延过程中就已发现水泥颗粒，水泥在形态上呈薄片状和粒状。分析认为：该水泥一部分来自本孔上一次注浆扩散至下部地层，更多一部分则来自周边钻孔注浆扩散，说明扩散范围达到钻孔间距。

3.2 地表变形间接反映浆液扩散范围

1010-1 工作面治理区“四含”注浆改造试验工程，地表岩移观测布设高程基准点6 个，场地外东、西、南、北4 条线布置地面变形监测点101个，场地内布设监测点26 个。场地内监测点竖向位移监测结果如图3。

图3 场地内监测点竖向位移曲线Fig.3 Vertical displacement curves of monitoring points in the site

结果表明，截至2021 年3 月5 日，变形量大于100、150、200 mm 的 监 测 点 分 别 有16、7、3 个，监测点变形量从大到小依次为J7（225.0 mm）、J15（221.5 mm）、Z14（207.8 mm）、J6（179.6 mm）、Z20（176.9 mm）、J8（173.8 mm）、Z9（172.9 mm），场地内变形量均表现为抬升。

场地外监测点竖向位移监测结果如图4～图7，其中，监测点累计变形量为负值时，表示抬升点，监测点累计变形量为正值时，表示下沉点。

图4 东线监测点竖向累计位移曲线Fig.4 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points on the eastern line

图5 西线监测点竖向累计位移曲线Fig.5 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points on the western line

图6 北线监测点竖向累计位移曲线Fig.6 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points on the northern line

图7 南线监测点竖向累计位移曲线Fig.7 Vertical cumulative displacement curves of monitoring points in southern line

经分析知：东线最大抬升点（E1）变形量175.5 mm，北线最大抬升点（N1）变形量89.4 mm，南线最大抬升点（S2）变形量86.5 mm，西线最大抬升点（W1）变形量63.1 mm，可见东线变形较为明显。场地外变形监测结果表明：地表抬升影响范围约300 m，300 m 之外监测数据显示地表变形表现为略有下沉，北部塌陷区下沉较为明显，下沉区域较大，N14监测点以外均出现明显下沉，其中，最大下沉变形为北侧最远监测点N21（约48 mm）；东、西、南线仅发生局部明显下沉，未出现大面积下沉现象，最大下沉变形监测点分别为E6（约50 mm）、W17（约64 mm）、S19（约75 mm）。

从地面变形监测数据分析可知：抬升最远影响范围为东线E10（距注浆钻孔施工区东侧边界约300 m），西线W12（距注浆钻孔施工区西侧边界约355 m），南线S10（距注浆钻孔施工区南侧边界约290 m），北线N12（距注浆钻孔施工区北侧边界约305 m），但浆液扩散距离远小于该距离，因此，分析认为地面变形远端主要受压力传导作用形成变形。

本次场地外地表岩移总共进行了20 个周期（10～15 d 为一个周期）检测，对场地外东、西、南、北线最具代表性的E1、W1、S1、N1监测点在每个监测周期内地表岩移变化量进行统计并绘制周期性地表变形量与该周期内注浆量关系曲线，周期性地表变形量曲线如图8，周期性注浆量曲线如图9。

图8 周期性地表变形量曲线Fig.8 Curves of periodic surface deformation

图9 周期性注浆量曲线Fig.9 Periodic grouting volume curves

由图8、图9 分析知：前6 个周期北线和东线开始抬升，北线和东线主要变形集中在第6 周期至第13 周期；南线和西线从第8 周期开始抬升，这与场地内先期北部开始注浆随后逐渐向中部及南部施工注浆有关。从北线周期变形量可看出：其与周期性注浆量呈正相关，即注浆量越大，地表上升变形量则越大，北部注浆在第14 周期结束后从第15 周期开始，北部整体表现为地表下沉。南部从第5 周期后开始有抬升，且在第9 周期注浆量最大时变形量也达到最高值，该周期以中部注浆为主，说明浆液明显向南部扩散。场地东部从开始注浆一直抬升，初期抬升较缓，第9 期至第13 期中期注浆量较大时抬升量也相应较大，17周期之后出现地表下沉现象，该周期内场地内只有B2孔有少量注浆。除东线之外其他各线监测数据也表明地表有下沉现象，分析认为，该现象主要是由于前期注浆地层受压，后期周期内无注浆或注浆量较少使得地层压力释放所致。

通过上述分析表明，治理区浆液扩散范围受地层介质差异影响明显，部分区域浆液扩散范围达到设计孔间距，部分区域未达到，同时，注浆对地表变形影响体现在浆液扩散和压力传导，并以压力传导为主。

3.3 注后取心检查孔探查

选取J4、B1、B2孔进行钻孔取心和水文地质试验。注后取心检查孔钻探下延揭露“四含”及基岩段岩屑时钻遇水泥情况主要存在于“四含”层位，注后取心检查孔岩心中发现注浆水泥主要以层状水泥块、脉状水泥、柱状水泥及水泥碎块等形式存在，局部断面也见水泥充填，胶结完好，充填密实，说明前期注浆效果较好。

根据3 个注后取心检查孔施工情况可知，J4、B1、B2孔取心率分别为63%、69%、69%，累计完成取心进尺102 m，注浆前Z12、Z20、Z22孔取心率分别为49%、58%、65%，注后取心检查孔取心率高于注前取心孔，与注前取心孔样品测试相比，注后取心孔样品真密度略有增大，含水率略有减小，抗压强度、抗拉强度、抗剪强度略有增大。

选取J11钻孔对基岩风氧化带取心样品进行检测，J11孔基岩风氧化带取心试样见表2。

表2 J11 孔基岩风氧化带取心试样Table 2 Core samples for bedrock wind oxidation zone in well J11

结果显示：取样段基岩风氧化带抗压强度范围为3.03～11.10 MPa，抗压强度随采样深度增加呈现先增大后减小再增大的趋势，且取样段底端抗压强度大于顶端；与注前取心孔（Z12、Z20、Z22）抗压强度相比，远大于注前取心孔基岩段抗压强度（1.96～2.18 MPa），表明受注浆治理影响，基岩风氧化带抗压强度增强约2～5 倍，注浆效果较为显著。

4 结 语

1）“四含”治理区岩性复杂，富水性弱，主要接受侧向区域径流补给，水平渗透性强，垂直渗透能力次之；注浆改造工程以加固“四含”及其底部基岩风化带为主要目的，采用地面直孔结合定向斜孔逐排施工驱水固沙方案，共设计了43 个地面直孔或者定向斜孔，其中3 个注前取心孔、3 个注后取心检查孔、36 个治理孔。

2）混合浆液强度受制于粉煤灰掺比比例，粉煤灰与水泥配制的混合浆液在掺比小于50%时，水泥-粉煤灰试块强度与粉煤灰掺比呈正相关；混合浆液强度、结石率均高于水泥净浆试块，混合浆液结石率一般比纯水泥浆液高20%，在粉煤灰掺量20%时结石率最高。

3）治理区浆液扩散范围受地层介质差异影响明显，浆液在“四含”中扩散极不均一，浆液最大扩散距离为89.5 m，最小28 m，部分区域浆液扩散距离达到设计孔间距，部分区域未达到，注浆过程需通过控制注浆量控制浆液扩散范围，宜采用间歇连续式注浆以控制浆液在治理区域内扩散；注浆对地表影响体现在浆液扩散和压力传导，并以压力传导为主；

4）注后取心检查孔钻遇水泥情况主要存在于“四含”层位，其岩心中发现注浆水泥以不同形式存在，局部断面也见水泥充填，胶结完好，充填密实；注后取心检查孔取心率高于注前取心孔，注后取心孔样品真密度略有增大，含水率略有减小，抗压强度、抗拉强度、抗剪强度略有增大，但基岩风氧化带注浆后岩层抗压强度随采样深度增加呈现先增大后减小再增大的趋势，其抗压强度增强约2～5 倍。