地面返流注浆堵水技术及应用研究

张秋成 李金海 刘丙申 徐永红

（郑州祥隆地质工程有限公司，河南省郑州市，452371）

地面返流注浆堵水技术及应用研究

张秋成 李金海 刘丙申 徐永红

（郑州祥隆地质工程有限公司，河南省郑州市，452371）

在对注浆堵水技术研究及水害治理实践的基础上，提出了地面返流注浆堵水技术，就其治理掘进巷道突水、采煤工作面突水和隐伏构造突水的堵水机理和关键技术作了探讨，进行了工程应用，结果表明，宿驾窑煤矿和吴村煤矿采用地面返流注浆堵水技术后，堵水率分别为98%和100%，效果明显。

注浆堵水 地面返流 水害治理

随着煤炭开采深度的增加、开采方式和工作面开采空间尺度的变化及机械化程度的明显提高，矿井水害产生条件、威胁程度及水害形成机理也发生很大的变化。地面注浆堵水已成为煤矿突水淹井事故治理的良方，前人曾在注浆堵水材料、设备及施工工艺等方面做了大量研究与实践工作，但未能实现矿井快速恢复等关键技术的理论化、系统化，急需突破“经验治水”的层次。因此，探索适应新采掘条件下的矿井水害治理技术，实现灾后的快速复矿，是当前一项非常重要和紧迫的任务。笔者通过研究及堵水实践经验提出地面返流注浆堵水快速治理技术，为矿井水害治理提供一种新方法，对该领域具有一定的指导意义。

1 地面返流注浆堵水技术原理

煤矿发生突水淹井事故后，首先应选择在突水点附近工作面或巷道截流，使突水点附近形成密闭空间，在井巷其他区域实行强排水，尽快恢复矿井其他工作区间的正常生产。地面施工准确命中巷道打孔后，只有向巷道（裂隙）截流部位投入大量骨料，将巷道（裂隙）导水通道宽度变窄，巷道（裂隙）内管道流衰减为渗透流，增大水流沿程阻力，水泥浆才会在骨料间隙中充填凝固，起到截流作用。投注骨料后，注浆液在压力差的驱使下，充填到骨料及裂隙间的细小通道，把巷道及其顶底板加固成一个整体，从而达到截流之目的。

截流成功后，巷道或工作面附近形成了只有导水通道与含水层连通的密闭空间，即可在突水点附近地面施工钻孔加压注浆，迫使浆液沿导水通道流向含水层，占据导水通道及含水层富水空间，以堵塞导水通道或改造含水层为隔水层，实现封堵突水水源和导水通道的目标，此谓地面返流注浆堵水。

2 适用水害类型及其关键技术

2.1 掘进巷道突水治理

巷道一般布置在完整性好、硬度较高的岩层中，掘进巷道突水，一般是揭露了导水断层或遇岩溶裂隙较发育地段所致。首先应在巷道距突水点一定距离施工截流孔，使突水点附近形成只有突水通道与含水层连通的密闭空间。

式中：P含——含水层水压，MPa；

P水——巷道截流水压，MPa；

h——含水层水位标高，m；

H——煤层底板标高，m；

M——底板隔水层厚度，m；

P注——注浆压力，MPa；

P浆——浆液柱压力，MPa。

注浆前，含水层水压P含略大于巷道和钻孔水压P水；高压注浆时，截流巷道中的水被压缩，界面ab上压力P水大于含水层水压P含，且随注浆压力升高，P水值亦逐渐增加，而含水层压力值P含保持不变。注浆液具有流向弱势压力通道的属性趋势，于是徐徐注入含水层，迫使水沿导水通道返流回含水层及储水构造中，堵塞导水通道，加固隔水层，见图1。

图1 掘进巷道返流注浆堵水示意图

2.2 采煤工作面突水治理

工作面回采过程中，当遇到底板隔水层较薄或构造裂隙较发育地段，底板下部高压承压水较易发生突水。首先在突水点附近的上下巷或者突水点两侧煤层完整地段的地面施工两个截流孔进行截流，在巷道其他地段排水可恢复生产。工作面回采后，采空区放顶形成的冒落带内被杂乱无章的塌陷物所充填。为此，在突水点附近地面施工的注浆孔钻进到采空区冒落带后，停止钻进。为堵截下部含水层水上涌，应向采空区充填骨料，使原突水水流由管道流衰减为渗透流，缩小出水通道，减小水量，并注浆加固，使之形成具有一定抗压强度的混凝土帽，此谓“盖帽截流”，兼有阻隔煤层顶板水作用。然后再钻进至底板含水层，投放骨料，返流高压注浆，迫使水沿导水通道返流回含水层，封堵裂隙导水通道，或者浆液顶替含水层中水流向其他区域。应采用下行注浆法，延深一段，加固一段，改造此段含水层为有效隔水层，见图2。若出水点较分散，还应对不同含水层施工多个钻孔进行立体注浆。

图2 采煤工作面返流注浆堵水示意图

2.3 隐伏构造突水治理

在工作面回采或者巷道掘进的过程中，由于采动的影响，裂隙有可能导通下部隐伏构造诱发突水。此类隐伏构造主要有隐伏断层或隐伏陷落柱，虽不切断煤层或距煤层较远，但通常突水速度快，突水量大。对此类突水治理依然是先巷道截流，使突水点附近形成密闭空间，做到只有导水通道与突水水源连通，在矿井的其他地段排水恢复生产。隐伏构造突水因其水压高，水量大，多以管道流形式突水，需先注骨料。可据式（3）计算导水通道半径，选择投注骨料粒径。

式中：r——导水通道半径，m；

Q——单位时间突水量，m3；

c——流出系数；

h——含水层水位标高，m；

H——煤层底板标高，m。

与掘进巷道突水相似，隐伏构造中水压P隐略大于巷道和钻孔水压P水，当在突水点附近地面施工注浆孔，实行高压注浆过程中，截流巷道中水被压缩后，其压力P水大于含水层水压P隐，浆液就会顶替水沿导水通道返流回储水构造中，在此过程中堵塞突水通道。需特别注意的是，开始注浆时压力应较小，避免因压力过大，造成导水通道的严重破坏，并产生新的裂隙导水通道，增加治理难度。突水通道堵塞，并不意味着治水结束，巷道或工作面推进若欲顺利通过隐伏构造地段，还需施工多个注浆孔对其进行专项治理，对底板或隐伏构造进行彻底的改造加固，见图3。

图3 隐伏构造返流注浆堵水示意图

3 实例应用

（1）偃师市宿驾窑煤矿22016工作面回采过程中，2010年1月12日发生采空区滞后突水，实测最大涌水量达2000m3∕h，矿井被淹。

分析认为突水水源以底板灰岩特别是寒灰岩溶裂隙水为主，二1煤上第三系砾石层水参与。工作面东部断层下盘奥、寒灰水通过断层附近导水裂隙补给上盘二1煤顶板含水层及第三系砾石层，工作面回采过程中，冒落带又直接导通其上部含水层，导致出水，同时在高压水作用下进一步冲刷和扩展裂隙，寒、奥灰水补给导致突水量进一步增大。

通过实施地面返流注浆堵水工艺，该工程仅施工4个钻孔，注入水泥5824t、粉煤灰3855t、骨料1690m3、添加剂33.18t，做压水试验1次，连通试验1次，历时3个月就实现了突水工作面涌水量由堵水前的2000m3／h，减少至40m3／h以下，堵水率至少在98%以上，堵水十分成功。

（2）吴村煤矿32031工作面在回采时于1999年11月15日19时30分发生特大突水，最大突水量达2378m3／h，二水平稳定突水量为2145m3／h，由于采区泵房排水能力有限，导致整个32采区被淹。

结合水质分析资料确定突水水源应为L2灰岩水和奥灰水。依据突水发生在掘进面，突水量增长迅猛，水流混浊并携带大量岩块等特征，判定导水通道应为导水隐伏陷落柱，且水量没有进一步增大而保持稳定，确定陷落柱的顶端距二1煤底板尚有一定的距离，至少应在L8灰以下。

通过实施地面返流注浆堵水工艺，实测32平台涌出水量为60m3／h，与突水前32采区涌水量80m3／h相比，堵水率达100%以上。本次堵水工程成功，不但解除了全矿井的水害威胁，每年仅排水电费就可节约1300万元，还解放了32采区75万t的储量，使矿井采掘接替得以实现。

4 结论

地面返流注浆堵水工艺的主要内容是，在巷道或工作面截流成功后，实现只有导水通道与含水层连通，进而在突水点附近地面施工钻孔加压注浆，迫使浆液沿导水通道流向含水层，以堵塞过水通道和改造含水层为隔水层，最终实现注浆堵水之目的。主要应用于掘进巷道突水、采煤工作面突水及隐伏构造突水的治理，效果显著，应用前景广阔。

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Technology of ground backflow grouting for water sealing and its application

Zhang Qiucheng，Li Jinhai，Liu Bingshen，Xu Yonghong

（Zhengzhou Xianglong Geological Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 452371，China）

On the basis of the research on the technology of grouting for water sealing and the water hazard control practice，the technology of ground backflow grouting for water sealing was proposed.The water sealing mechanisms and the key techniques were discussed for the water－inrush control in the excavating roadway and on the mining face，and the concealed water－inrush control.The engineering application showed that the water－sealing rate were up to 98%and 100%，respectively，after ground backflow grouting in the Sujiayao and Wucun coal mines.

grouting for water sealing，backflow on ground，water hazard control

TD743

B

张秋成（1968－），男，河南郑州人，工程硕士，高级工程师，总工程师。主要从事煤矿水害治理技术研究工作。

（责任编辑 梁子荣）