动水注浆技术在山西大远煤业快速复矿中的应用研究①

王 卓 连会青 方秀珍

(1.冀中能源峰峰集团山西大远煤业有限公司技术部，山西忻州 034000;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

在矿山行业中，矿井水害带来的危害越来越严重，仅次于瓦斯爆炸。目前主要治理矿井水害的手段有疏干排水、疏堵结合、注浆堵水等三种。而对矿井水进行疏干排水往往会导致地面沉降等工程地质问题，还会引起一系列环境问题，同时也是对水资源的一种浪费。因此，采用注浆堵水方法防治水，对保护水资源和保证矿区持续发展具有重要的意义［2］。

本项目实施合理整合的动水注浆方案对山西大远煤业有限公司试采过程中的1201南工作面上巷附近2煤底板突水进行封堵防治工作。突水防治前期治理采用地面注浆，为后期动水注浆堵水提供了便利条件，使动水注浆成为可能。山西大远煤业有限公司动水注浆封堵成功，并快速复矿，为其取得了良好的经济和社会效益。

1 概况

1.1 基本情况

山西大远煤业有限公司，位于山西省忻州市静乐县城东北部35km的杜家村镇杜家村村北。井田南北长 3.54 km，东西宽 1.25 km，面积4.8554 km2，为一较规则南北向的长方形。井田总体走向北东，倾向北西的单斜构造，倾角一般30°～35°，最大可达45°(见图1)。煤盆地边缘以断裂构造为主，褶曲为辅，煤盆地内部以褶曲为主，断裂构造为辅。区域内断层较少，未见岩浆岩侵入，轨道暗斜井掘进过程中曾揭露一个轴长15m的陷落柱。井田内部被新生界第四系中更新统、全新统覆盖，由东向西依次出露石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组、三叠系下统刘家沟组，属于典型的“三软”地层构造。

图1 大远煤业位置及构造纲要图

1.2 突水原因分析

1201南工作面标高+1118.5 m～+1212.3 m，工作面倾斜长150 m，走向长600 m，井田主要可采煤层为2、5+6号煤层(见图2)。煤矿床以顶板砂岩裂隙含水层充水为主，根据抽水试验资料，主要充水层富水性弱，井田内构造简单。一般情况下，煤矿床的水文地质勘探类型为二类一型，即水文地质条件简单的以顶板进水为主的砂岩裂隙充水矿床。该矿奥灰水位高(奥灰含水层水位标高+1493.97 m(2004年数据))，属于带压开采，存在奥灰突水威胁，从1201南工作面未揭露任何构造的情况下发生突水(突水量1400 m3/h，出水点标高+1210.3 m)进行初步判断，煤层底板或裂隙发育或存在隐伏导水陷落柱。

图2 大远煤业井田水文地质剖面图

2 1201南工作面突水防治方案

2.1 整合的动水注浆方案

根据1201南工作面出水通道和矿井水文地质条件，在动水条件下，采用动水注浆技术，为顺利实施动水注浆的注浆封堵截流，整合了动水注浆方案，将方案分为注浆前期和注浆后期。动水注浆前期为后期动水注浆创造有利的条件，突水治理方案:采用地面注浆结合强排复矿的指导思路，注浆方法采用封堵突水通道为主、封堵主要过水巷道为辅的实施方案。由于前期在工作面上巷已注入一定量的固料，且1201南工作面采动后会因顶板的垮落与相邻的老采空区相通，再充填巷道意义不是太大。因此，注浆方案后期，优化钻孔布置，优化后的注浆堵水方案:以注浆封堵突水通道及充填突水水源奥灰含水层顶部裂隙为主，并采取动水注浆技术，堵水与强排复矿同步进行，力求尽快复矿。

2.2 钻孔布置

为了实施动水注浆方案，根据大远煤业的水文地质条件，合理优化布置钻孔的位置和用途，确定钻孔的深度、孔间距及分支孔的布置等。

前期，钻孔共布置了5个孔(见图3)。其中: 1#、2#、5#三个钻孔(钻孔的终孔层位及深度见表1)，为探查、堵水孔。由工作面实体区一侧向采面突水区域定向施工。钻孔穿过2#煤的位置距工作面煤壁水平投影距离保持10m以上，穿过2#煤后，延伸至5#煤以下20m终孔。通过1#孔钻探、电测井，观察耗浆量及测量水位等，探查地层层位、导水通道、导水构造等技术参数。与此同时，选择2#煤底板～5#煤下20m作为注浆段，采用下行注浆方式，即钻进过程中只要揭露导水通道，就立即进行注浆封堵，然后再延伸，边打边注。主干孔打、注完毕，在综合分析的基础上，再打分支孔，一孔多支，优化布局，点面结合，力求取得最佳堵水效果。3#、4#两孔，为截流孔。钻孔孔底直接命中工作面上巷(钻孔的终孔层位及深度见表1)。钻孔打透巷道后，投注固料(石子、河沙等)，在巷道内堆积。主要作用是减缓上巷水流流速，阻滞部分跑浆在泵房、大巷沉淀，为排水复矿创造条件。

图3 钻孔布置平面图

后期，按照优化后的堵水设计继续开展注浆堵水工作。先后对2#孔、3#孔进行延深，新开工了6#、7#(6#、7#主干孔及分支孔终孔层位及深度见表2)两个钻孔作为堵水孔，落点在工作面煤壁以外实体煤上，并在主干孔打、注完毕后，在综合分析的基础上，再打分支孔，分支孔呈放射状布置，点面结合。6#主干孔和7－4分支孔钻探、电测井，观察耗浆量及测量水位等，探查地层层位、导水通道、导水构造等技术参数。

由图4可见，6#、7#和3#三个孔在后期，注浆效果明显(6#、7#两孔共注水泥9667 t)，说明孔位置布置合理，而1#、4#、5#和2#四个孔在前期注浆中充分发挥了封堵截流的作用，为后期动水注浆创造了有力的条件，使动水注浆技术在大远煤业得以成功应用于封堵截流。

图4 各孔前后期材料消耗总量比率

2.3 钻孔结构

根据大远煤业的水文地质条件和钻孔的位置及用途，确定钻孔的结构，为顺利实施整合的动水注浆方案打下基础。对于注浆钻孔而言，采用开孔Φ311mm的孔径，下Φ244.5×8.94mm套管隔离第四系松散层，然后用Φ215.9 mm的孔径下Φ177.8×8.05 mm套管隔离2#煤层，下入2#煤层底板10～15 m处。2#及3#钻孔用Φ152 mm孔径下入Φ146×5 mm的套管隔离2#煤层采空区，并对2#煤层采空区灌注砂、石子等固料，注完固料后，穿过采空区进入含水层顶部，对含水层实施注单液或双液浆。

2.4 动水注浆

在动水条件下，为实现有效注浆截流，快速追水复矿，技术上采用地面注双液浆、灵活添加各种固料、间歇注浆等方法进行动水注浆。动水注浆是根据钻孔的可灌性和突水点突水量大小及在堵水过程中水量变化，在井下通过固料器可添加任何固料，通过混合器可调节浆液配比，控制浆液凝固时间，最终封堵出水点［3］。

根据1201南工作面水文地质条件和出水通道，本次动水注浆主要采用:注单液、双液(水泥、水玻璃)和固料(海带、锯末)相结合;连续注浆与间歇注浆相结合的综合注浆堵水方法。

注浆工艺直接影响到注浆堵水的效果，本工程动水注浆施工过程中严把质量关，并实时监控注浆孔周围的水文地质情况，进行实时调整。动水注浆过程中主要注意到了以下各项:

1)不同钻孔条件采用不同注浆材料和注浆工艺。

2)当钻孔漏水量较小或消耗水时，以单液浆为主;当孔内畅通跑浆严重时，以注固料或双液浆为主。

3)注固料时先细后粗，速度适宜，孔内钻具转动，以免埋住钻具。

4)注双液浆时首先做好配比试验，计算好孔内混合器的位置，确定混合段的长度;注双液浆的时间不宜过长，视堵水效果确定一次注浆时间。

5)根据不同钻孔条件，适当调整凝胶适宜时间。

6)注浆结束后，压水保留通道以备下次再用。

7)保持适宜的注浆终孔压力，避免导致底板再次活动，扩大出水通道，使出水量加大。

2.5 整合的动水注浆前后期分析

整合的动水注浆方案在大远煤业成功注浆封堵截流与制定正确的堵水方案、准确施工堵水钻孔、科学合理的注浆工艺、精心组织各项工作密不可分。

根据大远煤业5+6号煤层至奥陶系顶面间的岩层厚60m左右，岩性以泥质岩类为主的地质条件，由表1可见，前期钻孔主要布置在5+6号煤层下，能很好的完成整合的动水注浆方案的前期封堵突水通道的目的，并为后期动水注浆加固了底板，为动水注浆顺利实施创造了有力条件。根据大远煤业5+6号煤距奥灰含水层顶面间距60m的水文地质条件，为实现整合的动水注浆方案后期充填突水水源奥灰含水层顶部裂隙的目的，由表2可见，后期布置的钻孔能顺利的完成注浆封堵突水通道的任务。

由图5和图6可见，注浆后期主要消耗的材料集中在盐(21665 kg)、三乙醇胺(2094.9 kg)、锯末(40215 kg)和水泥(17727 t)的有效使用上，实现了在动水条件下的有效注浆封堵截流，可见盐、三乙醇胺、锯末和水泥在动水注浆中起到了至关重要的作用，为顺利实现动水注浆技术在大远煤业的成功应用创造条件;注浆前期主要消耗的材料集中在速凝剂(2000 kg)、水玻璃(401.4 t)、砂子(56 m3)和海带(5000 kg)的合理使用上，实现了封堵突水通道的目的，可见速凝剂、水玻璃、砂子和海带在封堵突水方面发挥了不可替代的作用。

表1 前期钻孔的终孔层位及深度

表2 后期钻孔的终孔层位及深度

图5 注浆前期和后期孔的材料消耗比率

图6 各孔消耗每种材料量

3 堵水效果

矿井注浆堵水工程共施工堵水钻孔为主孔7个、分支孔7个，钻井总进尺4251.94m，共注水泥23749 t，锯末50.815 t，海带5.305 t，河沙60.5 m3以及三乙醇胺、盐、水玻璃等辅助材料427 t。工程竣工后，实测原突水点(封堵前突水量1400m3/ h)涌水量仅剩40 m3/h，堵水率达到97.2%，目前矿井总涌水量已稳定在220～230 m3/h(图7，可见大远煤业的注浆封堵、边排边注效果显著，使动水注浆技术得到了成功应用。

1201工作面采取动水注浆，堵水与强排复矿同步进行的快速复矿方案。注浆后期同时对矿井进行巷道清淤，在清淤过程中原出水点残流水量未增加，由此证明此次注浆堵水工作效果良好。历经一年的时间后，矿井安全生产系统全部恢复。煤矿复矿后每年可实现利润3.6亿元，而且此次矿井动水注浆、边注边排的成功具有一定的工程推广价值。

图7 大远煤业2008年5月－2012年5月涌水量变化曲线图

4 结论

1)整合的动水注浆方案，边注边排同步进行。

2)动水注浆技术主要采用注单液、双液和固料相结合，连续注浆与间歇注浆相结合的综合注浆堵水方法。

3)此注浆堵水复矿工程的实施过程中地面打钻、电测资料及实践，有助于矿井水文地质环境的再认识。

山西大远煤业有限公司动水注浆堵水成功不但消除了突水对采区造成的威胁，而且恢复了1201工作面的正常回采，同时将煤矿水文地质条件研究和防治水工作推到一个新的高度，并对以后研究宁武煤田以至全国相同类型的矿井防治水治理工作具有深远的意义。

［1］ 李彩惠.动水条件下大流量突水巷道骨料灌注技术［J］.华北科技学院学报，2009，6(4): 106－107

［2］ 湛铠瑜，隋旺华，王文学.裂隙动水注浆渗流压力与注浆堵水效果的相关分析［J］.岩土力学，2012，33(9):2650－2655

［3］ 冀焕军，王保群.井下动水注浆堵水技术研究［J］.陕西煤炭，2010(5):68－69

［4］ 王育伟，薛龙志.综采工作面突水井下注浆封堵施工技术［J］.科协论坛，2011，9(下):15－16

［5］ 李永生，何云灼.综采工作面底板灰岩突水井下动水治理实践［J］.安徽科技，2012，7:52－53

［6］ 秦庆新，张彬.千米立井动水注浆特性研究［J］.水资源与水工程，2012，23(4):115－118

［7］ 王帅.基于动水注浆试验与数值模拟的动水注浆压力场研究［D］.山东大学，2012

［8］ 张霄.地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理研究及应用［D］.山东大学，2011