10101采煤工作面防治水技术设计与优化

李伟果

(西山煤电(集团)公司 马兰矿，山西 古交 030200)

矿井水害一直是制约和影响煤矿安全生产的一个重要因素，随着煤层向深部开采，采煤工作面受深部奥灰高承压水的影响和威胁的程度更加明显，采煤工作面突水问题日趋严重。本文结合山西吕梁离石西山晋邦德煤业有限公司10#煤层10101采煤工作面的水文地质情况，采取底板注浆堵水的方式，遏制了工作面的突水，给工作面安全生产提供了保障[1]。

1 工程概况

西山晋邦德煤业有限公司10#煤层平均厚度4.06 m，煤层倾角15°，顶板为粉砂岩，厚度5 m，底板为厚度4.5 m的泥岩，泥岩下方为厚度15 m的奥灰石灰岩，奥灰岩内存在大量的涌水，经过三维地震勘探，10#煤层底板泥岩存在较多的纵向和横向裂隙，且奥灰岩有较强的富水性，岩层的渗透系数一般在8～28 m/d，岩层内的水压在5～8 MPa。

综合分析以上地质条件，10#煤层在开采期间，底板隔水层泥岩厚度仅4.5 m，在开采10#煤层期间，隔水层泥岩抗压强度较低，不能抵抗奥灰岩的强大水压，容易导致开采期间突水。因此，采用底板注浆堵水的措施对工作面底板进行加固。

2 工作面防治水方案

10#煤层10101采煤工作面与奥灰岩含水层的层位关系见图1。

图1 奥灰岩与煤层层位关系图

本次注浆采用在回采工作面底板垂直向下打穿层钻孔，安装孔口管进行底板注浆堵水，即对隔水层的薄弱地带进行注浆加固，封堵突水的裂隙。强大的注浆压力将奥灰岩的水封堵到深部的层位，从而减少对工作面的威胁，使工作面在开采期间隔水层能够起到一定的抵抗水压的作用。

2.1 施工工序

考虑到10#煤层首采工作面的开采现状，注浆钻孔测点决定布置在距离开切眼100 m的范围内。钻孔测点布置见图2。

考虑到奥陶纪灰岩强大的压力，为了达到较好的封堵水效果，设计注浆扩散半径R=4 m。因此，在煤层倾向方向上每间隔4 m设置一个注浆钻孔，在煤层走向方向上每间隔5 m设置一列注浆钻孔，共计480个钻孔。

图2 注浆钻孔布置平面图

钻孔间距的布置情况：沿着煤层走向间距L=5 m，沿着煤层倾向间距L=4 m。

钻孔的布置方式：各个钻孔的方位角180°，钻孔落底的间距为走向5 m，倾向4 m，采用钻孔直径为75 mm的钻杆垂直工作面底板向下打穿层钻孔，钻杆直至进入奥陶纪含水层为止，当钻杆钻至预计位置后，要及时进行用水量预测。

2.2 施工材料选取

本次工作面注浆堵水材料选用普通硅酸盐水泥，标号为P.042.5R，经过试验得出水灰比为1∶1的配料比较适合本次工作面注浆。

若在注浆过程中频繁出现压力表读数较大且封堵水效果不好的情况，则考虑采用超细水泥进行注浆。因普通水泥粒径较超细水泥大，大量的水泥粒径无法进入到裂隙当中[2]，容易导致注浆失败。

2.3 注浆压力参数选取

奥陶纪灰岩以孔隙水为主，裂缝-微裂缝并存，如果注浆压力较小，无法将水封堵到注浆安全半径意外的范围内，影响注浆效果[3]。本次设计注浆终压取静水压力的2～2.5倍。

注浆压力按下列公式计算[4]：

P=(2～2.5)P0

式中：

P—注浆终压，MPa；

P0—注浆孔口静水压，MPa。

实测孔口的静水压力为7.2～8.5 MPa，由此计算，得出注浆终压为15～24.25 MPa。因此，本次注浆压力选择20 MPa。

3 施工措施及生产工序安排

1) 本次的注浆压力较大，在注浆期间除了操作人员外，禁止注浆钻孔附近有其他人员停留，以免压力过大造成伤人事故。

2) 在注浆过程中，若发现长期注浆压力表读数依然很小，仔细观察是否有漏浆和串浆现象。若没有，则改用粒径较大的水泥进行注浆。

3) 由于奥灰岩强大的水压，在钻孔过程中，要采取措施保持钻机的稳固，以免发生顶钻、卡钻现象。

4) 在工作面推进过程中，注浆和工作面采煤交替进行。工作面注浆期间，与之平行的作业是无突水区域的巷道掘进，需保证煤矿工序的正常进行。当工作面在一定范围内注浆结束后，经过突水效果的检验，确定涌水量减少时，方可进行采煤作业。采煤过程中要打前探孔进行探水作业，发现涌水量增加，则再次进行注浆作业。

4 注浆堵水效果分析

工作面在未进行注浆前，当钻孔扫至预计位置后，采用涌水量预测法对钻孔的涌水量进行预测。当注浆钻孔距离开切眼5 m、10 m时，在注浆前后各个钻孔的涌水情况见图3～5。

图3 距开切眼5 m钻孔涌水量图

图4 距开切眼10 m钻孔涌水量图

图5 注浆后距离切眼不同距离钻孔涌水量图

由图3～5分析可知，本次注浆效果良好，在未进行注浆前，各个钻孔的涌水量平均大于30 m3/h，采取注浆措施以后，距开切眼不同的钻孔单孔涌水量小于10 m3/h。可见，减少了工作面的涌水量，给后期煤层开采创造了良好的施工条件。

由图5可知，钻孔注浆结束后，在距离开切眼100 m的范围内，最小的单孔涌水量由原来的大于30 m3/h降低至2.2 m3/h，虽然仍有钻孔涌水量较大的现状，但是整体上工作面在开采过程中受水害的影响程度已经大幅度降低。

参 考 文 献

[1]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社,2003：27-35.

[2]邓文芳，黄德发.矿井建设技术与管理[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998：5-12.

[3]车兆星，吴士良.井巷工程[M].徐州：中国矿业大学，2005：20-23.

[4]AQ/T1047-2007.煤炭科学研究总院重庆分院.煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法[S].北京：煤炭工业出版社，2007：5-6.