深部煤层高承压水底板注浆改造防治水技术的应用

汪雄友，陈海军，朱和俊，程龙艺

(1.安徽省煤炭科学研究院，合肥 230001；2.中煤科工集团南京设计研究院有限公司，南京 2100313.宣城市地质环境监测和地灾应急中心， 安徽 宣城 242000；4.皖北煤电集团公司刘桥一矿， 安徽 淮北 235162)

深部煤层高承压水底板注浆改造防治水技术的应用

汪雄友1，陈海军2，朱和俊3，程龙艺4

(1.安徽省煤炭科学研究院，合肥 230001；2.中煤科工集团南京设计研究院有限公司，南京 2100313.宣城市地质环境监测和地灾应急中心， 安徽 宣城 242000；4.皖北煤电集团公司刘桥一矿， 安徽 淮北 235162)

以刘桥一矿Ⅱ666工作面6煤为研究对象，针对矿井断裂构造复杂，与煤层开采关系较大的太原组灰岩岩溶裂隙含水层厚度大、富水性强、水压高、补给源充分、开采深度大、地压高等特点，结合以往相邻采区或工作面深部煤层底板开采时发生多次突水事故的实际，在分析矿井6煤顶底板主要突水点情况的基础上，对Ⅱ666工作面的突水系数进行了计算。结果表明，工作面的最大突水系数超过底板构造破坏带区域突水系数临界值，工作面回采前需采取底板注浆改造措施。根据工作面突水系数、底板隔水层厚度和承受水压大小，把工作面分为2段进行全覆盖注浆改造。运用涌水量对比法、物探探测法和突水系数计算法，对工作面的改造效果进行了评价，结果显示，注浆改造后的钻孔涌水量大幅度减小，甚至为零，物探异常区明显变少，突水系数均<0.06MPa/m，达到了预期要求，为保证深部煤炭资源开采系统的正常运行提供了技术保障。

深部煤层开采；太灰岩溶水；注浆改造；底板隔水层；突水系数；刘桥一矿

刘桥一矿位于安徽省濉溪县西北刘桥镇，东北距淮北市约12km。矿井走向长7km，倾向宽1.5～2.0km，设计生产能力118万t/a。矿井主要可采煤层为4、6煤层，均厚4.68m。目前，主采煤层6煤位于Ⅱ66采区。其中，Ⅱ666工作面为Ⅱ66采区的第11个工作面，位于刘桥向斜西翼，整体表现为单斜构造。研究区工作面(图1)北部为Ⅱ668工作面，南部为Ⅱ664采空区，切眼靠近A10陷落柱保护煤柱线，上部为已经回采完毕的Ⅱ468工作面，设计收作线靠近DF27 (115°∠60°H=20m)断层上盘保护煤柱线；工作面走向长245m(平距)，倾向宽156m(平距)，煤层倾角17°～29°，煤层平均倾角25°。煤层厚度2.3～3.4m，平均厚度2.9m。

1 井田地质和水文地质条件概况

1.1 地层

钻探和井巷揭露井田地层有奥陶系、石炭系、二叠系和第四系，地层总厚大于1500m。主要含煤地层为二叠系山西组和下石盒子组。

1.2 构造

井田位于大吴集复向斜南部仰起端，为一不完整的向斜构造形态，地层倾角8°～15°。据现有生产资料分析，井田二水平采区(12线以北)落差≥10m的断层25条(主要煤层中断层)，其中落差>30m的8条，30m≥落差>20m的5条，落差≤20m的12条。断层延展方向大部分与向斜轴走向一致。

图1 Ⅱ666工作面构造示意Figure 1 Working face II666 structural sketch map

1.3 井田主要含水层

1.3.1 煤系砂岩裂隙水含水层(组)

自上到下分为五、六、七、八含水层。

五含为上石盒子组(K1～K5)砂岩裂隙含水层，厚17.10～59.30m，裂隙发育，富水性强。六含为下石盒子组上部砂岩裂隙含水层，厚0～20m，裂隙发育，含水丰富。七含为下石盒子组4煤顶、底板砂岩裂隙含水层，厚15～36.5m，裂隙发育，含水较为丰富。八含为山西组六煤层顶、底板砂岩裂隙含水层，厚0～30m，裂隙发育，含水比较丰富，巷道揭露时出现淋水或底板渗水现象。

1.3.2 太灰岩溶水含水层(组)

太灰厚约130m，由泥岩、粉砂岩和13层灰岩组成，自上而下依次编号。L1～L2为薄层状灰岩，厚度2～3m，含水性弱。L3～L4灰岩均厚8～12m，裂隙溶洞发育、含水丰富，是矿井充水的主要含水层和主要充水水源。一般把1～4层灰岩视为一个含水层组，此组单孔涌水量q=0.992～0.815l/s·m，渗透系数k=2.857～0.045m/d，富水性中等。

1.3.3 奥灰岩溶水含水层(组)

奥陶系是矿区主要含水层，总厚420～560m。奥陶系灰岩在本井田内部隐伏于C-P之下，岩溶裂隙发育，连通性强，含水量丰富。该层钻孔单位涌水量q=2.83l/s·m，渗透系数k=2.36m/d，矿化度为0.80～3.814g/l，水质类型为SO4～NaCa型。

1.4 影响Ⅱ666工作面安全回采的水文地质因素及突水危险性分析

1.4.1 6煤顶底板砂岩裂隙水(八含水)

据矿井瞬变电磁13孔及探查钻孔揭露地质资料，Ⅱ666工作面煤层直接顶厚8.7m，泥岩，局部含粉砂质，裂隙发育；老顶为粉砂岩，灰色，层状，泥质胶结，方解石充填，类比Ⅱ664工作面，回采过程中预计出现3～10m3/h的淋、渗水。

1.4.2 6煤层底板至太灰顶板隔水层(组)

二叠系六煤底板至太灰顶板是矿区主要隔水层，该层岩性主要为泥岩和粉砂岩，夹1～2层砂岩，局部为砂泥岩互层，岩性较致密。一般情况下开采6煤，此段能起到隔水作用，但在局部地段，因受断层影响，间距减小，甚至与灰岩对接，则有可能出现“底鼓”或断层突水。还有部分地段的水位较高，突水系数过高，导致该隔水层隔水性能降低，有可能造成矿坑突水[3]。

1.4.3 Ⅱ666工作面突水危险性分析1.4.3.1 主要突水点情况分析

井田二水平深部采区Ⅱ666工作面6煤层开采时底板破坏深度超过12m，煤层底板与太灰顶界的正常间距约50m，在高水压作用下，断层破碎带沟通太灰水，使其进入矿井的可能性增大[4]，另据井田内探明的24条较大断层中有8条断层落差大于30m，延深到“太灰”以下，有可能导致6煤底板突水。本井田6煤在开采过程中，Ⅱ623、Ⅱ626工作面在回采过程出现了4次水量约210～365m3/h的底板突水灾害，突水水源均为太灰水，最大一次突水量365m3/h，突水通道分别为NWW向小型正断层和近NS向的陈集逆断层(见表1)。

表1 刘桥一矿6煤顶底板主要突水点情况统计Table 1 Statistics of main water bursting points in coal No.6 roof and floor, Liuqiao No.1 coalmine

1.4.3.2 突水系数计算

据地面太灰长观孔水24孔水位资料分析，太灰水位为-370m(2015-09-08)；

六煤层底至L1灰岩顶均厚51.9m；Ⅱ666工作面回采下限标高-765m。

突水系数计算公式为：

Ts=P/M

式中：Ts—突水系数，MPa/m；P—隔水层承受的水压，取3.22MPa；M—底板隔水厚度，取平均值51.9m。

经计算，Ts= 0.086MPa/m，可见该面最大突水系数超过底板构造破坏带区域突水系数临界值0.06MPa/m[5-6]，工作面回采前需采取底板注浆改造措施，降低工作面回采太灰水突水系数。

因此，井田在开采6煤时受底板灰岩承压水水害严重，尤其是在煤层底板薄弱地带、水压高、岩溶陷落柱发育和富水性强的地段需要进行底板注浆改造，以保障矿井安全可靠回采[7]。

2 底板注浆改造方案

2.1 注浆目的层

根据工作面突水系数、底隔厚度和底板承受水压大小，把工作面分为2段进行全覆盖注浆改造：① -690～-730m段改造L1～ L3灰。②-730～-810m段改造L1～L4灰。

2.2 布孔原则

底板注浆布孔分布图见图2。

①工作面以改造海相泥岩～L3或L4灰含水层为主，兼顾加固砂岩。取浆液的扩散半径为35m，对底板实施地毯式注浆改造。并对向斜轴轴部及构造破碎带进行加密布孔，进行重点加固。

② 钻窝布置在Ⅱ666工作面的机巷、风巷，外风巷，保证钻探工程量最小。

图2 Ⅱ666工作面底板注浆钻孔布置Figure 2 Working face Ⅱ666 floor grouting boreholes layout

③以斜孔为主，使揭露的含水层段尽量长，这样注浆效果更好[8]。

④考虑采动影响，加固改造底板范围向工作面四周外扩30m左右。

2.3 钻孔结构

注浆孔裸孔孔径设计Ф75mm，实际深度应不小于设计深度要求，每个钻孔下二级套管，一级为孔口管，二级为保护管。

① 一级为孔口管要求：开孔孔径Φ146mm，第一路Φ127mm护壁管，且应以穿过6煤底板下3m为宜；

② 二级为保护管：下Φ108mm止水套管(保护管)，长度以保证其在底板垂深不小于20m为准，保护管以下为裸孔，孔径Φ73mm。

注浆检查孔的结构同上，套管管材一般选择DZ40普通地质管材，管材厚度根据水压(注浆终压)大小确定，工作面水压>3MPa(注浆终压>7.5MPa)，壁厚6.0mm以上。

2.4 注浆设备与材料

①地面注浆系统由地面造浆系统、注浆泵(泥浆泵)及注浆管路组成。

②井下注浆系统由6台ZLJ4000钻机(37kW)和6台2ZBQ-30/3(7.5kW)注浆泵组成。

③注浆材料采用水泥、粉煤灰的混合浆液或水泥和黏土的混合浆液。水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。单液水泥浆主要用于溶洞、溶隙性含水层，密度为1.20～1.30g/cm3；黏土水泥浆主要用于裂隙、溶隙性含水层，密度为1.16～1.30g/cm3。

2.5 钻探施工

工作面共完成33个底板钻孔的探查任务。其中底板探查孔23个，检查验证孔8个，取心孔2个，钻探工程量6 403.3m。33个钻孔中5个钻孔无水，其余钻孔均有不同程度的出水。从出水钻孔的分布上看，水量较大的钻孔分布在机巷一侧。机巷Z1钻场有7个钻孔均有不同程度的出水，其中水量最大的Z1-1孔水量为80m3/h。Z2钻场有10个钻孔均有不同程度的出水，其中水量最大的Z2-4孔水量为40m3/h。机巷Z9钻场有4个钻孔出水，其中水量最大的Z9-3孔水量为20m3/h。Z10钻场有8个钻孔均有不同程度的出水，其中水量最大的Z10-4孔水量为75m3/h。

2.6 注浆工程

工作面共完成33个钻孔注浆施工，采用单液水泥浆，总注浆量2 238.94m3，水泥675.34t。单孔注浆量最大的为Ⅱ666风巷Z10-4，注入浆液501m3，水泥145.4t。

从各钻孔的注浆量分析可知，钻孔注浆量差别较大，涌水量大的钻孔，其注浆量一般也大[9]。例如Z1-1、Z1-3、Z2-2、Z2-4、Z2-7、Z9-3、Z10-4这7个钻孔，注浆量为1 773.2m3， 说明底板太原组灰岩存在岩溶裂隙通道。

3 注浆治理效果评价

3.1 涌水量对比法

同一钻场中，注浆前施工的钻孔涌水量较大，注浆后施工的钻孔涌水量减小甚至为零(见表2)[11]。从表3中可以看出，注浆后煤层底板的导水裂隙得到了有效的封堵，注浆效果明显，另一方面也表明浆液扩散半径较大，影响到相邻钻孔。前期注浆孔注浆量明显大于后期注浆孔的注浆量，这和预期的挤压填充注浆设计原则相一致，注浆后底板岩层得到了较好的加固和改造。

表2 Ⅱ666工作面底板注浆改造验证钻孔探查成果Table 2 Verification borehole explored results of working face II666 floor grouting reformation

3.2 物探曲线分析法

为了了解注浆后煤层底板含水裂隙封堵与含水层改造效果，采用矿井瞬变电磁法和音频电磁透视法在工作面机巷、风巷施工，对注浆后煤层底板再次进行探测。通过注浆前后阻值的变化及低阻异常发育范围对比，分析底板可能存在威胁的含水裂隙发育范围及位置，做针对性的注浆效果检验(图3、图4)。

从图3、图4可以看出，物探异常区明显减少，注浆效果明显。

3.3 突水系数评价

33个底板改造钻孔终孔层位L3～L4，在-690～-730.00段对L1～L3进行了改造，将所注区段L1～L3灰岩改造为隔水层；在-730～-765m段对L1～L4进行了改造，将所注区段L1～L4灰岩改造为隔水层。

①-690.0～-730.0m段(风巷Z9-Z10钻场)取底隔至钻孔实际终孔深度，根据钻孔实际揭露资料统计， 底隔厚度由改造前的平均51.9m增加至72.3～74.5m，底板隔水层所承受的最大水压为4.323MPa，改造后工作面最大突水系数Ts=0.059MPa/m<0.06MPa/m。

图3 Ⅱ666工作面底板注浆前瞬变电磁探测富水异常区Figure 3 Working face II666 floor TEM prospected water yield property abnormal places before grouting

图4 II666工作面底板注浆后矿井综合物探磁探测异常区Figure 4 Working face II666 floor integrated geophysical prospecting magnetic abnormal places after grouting

②-730.0～-765.0m段(机巷Z1、Z2)取底隔至钻孔实际终孔深度，根据钻孔实际揭露资料统计，底隔厚度由改造前的平均51.9m增加至88.0～91.1m，底板隔水层所承受的最大水压为4.83MPa，改造后工作面最大突水系数Ts= 0.055MPa/m<0.06MPa/m。

经注浆改造后-690～-765m段Ⅱ666工作面突水系数符合要求[5,12-13]，可以实施安全开采。

4 结语

①根据钻孔出水深度、水量及水质分析结果分析均为灰岩水，说明底板裂隙较发育，与下伏灰岩存在导升现象。

②从钻孔注浆量的差别分析，涌水量大的钻孔注浆量也大，说明底板太原组灰岩存在岩溶裂隙通道。

③根据矿井瞬变电磁和矿井地质及水文地质资料分析可知，工作面风巷(机巷)底板及工作面靠近风巷(机巷)一侧煤层底板探测范围内注浆效果较好。

④注浆加固后采面底板有了较好的改善，富水异常区域不再是大范围的出现，异常程度较改造前有明显变低。底板注浆加固效果明显，总体上达到了设计要求。

⑤注浆后工作面底隔厚度增加，突水系数降低，改造前工作面最大突水系数为0.086MPa/m，改造后为工作面最大突水系数0.059MPa/m。

⑥由于底板突水机理复杂，影响因素较多，建议加强工作面底板构造探测，做到有疑必探，先探后掘，以防为主，防治结合，并在煤炭回采过程中加强对底板的实时监测，防患于未然，确保煤炭开采的安全性。

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Application of Water Control Technology in Grouting Reformation of Deep Part Coal Floor above High Pressure Confined Aquifer

Wang Xiongyou1, Chen Haijun2, Zhu Hejun3and Cheng Longyi4

(1.Anhui Academy of Coal Science, Hefei, Anhui 230001; 2.Nanjing Design and Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Nanjing, Jiangsu 210031; 3.Xuancheng City Geological Environment Monitoring and Geological Hazard Emergency Center, Xuancheng, Anhui 242000; 4.Liuqiao No.1 Coalmine, Wanbei Coal-Electricity Group Co. Ltd., Huaibei, Anhui 235162)

Taking the coal No.6 in working face II666, Liuqiao No.1 coalmine as the subject investigated, in allusion to the features of complex faulted structures, and a thick, water yield property strong, high water pressure, plenitudinous source Taiyuan Formation limestone karst fissure aquifer, as well as deep mining depth and high ground pressure, combined with reality of previous multiple floor water bursting happened in neighboring winning district or working face deep part coal mining, carried out working face II666 water bursting coefficient computation on the basis of coal No.6 roof and floor main water bursting points analysis. The result has indicated that the working face maximum water bursting coefficient has exceeded the critical value of floor structurally destructed zone regional water bursting coefficient, thus before the working face winning should take floor grouting reformation measures. According to working face water bursting coefficient, floor aquifuge thickness and bearing water pressure degree, divided working face into 2 sections to carry out all-over grouting reformation. Through water inflow comparison, geophysical prospecting and water bursting coefficient computation carried out assessment of working face reformation effect. The result has shown that the borehole water inflow decreased dramatically even to zero; geophysical prospecting abnormal places reduced obviously, water bursting coefficients are all <0.06MPa/m, and achieved the desired requirements. Thus the technical support has been provided to ensure deep part coal resource exploitation system normal operation.

deep part coal mining; Taiyuan Formation limestone karst aquifer; grouting reformation; floor aquifuge; water bursting coefficient; Liuqiao No.1 coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.11

1674-1803(2017)07-0046-06

汪雄友(1982—)，男，安徽枞阳人，助理研究员，现从事矿山安全评价和矿井防治水工作。

2017-03-09

责任编辑：樊小舟

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