注浆堵水技术在堡子公司的应用

李 荣

(阳泉煤业集团沙钢矿业投资有限公司，山西 临汾 043500)

0 引言

2017年1月17日，堡子公司2202工作面探巷出水，主要原因是底板奥陶系灰岩水沿断层裂隙带涌入巷道，对矿井安全生产构成威胁，部分巷道被淹，同时也影响到矿井F36断层两侧2#煤层煤炭资源的开采，为了确保2201、2202和2203工作面的顺利回采，采用井下施工注浆加固钻孔，对F36正断层及破碎带形成的充水通道及隔水层薄弱地带进行注浆加固与封堵，截断其补给水源。

1 水文地质及出水点概况

1.1 井田地层及可采煤层

堡子井田位于山西省沁水煤田晋城矿区西南部。根据地表出露、钻孔勘探及井下揭露，井田地层由老到新发育有奥陶系中统峰峰组，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，第四系中、上更新统及全新统。

矿井可采煤层为2#和9#煤层，采区布置分煤层布置，目前主要开采2#煤层，开采位置位于二采区2201、2202、2203工作面。

1.2 二采区地质概况

二采区2202工作面东为2201工作面、西为2203工作面(统称为“二采区”)，2#煤层平均厚度4.5 m，煤层直接顶为砂质泥岩，厚度1.0 m；老顶为粗粒砂岩，厚度3.0 m；直接底为泥岩，厚度2.0 m；老底为细砂岩，厚度2 m。二采区(2201、2202、2203工作面)煤层底板标高+790～+910 m，总体为一走向NW、倾向NE的单斜构造。二采区(2201、2202、2203工作面)采掘揭露断层7条，其中断层F36落差为37 m，产状走向NE，倾向SE，井田内延伸长度1 100 m，其余均为小型正断层，落差小于5 m，如图1所示。

图1 二采区采掘工程平面示意图

根据B1-2、ZK601、ZK2号(未揭露奥灰)钻孔资料，二采区(2201、2202、2203工作面)2#煤层底板距离K2灰岩顶板厚度分别为43.33 m、62.50 m、56.17 m，平均厚度54 m；2#煤层底板距离奥灰顶界面厚度分别为75.30 m、92.29 m，平均厚度约84 m。

1.3 二采区水文地质概况

2#煤层充水水源主要为二叠系砂岩裂隙含水层水(K8砂岩)，其次为底板太灰水和奥灰水。其中二采区(2201、2202、2203工作面)2#煤层底板标高+790～+910 m，奥灰水水位标高+944 m左右，2#煤层底板至奥灰顶界面平均厚度84 m，二采区(2201、2202、2203工作面)奥灰水突水系数介于0.026～0.039 MPa/m。

1.4 二采区2202工作面探巷出水点情况

2202工作面探巷施工70 m时停掘，探道17°上山，停掘位置距F36断层25 m。2017年1月17日21：20，探巷底板裂隙出水(裂缝约10～20 mm的宽度)，出水量达到150 m3/h。另外2203工作面回风顺槽穿越F36断层时也出现出水，最大为2 m3/h，当2202工作面探巷出水后，2203工作面回风顺槽穿越F36断层位置出水量逐步衰减(如图1)。

2202工作面探巷出水点处煤层底板标高约+815 m，奥灰水位标高+944 m，出水点奥灰水带压约1.3 MPa。

2 注浆治理方案

为了确保2201、2202和2203工作面的顺利回采，采用井下施工钻孔进行注浆封堵，截断其补给水源。

2.1 钻探工程设计

钻孔布置：钻场布置2个，位于2202切巷(Z1)和2203切巷(Z2)；钻孔初步布置16个，Z1钻场9个(K2灰岩探查孔1个)，Z2钻场7个。其中K2灰岩探查孔1个(表1、图2)，落点进入F36断层下盘K2灰岩含水层(二采区平均厚度11 m)，终孔距离K2灰岩顶板5 m；奥灰注浆孔15个，落点水平间距20 m，目标层为F36断层下盘奥灰含水层，其中10个孔(表2、图2)穿过断层进入下盘奥灰，终孔距离奥灰顶界面20 m，其余5个孔(表3、图3)揭露断层上盘K2灰岩后，穿过断层进入下盘奥灰垂直距离20 m。施工钻孔具体参数见表1～表4，钻孔落点示意图如图5，井下注浆孔施工过程中根据揭露地层及其出水情况进一步调整钻探工程。注浆工程结束后，施工注浆检查孔，设计5个(参数见表4、图4)，要求全段取芯并进行终孔压水试验，了解岩石裂隙的充填程度及注浆后钻孔水量大小，发现钻孔裂隙发育水量大时要进行补注浆液。

表1 K2-1探查孔参数一览表

图3 注浆孔和检查孔布置示意图

孔号方位角/(°)倾角/(°)垂距/m平距/m孔深/m孔口管ϕ146 mm长度/m止水套管ϕ127 mm长度/m裸孔段ϕ108 mm长度/mZ1-X1345-30671161341218116Z1-X2327-356794115121897Z1-X3315-386786109121891Z1-X4288-406780104121886Z1-X5275-386787110121892Z2-X1354-366793115121897Z2-X2330-43677198121880Z2-X3314-44677097121879Z2-X4287-386787110121892Z2-X5278-34671011211218103

表3 奥灰注浆孔参数一览表

表4 奥灰检查孔参数一览表

图4 注浆孔目标层位示意图

钻孔设计：①Z1和Z2钻场分别位于位于2202切巷和2203切巷，钻场施工时必须清理底煤，钻场施工于基岩面；②二采区(2201、2202、2203工作面)2号煤层底板直接底约5.4 m的泥岩、间接底约8.6 m砂岩(根据B1-2、ZK601和ZK2钻孔数据)，因此综合考虑奥灰注浆孔和K2灰岩探查孔施工钻孔倾角的变化和开孔位置泥岩的厚度；③K2灰岩探查孔倾角-13°，设计孔口管一开进入巷道底板基岩25 m，下入φ146 mm地质孔口管，水泥固管；二开进入巷道底板下28 m，下入φ127 mm止水套管，用水泥做止水固管；三开裸孔φ108进入终孔层位，洗孔观测孔内静止水位，注浆孔孔结构如图5(a)；④奥灰注浆钻孔倾角最小-29°，设计孔口管一开进入巷道底板基岩12 m，下入φ146 mm地质孔口管，水泥固管；二开进入巷道底板下18 m，下入φ127 mm止水套管，用水泥做止水固管；三开裸孔φ108进入终孔层位，洗孔观测孔内静止水位，注浆孔孔结构如图5(b)所示。

图5 注浆钻孔结构示意图

2.2 注浆工程设计

注浆方式：①注浆要边打边注，打一孔注一孔，以连续注浆为主；②为减少窜浆，应交叉施工钻孔；③视钻探情况，出现明显漏失后即可注浆；④为确保扩散范围，尽量采取稀浆灌注，吃浆量很大时考虑减小水灰比。

注浆材料：水泥采用325#普通硅酸盐水泥，其质量应符合国家GB175-92标准，不得使用受潮结块的水泥或过期水泥；造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，其SO4-2含量应小于1%，pH应大于4。水泥单液浆中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食盐作为早强剂。

单孔注浆结束标准：①注浆压力的大小直接影响到浆液的扩散距离与有效的充填范围。为使浆液有适当的扩散范围，既不可将压力定得过低，造成漏注，也不可将压力定得太高，致使浆液扩散太远，甚至刷大原有裂隙通道，出现新的突破口。根据以往注浆经验，注浆总压应为受注含水层最大静水压力的1.5倍；二采区(2201、2202、2203工作面)煤层底板标高+790～+910 m，奥灰含水层水位标高约+944 m，K2灰岩水位标高约+972 m，Z1钻场位置标高约+830 m，Z2钻场位置标高约+880 m，据此推算，井下注浆孔口压力(Pm)应为2.73 MPa，即当孔口压力达到约2.8 MPa时，即可认为受注层段注浆已达到压力结束标准；②当注浆压力达到结束标准后，进行压水试验，测得单位吸水率q小于0.005 L/min·m·m(相当于粉砂岩的透水性)时，即可认为受注层段注浆达到注浆结束的标准。

2.3 物探设计

注浆前后采用瞬变电磁法对F36断层注浆段进行探测，主要目的：一是对比注浆前后物探资料，对富水异常区位置及范围大小进行对比分析，定性评价注浆治理效果；二是注浆前对F36断层含(导)水性和煤层底板异常富水区的探查，并根据物探结果进一步优化钻探工程设计和注浆工程设计方案。

3 注浆完成工程量及注浆效果评价

3.1 注浆完成工程量

注浆总工程量：注浆工程实际总进尺2 571.3 m，共注浆4 750.29 t，其中：2202探巷止浆墙注浆409 t；Z1钻场进尺1 428 m，注浆2 280.33 t；Z2钻场进尺1 143.3 m，注浆2 060.96 t。24个钻孔中Z1-X4为全孔取芯，Y2、Y3钻孔为分段取芯(各取芯20 m)，对其中18个钻孔进行了测斜，总测斜长度为1 535.9 m，其余6个钻孔因水量大、浅部易塌孔等原因未测斜。

注浆工程序次：①为F36断层加固钻孔注浆过程中起到了节约水泥材料、创造静水注浆条件的作用先施工了2个不同标高的堵水墙(分别距下巷口24 m和35 m)，规格(长×宽×高)=4.0 m×1.2 m×1.5 m；在2202探巷下口向上18 m(外墙位置)2202探巷止浆墙，止浆墙里进行了注浆加固，累计注浆409 t；②第一序次完成了设计中16个钻孔的钻探施工，实际进尺781.3 m，共注浆2 522.78 t，见表5；③第二序次5个钻孔的钻探施工，主要针对注浆前物探异常区进行补充和对断层及K2灰岩设计2个浅层钻孔(Z1-t1、Z2-t1)，实际进尺518 m，注浆1 654.11 t，见表6；④完成前2次注浆后进行了第二次物探探测，根据物探成果修改设计，施工3个检查孔。实际进尺272 m，注浆164.4 t，见表7。

3.2 注浆前后2次物探

第一次物探：采用瞬变电磁超前探测和侧向测深2种方法，瞬变电磁超前探测布置4个测点，分别位于2203回风顺槽及切巷交叉点、2202回风顺槽与切巷交叉点、2202探巷以里45 m及2202探巷口向下45 m处，探测0°、30°、60°、90°4个方向；瞬变电磁侧向测深目的是探查Z1、Z2两个钻场附近底板富水性，为钻孔结构设计提供依据，设计在2202切巷、2203切巷分别布置一条测线，测线总长度约200 m，点距10 m，测点20个，探测0°、30°、60°、90°4个方向。

第二次物探：采用瞬变电磁超前探测一种方法，因2202探巷已打止浆墙封闭，所以比第一次物探减少1个测点，布置3个测点，分别位于2203回风顺槽及切巷交叉点、2202回风顺槽与切巷交叉点及2202探巷口向下45m处，探测0°、30°、60°、90°4个方向。

3.3 注浆前后异常形态变化

第二次物探发现4处相对低阻异常区，位置基本与第一次物探异常区相对应，与注浆前1、2、3号异常相比，异常范围均有较为明显的缩小，且异常区之间出现了相对高阻的区域，4号异常区表现为视电阻率明显升高。Z2钻场的注浆孔主要以封堵1、2号异常之间水利联系及通道而设计，从图6中可以发现1、2号异常之间出现了相对高阻的区域，在浅层(Z2-t1落点)异常有向外侧推移且范围变小的特征。Z1钻场的注浆孔主要以封堵2、3号异常之间水利联系及通道而设计，从图中可以发现2、3号异常之间出现了相对高阻的区域，且2号异常有向外侧推移且范围变小的特征；但该处出现了浅部的低阻异常，推测可能受到注浆的影响将裂隙水转移至浅部。3号异常区可能为局部构造相对发育且相对富水所致。4号异常在注浆范围区域内，视电阻率明显升高，但在该异常东北侧仍存在一由浅部沿断层断面向深部发育的条带状低阻异常区，该异常在注浆前探测中亦有反应，存在向2201回风巷东部继续发育的可能。

a-注浆前物探成果图；b-注浆后物探成果图图6 物探成果图

表5 第一序次16个加固注浆钻孔成果一览表

表6 第二序次5个加固注浆钻孔成果一览表

表7 第三序次3个检查孔成果一览表

3.4 F36断层注浆效果分析

从3个序次钻孔成果资料来看，随着加固钻孔注浆过程的不断推进，钻孔涌水量呈递减的趋势，第一序次钻孔涌水量最大达48 m3/h，第二序次钻孔不超过20 m3/h，第三序次检查孔水量最大仅为3 m3/h。说明随着注浆工程开展，含水层水源及导水通道逐渐被封堵。

从钻孔注浆量来看，通过第一序次钻孔注浆和第二序次补充注浆，第三序次3个检查孔有2个为不可注钻孔，治理区域有效强度得到了注浆补强。1个可注Y2钻孔位于物探异常区，与第二次物探结果较为相符。另外，对Y2、Y3钻孔取芯也证明与上述情况一致，Y3钻孔取芯可见水泥充填物，Y2钻孔虽看不到明显水泥充填，但部分岩芯(破碎带粉砂岩)滴稀盐酸有少量气泡产生，说明Y2钻孔附近前期注浆不充分。通过对Y2钻孔注浆163.15 t对该异常区进行了加固。

通过前2个序次钻孔的注浆过程可以看出，水量大或注浆量大的钻孔均位于注浆前物探异常区，钻探、物探成果较为一致，奥灰含水层、断层破碎带、K2灰岩含水层均有钻孔探制。注浆后进行了二次物探及第三序次检查孔的施工，检查孔成果与二次物探成果同样较为一致，一方面2次物探可靠程度及准确性都较高，另一方面通过相互验证说明钻探注浆工程逐步起到了加固治理区域的目的，达到了预期的效果。

4 结语

带压开采矿井导水断层突水是矿井采掘中最常见的突水灾害事故之一，一般都会造成较大的危害，经常造成掘进头或工作面停产，甚者可至矿井被淹。而通过注浆封堵技术，对充水通道进行加固与封堵，截断其补给水源，可以有效解放带压区因充水通道而不能开采的煤炭资源。钻探注浆堵水工程的施工验证了治理区域内奥灰含水层顶部岩溶裂隙发育、富水性强，K2灰岩局部富水且与奥灰含水连通，F36断层破碎带发育形成了局部导水通道，通过注浆对治理区域奥灰含水层顶部、K2灰岩及F36断层破碎进行了补强加固，出水通道及出水水源得到了有效封堵。