水淹采空区邻矿工作面顶板突水帷幕注浆堵水技术研究

张东营

(义马煤业集团股份有限公司，河南 义马 472300)

顶板水害是煤炭开采过程中最常见的一种水害。国内外研究资料表明[1-5]，顶板水害一般具有以静储量为主、突水强度小和易于疏干的特点，其突水水源多为顶板砂、砾岩含水层，突水通道为煤层顶板垮落后形成的导水裂隙带。

由于顶板突水多以静储量为主，因此其治理方法多以疏排为主[6-9]。本次研究的顶板突水水源具有特殊性，顶板含水层受到侧向临矿老空水补给，由于临矿老空水储量巨大，采用疏排方法治理难度大，因此采用帷幕注浆的方法截断老空水对顶板突水的补给，取得了较好的治水效果，确保了矿井的安全高效回采。

1 工作面水文地质概况及水害防治措施

1.1 工作面概况

16020工作面位于矿井16采区西翼，为该采区深部首采面，工作面沿走向布置，工作面走向长684m，倾斜长200m，工作面标高+60～+90m。煤厚0.1～14.8m，平均厚4.8m。工作面生产主要受顶板水、老空水影响。煤层顶板主要含水层为山西组大占砂岩、香炭砂岩等含水层组，据抽水试验及生产实际揭露资料，钻孔单位涌水量q=0.00025～0.181L/(s·m)，渗透系数K=0.00135～0.217m/d，在掘进期间常以滴淋水形式进入矿井，水化学类型一般为HCO3—Na型水，矿化度多在720～1150mg/L。工作面切眼西部距渠里煤业采空区最近约200m，渠里煤业已于2016年12月关闭，其采掘空间已被老空水淹没，该淹没区积水面积约83.3 万m2，预计积水量54.9万m3。

1.2 掘进期间防治水技术措施

1.2.1 超前探查治理老空水

渠里煤业为地方小煤矿，为防止误揭渠里煤业采空区，确保16020工作面距渠里煤业防隔水煤(岩)柱的有效性和可靠性，2016年12月至2017年8月，在16020工作面上、下巷掘进期间进行了超前探查治理老空水，施工39个钻孔，累计钻探进尺4124.3m，钻进过程中未发生穿透老巷情况。钻孔单孔涌水量0～36m3/h，孔口水压0～2.0MPa，水温17～22℃，水质类型为SO4·HCO3—Na型，矿化度为967～1805mg/L。各探查钻孔初始总涌水量为163.4m3/h，针对各钻孔进行注浆，注浆终压5～8.5MPa，注水泥478.5t，吨水注干料为2.92t。

1.2.2 防隔水煤柱留设

由于渠里煤业采空区积水量大，不便于探放，为确保安全生产，在16020工作面西部采取留设防隔水煤(岩)柱措施。防隔水煤(岩)柱尺寸根据相邻矿井边界防隔水煤柱公式进行计算[10]：

Ly=(H-Hd)/10×1/λ

(1)

式中，Ly为导水裂隙带上限岩柱宽度，m；H为煤层底板以上的静水位高度，根据16020工作面掘进过程探查钻孔资料，取200m；Hd为最大导水裂隙带高度，工作面煤层采厚为3.5m，裂采比最大为16.67，导水裂隙取最大值为58.3m；λ为水压与岩柱宽度的比例，取1。

经计算，Ly=14.17m<20m，则Ly取值为20m。

L=Ly+2×Hd/tanδ

(2)

式中，L为煤层边界防隔水煤柱宽度，m；δ为岩层移动角，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐经验角度为77.5°。

经计算，L=20+2×58.3/4.51≈45.85m，则L取值为45.85m。

根据掘进过程中超前探，工作面切眼距渠里煤业采空区有效距离大于70m，实际留设防隔水煤(岩)柱大于安全防隔水煤柱厚度，工作面可以进行生产。

2 突水特征及其原因分析

2.1 突水特征

2018年8月15日，16020工作面试采，工作面回采8.6m时，顶板初次来压顶板淋水增大到约20m3/h，随着工作面推进，工作面淋水并逐渐增大，至9月25日，工作面回采至14.5m时，工作面涌水量急剧增大到260m3/h。

随着工作面推进突水点分散，突水形式表现为顶板突水，初始出水点位置共三处，分别在16020工作面下切眼口向上45m、60m、122m处顶板偏向采空区侧，突水量由小渐大，达到峰值后趋于稳定；突水初期，有臭鸡蛋气味，5d后臭鸡蛋气味消失。

2.2 突水原因分析

2.2.1 突水水源分析

1)地下水动态观测。2018年8月15日至9月25日期间，该时段属于汛期，按正常情况，渠里煤业水位应逐渐上升。在此期间，工作面突水后，渠里煤业水位由+271.82m下降到+246.14m，下降25.68m，下降幅度较大，同时渠里煤业周边矿井均未发现突水现象，说明16020工作面突水水源有渠里煤业采空区积水的直接参与。

3)水温分析。由于渠里煤业埋藏较浅，渠里煤业采空区积水与地表温度基本一致，9月29日取工作面突水水样测试水温，水温为17～21℃，与渠里煤业采空区积水水温基本一致。

表1 16020工作面水质分析表 mg/L

2.2.2 透水通道分析

1)导水裂隙带[11]。在工作面回采期间，随着回采面积的增加，上覆岩层受采动影响逐渐加大，导水裂缝带将切过直接顶隔水层深入顶板砂岩含水层中。16020工作面仅采一个采高3.5m，根据《新安煤矿煤层开采覆岩破坏高度动态探测技术研究报告》中所得结论，裂采比最大为16.67，导水裂隙最大值为58.3m；同时在节理、周期来压以及采高等诸多因素的影响下，这将沟通顶板4层砂岩充水含水层，导致顶板砂岩水进入工作面。

2)砂岩含水层。在16020工作面未回采时，渠里煤业采空区积水对工作面顶板砂岩水补给，达到相对平衡状态。砂岩含水层累厚达41.3m，砂岩透水性较好，渗透系数在1～10m/d，属于良好的过水通道，由于16020工作面的回采，上伏顶板水砂岩水进入工作面，形成水力坡度差，导致渠里煤业采空区积水通过砂岩过水通道、16020工作面导水裂隙带、垮落带进入工作面。

根据以上分析，工作面回采初期工作面顶板水随着导水裂隙带、垮落带进入矿井，随着工作面推进，渠里煤业采空区积水通过砂岩过水通道进入工作面导水裂隙带，随后进入矿井，如图1所示。

图1 16020工作面过水通道

2.2.3 突水量变化特征分析

工作面初采时，放顶煤高度较小，采空区面积较小，顶板悬空距离有限，直接顶板虽已垮落，但垮落并不充分，而老顶仅局部垮落甚至不垮落，造成顶板承压含水层导水裂缝带发育高度较小，故涌入矿井的水量较小，工作面涌水量在20m3/h。随着工作面推移至14.5m时，采空区面积增大，老顶初次来压，顶板承压含水层导水裂缝带发育高度进一步升高，渠里煤业采空区积水通过砂岩过水通道进入矿井，工作面涌水量也随着增大到260m3/h。工作面被迫停产，由于顶板导水裂缝带发育高度、影响范围保持在一定的范围内，渠里煤业采空区积水参与涌入矿井的水量保持不变，工作面涌水量稳定在260m3/h。

3 工作面突水治理

3.1 工作面顶板帷幕注浆堵水

帷幕注浆是为增强各种岩体抗渗能力的一种方法，它是在具有合理孔距的钻孔中，注入浆液，使各孔中注浆体相互搭接以形成一道类似帷幕的防渗墙，以此截断水流，从而达到防渗堵水的目的[12-15]。根据16020工作面突水机理分析有关结论，突水水源主要为渠里煤业采空区积水，透水通道为煤层顶板以上导水裂隙带和砂岩含水层，具备进行帷幕注浆堵水的基本条件，所以采用帷幕注浆封堵过水通道，切断渠里煤业老空水进入矿井。

3.1.1 探查注浆封堵

钻孔布置：在工作面上、下巷各布置2个钻场，每个钻场钻孔呈扇形布置，每组3～6个钻孔，共布置18个钻孔，含检验钻孔4个。因防隔水煤(岩)柱宽度计算为45.85m，为提高封堵效果，施工两组钻孔在工作面切眼西30m、50m形成2道帷幕。导水裂隙带最大为58.3m，为确保对煤层顶板各砂岩层段的有效注浆，终孔位于煤层顶板以上50～70m。根据新安煤矿注浆浆液经验扩散半径10～30m，相邻钻孔终孔间距取15～20m(平距)，避免出现探查盲区。检查钻孔平面间距取60～70m，检验各含水层层段的注浆效果，施工钻孔布置如图2所示。

钻孔结构：钻孔开孔采用Φ133mm钻头钻进11m，下一级Φ127mm管径套管10m，固结套管后采用Φ113mm钻头透孔钻进21m，下二级Φ108mm管径套管20m，固结套管后透孔钻进至终孔，终孔孔径不得大于75mm，施工钻孔布置剖面如图3所示。

图2 16020工作面顶板帷幕注浆钻探工程平面图

图3 16020工作面顶板帷幕注浆钻探工程剖面图

套管固结：预先固结两级止水套管，两级套管的接箍要错开0.5m。固结套管后透孔至超过套管1～1.5m后试压，一级套管2～3MPa，二级4MPa，清水稳压30min，孔四周不漏水为合格，否则进行补浆，直至试压合格。

注浆工艺：注浆材料选择P.C 32.5R普通硅酸盐水泥、粘土、粉煤灰等，由于粘土、粉煤灰粒径小于水泥的粒径，添加粉煤灰、粘土可提高浆液扩散的距离。为确保注浆效果，并不对顶板岩层进行破坏，注浆终压取静水压力的2倍，即4MPa。浆液使用原则为先稀后稠，注浆前期先注混合浆或纯水泥浆，浆液比重为1.12～1.2，若吃浆量大时(注浆吨水干料大于6t)，持续不升压，增加浆液比重到1.33～1.35，待注浆压力不小于3MPa时改用纯水泥浆进行注浆。井下钻孔孔口压力不小于4MPa且升压较快时，将注浆管内余浆注完，可结束地面注浆。钻孔终孔、透孔后均要求采用井下注浆泵井下稠浆封孔，终孔压力为4MPa，并稳压30min以上，结束注浆。

3.1.2 探查注浆封堵成果

为检验注浆效果[16]，对大水量或大注浆量钻孔注浆后进行重新透孔检查水量，设计透孔水量不得大于5m3/h，否则进行再次注浆。该工程施工钻孔18个，钻探进尺3070m，经过探查在煤层顶板以上34～85m见水，水量在1.2～120m3/h，总水量为526.8m3/h，总注浆干料量8671.25t，吨水注干料为16.46t，各透孔检查水量均小于5m3/h，注浆质量较好。注浆封堵结束后，施工4个检验钻孔，检验钻孔水量均不大，打钻注浆成果、钻孔施工见水及注浆情况见表2。

表2 16020工作面顶板帷幕注浆成果表

3.2 工作面顶板帷幕注浆堵水效果

工作面进行帷幕注浆期间，对工作面突水水量以及渠里煤业水位变化进行了连续观测，根据观测结果，编制工作面注浆量与渠里煤业水位、工作面涌水量变化曲线如图4所示。

图4 16020工作面注浆量与渠里煤业水位、工作面涌水量变化曲线

由图4可知，8月15日，工作面涌水量开始逐渐增大，渠里煤业水位由+272m逐渐下降，在9月15日，工作面水量达到峰值260m3/h时开始进行帷幕注浆，在9月28日，渠里煤业水位降低至最低拐点+246m，然后开始上升，同时工作面涌水量急剧下降，注浆约4000t时，渠里煤业水位恢复至+262m，涌水量下降至20m3/h。为彻底治理剩余残余水量，继续进行注浆，然后随着注浆量的增加至8671.25t，渠里煤业水位维持在+258m不在变化，工作面涌水量不再变化。

根据注浆的情况分析，已封堵住渠里煤业老空水的过水通道，残余水为工作面东部未受老空水补给的顶板砂岩水，至此顶板帷幕注浆堵水工程结束。随后工作面继续进行生产，生产过程中工作面水量保持在20～40m3/h，治理效果得到验证。

4 结 论

1)通过水位、水质和水温分析快速准确判断顶板突水水源存在老空水补给是采取针对性顶板防治措施的前提条件。

2)通过煤层顶板地层、导水裂隙带高度发育的分析，为选择帷幕注浆钻孔的终孔层位提供关键依据。

3)通过顶板帷幕注浆封堵过水通道，治水效果显著，堵水率达到92.5%，成功地治理了工作面突水事故，确保了16020工作面安全回采。