底板注浆效果及突水危险性评价法在赵固二矿的应用

慕松利，李鹏飞，耿浩博，韩久方

(1.焦作煤业(集团)有限责任公司，河南 焦作 454002；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

焦作矿区是我国的大水矿区，下组煤工作面采掘生产受高地应力、高水压、高水量、弱薄隔水层的严重制约。为保证矿井安全生产，工作面需进底板注浆改造，以切断含水层之间水力联系、增大隔水层厚度、提高底板岩体强度。虽然底板注浆改造在焦作矿区已应用多年，但注浆加固后对底板注浆效果的评价及注浆后的突水危险性评价方法焦作矿区至今没有形成一个统一的量化体系。多年来，我国学者已提出了许多注浆加固的检测及评价方法，其中，穆祥仁[1]通过分析超声波检测岩体注浆前后波速增加量，给出了注浆效果的定量评价标准。杨鑫[2]应用物探、钻探、渗透系数检测，数值钻孔电视、P-Q-t法对工作面底板注浆效果进行了综合评价。吴基文等[3]通过钻孔震波检层法对工作面注浆前后正常区和异常区注浆效果进行了评价，得出了波速与注浆加固效果的函数关系。李建国等[4]利用瞬变电磁法对采空区注浆效果进行勘探，通过电阻率的变化差值评价注浆效果。王德明等[5]为进行隧道及地下工程地质灾害注浆治理的效果评价，降低开挖风险，提出了一种注浆效果综合评价方法。杨志斌、董书宁[6]采用钻孔高压压水试验方法，对太原组灰岩堵水注浆效果进行了定量评价。张民庆、张文强[7]结合大量的工程实践，对各种注浆检查方法应用效果进行了探讨，提出了各种注浆技术的检查方法和标准。林旭东[8]为有效预测煤矿奥灰突水，在MTI奥灰水监测预报方法的基础上，提出了煤矿井下奥灰水突水危险的判别方法。何富连[9]通过现场钻孔窥视和矿压观测结果研究了巷道群底板注浆加固后的围岩稳定性。马冰等[10]采用低压注浆和高压渗透注浆相结合的方法，提高了破碎巷道围岩的整体性和承载能力。上述学者在注浆效果评价过程中采用的手段及方法较为单一且缺乏相互照应性。许延春团队在焦作矿区数十年的底板注浆防治水工程实践基础上，先后建立了底板注浆加固“孔隙-裂隙升降型”力学模型[11]；利用超声波检测技术现场探测了底板“原岩—注浆—开采”全过程中底板岩体弹性模量，得到了注浆增强及开采损伤对底板岩体弹性模量的影响规律[12，13]；通过分析注浆加固技术原理、注浆加固底板突水力学模型、注浆加固效果及检测方法，对我国大水矿区回采工作面底板注浆加固防治水技术进行了研究[14]。基于在焦作矿区多年的科研工作，近年来许延春团队结合焦作矿区5个主要矿井(4个发生过突水，1个未突水)，13个典型工作面(9个有过突水)，22个突水危险区域，共计2245个工作面底板注浆孔的工程信息库进行了提炼与分析，构建了“2种影响类型、7个影响因子、8种解析图形、3类影响指标显隐性划分、1种突水评价方法”的注浆工作面底板突水危险性综合评价方法[15]，本文是此方法在焦作矿区工作面底板突水危险性评价及注浆效果评价方面的首次应用。

1 工程背景

赵固二矿14030工作面地面标高+75.3～+77.8m，工作面标高-660～-752m，二1煤层平均厚度6.4m，倾角4°～6°，工作面采用走向长臂大采高一次采全厚采煤法。共探测到7条断层，最大落差3m，最大延伸长度226m，底板含水层位置如图1所示。L8灰岩含水层水位标高为-205.5m，水压4.8～5.7MPa，属含水程度中等含水层。L2灰岩含水层水位标高-115.8m，水压6.4～7.4MPa。O2灰岩含水层水位标高+56.1m，水压8.4～9.4MPa。正常情况O2灰岩不影响二1煤层开采，断层及裂隙带沟通情况下对矿井威胁大。

图1 14030工作面底板含水层相对位置(m)

2 底板突水危险性分析及注浆效果评价

14030工作面回风巷长2131m，运输巷长2293m，切眼长205m，总面积417804m2，底板注浆钻孔设计布置数量为473个，工作面设计最大注浆加固深度为煤层底板以下95m(L2灰岩顶板)，目的是切断L2灰岩与L8灰岩之间的水力联系。

2.1 工作面注浆前突水危险性分析

2.1.1 工作面突水危险区划分

危险区划分以钻孔出水点涌水量为依据，采用就高原则。参考焦作矿区工程经验，当涌水量≥30m3/h，以出水点为中心，沿走向前后15m范围为严重危险区；当30m3/h>涌水量≥10m3/h，以出水点为中心，沿走向前后10m范围为中等危险区，其余为低危险区。

图2 14030工作面危险区划分

未注浆前工作面突水危险程度区域划分如图2所示。工作面共含6个严重危险区，分别距回风巷开切眼距离为Ⅰ号1382.10～1412.10m、Ⅱ号1246.60～1276.60m、Ⅲ号1075.30～1143.70m、Ⅳ号1007.20～1037.20m、Ⅴ号633.90～663.90m、Ⅵ号527.40～557.40m，总面积4392.74m2，约占工作面总面积的10.5%，且严重危险区位置相对分散，可降低底板突水危险性。共含8个中等危险区，距回风巷开切眼221.20～242.20m、318.10～338.10m、508.57～510.57m、619.80～633.80m、925.70～945.70m、961.70～1007.20m、1055.30～1080.70m、1423.10～1450.60m，总面积3485.95m2，约占工作面总面积的8.3%；剩余区域为低危险区，约占工作面总面积的81.2%。工作面严重危险区及中等危险区工作面占比为19.8%。

2.1.2 工作面水量-水压走向分布

工作面水量-水压沿工作面走向方向分布如图3所示。其中代表工作面严重危险区的钻孔共有7个，孔均涌水量、水压分别为54m3/h、5.28MPa，孔均压力大于L8小于L2灰岩含水层水压，表明涌水量大的钻孔受L2灰岩的补给。代表中等危险区的钻孔共有11个，孔均涌水量、水压分别为17.8m3/h、5.06MPa，孔均压力处于L8灰岩含水层水压范围内，表明中等危险区以L8含水层涌水为主。代表低危险区的钻孔，共有17个，孔均涌水量、水压分别为2.1m3/h、4.12MPa，低于L8灰岩含水层水压，表明低危险区钻孔涌水以L8顶底板砂质泥岩裂隙水为主。

图3 工作面水量-水压分布

此外，涌水量大于100m3/h的Ⅴ号危险区无断层影响，水压较低，接近L8灰岩含水层水压；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号危险区均受断层影响，水压接近L2灰岩含水层水压。

由上述可知：严重危险区主要受L2含水层影响，中等危险区主要受L8含水层影响，弱危险区主要受底板L8上部裂隙水影响，严重危险区多处于断层带内。

2.1.3 工作面底板含水层导(含)水性

14030工作面底板不同垂深的出水情况分别如图4、图5、图6所示。反应底板不同垂深的含水性。

图4 终孔垂深分布

图5 不同垂深注浆前累计出水次数

图6 不同垂深注浆前累计涌水量

由图4可知实际施工合格的钻孔均穿过L8灰岩含水层，多数钻孔终孔位置为L2灰岩含水层顶板，有少数钻孔穿过L2灰岩含水层，满足设计要求。

由图5可知工作面底板钻孔注浆前出水点在L8与L2含水层及其导升带附近较为集中。

由图6可知钻孔注浆前在L8灰岩含水层附近，区域累计涌水量达到第一个峰值，为138.50m3/h；在L2灰岩含水层附近，区域累计涌水量达到第二个峰值，为566.90m3/h。

在L8灰岩含水层附近累计出水次数为40次，累计涌水量为218.80m3/h，单次平均涌水量5.47m3/h；在L2灰岩含水层附近累计出水次数为177次，累计涌水量为460.71m3/h，单次平均涌水量2.60m3/h。

由上述可知：①工作面注浆前底板出水点主要位于深部L2灰岩含水层及其导升带附近，含水性中等，距离二1煤较远，突水危险性相对较低；②L8与深部L2灰岩含水层层位之间出水点少、水量小，说明含水层没有密切的水力联系，补给性不强；③L8灰岩含水层虽然出水次数较少，但平均涌水量大，含水性强，距离二1煤近，突水危险性中等。

2.1.4 严重危险区底板含水层导(含)水性

为分析6个严重危险区出水点展布特征、钻孔涌水量变化及含水层之间的水力联系，定义其含水类型。以Ⅵ严重危险区为例，对区内注浆钻孔进行分析，得出底板不同垂深的出水情况，如图7、图8、图9所示。

图7 Ⅵ严重危险区终孔垂深分布

图8 Ⅵ严重危险区底板不同垂深累计出水次数

图9 Ⅵ严重危险区底板不同垂深累计涌水量

由图7可知，Ⅵ号危险区施工钻孔均穿过L8灰岩含水层，多数钻孔探及到L2灰岩含水层且有一部分钻孔穿过L2灰岩含水层。

由图8可知，Ⅵ号危险区底板在L2和L8灰岩含水层附近均有出水点。

由图9中L8和L2含水层标注位置可知，Ⅵ号危险区浅部L8灰岩含水层有大的涌水点，深部L2灰岩含水层及L2导升带附近均有涌水现象，深部单次平均涌水量为16.5m3/h，明显小于浅部单次平均涌水量28.7m3/h。

综上所述，Ⅵ号危险区含水类型为L8和L2含水，定义为U型，突水危险性中等。

含水类型的定义主要以终孔位置达到设计标准的钻孔揭露出水点相对于L8、L2含水层的集中度为参照，对其进行划分。分布类型及特征见表1。

表1 严重危险区底板含水分布类型

根据表1，结合Ⅵ号严重危险区分析方法，对其余严重危险区进行分析，得到6个严重危险区注浆前底板含水类型，见表2。

表2 14030工作面严重危险区含水类型

2.2 工作面注浆加固效果评价

2.2.1 断层带、正常带单位面积注浆量

工作面内受DF25、F184、F186、F188、F189、F151等断层影响，故以断层为界，将14030工作面注浆区域分为断层影响带及正常带，如图10所示。

图10 14030工作面注浆区域划分

由图10可知，严重危险区多位于工作面断层影响带内。图中正常带面积为403086m2，占总面积的96.47%。实际注浆钻孔337个，注入干料总计4921.80t，单位面积注入干料0.012t/m2，均孔注入干料14.69t。断层影响带总面积14718m2，占总面积的3.53%，实际注浆钻孔65个，注入干料总计3184.10t，单位面积注入干料0.22t/m2，均孔注入干料49t。

由于底板注浆深度已基本确定，单位面积注浆量可反映底板立体加固情况。为了直观反应工作面正常带底板注浆效果，对焦作矿区9个突水注浆工作面单位面积注浆量进行分析后，发现正常带单位面积注浆量Q正≥0.10t/m2时，注浆前底板岩体孔隙较发育，导水性较强，注浆后孔隙封堵效果好，导水性减弱，但仍存在突水的可能性，Q正越大突水可能性越小；当Q正<0.10t/m2时注浆前底板孔隙不发育，导水性不强，注浆后孔隙基本得到封堵，突水可能性小。14030工作面正常带单位面积注入干料0.012t/m2，因此，可说明工作面正常带注浆前孔隙较发育，注浆后孔隙得到良好封堵，突水性减弱。为了直观反应工作面断层影响带底板注浆效果，定义注浆系数Z为工作面断层影响带注浆效果的量化标准，Z表示断层带单位面积注浆量Q断与正常带单位面积注浆量Q正的比值。Z越大表明断层带注浆效果越好。

Z=Q断/Q正

(1)

根据式(1)，14030工作面断层带注浆系数计算结果为18.3，说明断层影响带内底板岩层裂隙发育，导水性好，同时断层带底板注浆系数大，也说明注浆效果良好，发生突水事故的可能性减小。

2.2.2 工作面钻孔水压与累计注浆量变化

钻孔水压与累计注浆量如图11所示，图11中O-A段，工作面注浆初期钻孔水压较低，多在L8含水层水压范围区间内，少数钻孔略高或略低于L8含水层水压，没有超过L2含水层水压的钻孔，注浆曲线呈上凹型，注浆工作经历初始升高段；A-B段，出现高水压钻孔数量增加低水压钻孔减小的现象，累计注浆量曲线呈下凸型，注浆的浆液总量减小，注浆工作面经历平稳过渡阶段；B-C段，低水压钻孔数目明显减小，大部分钻孔水压集中在了L2含水层峰值水压附近，并且波动较小，底板水压受多孔注浆的影响，整体增大，累计注浆曲线呈近似直线型，注浆工作经历多孔注浆相互影响阶段；C-D段，工作面水压基本稳定，累计注浆曲线呈近水平直线，注浆工作进入终压稳固段。

图11 钻孔水压与累计注浆量

累计注浆量曲线斜率可以反应注浆工作的集中性，注浆工作集中度越高的区域，高水压钻孔越多；底板岩溶裂隙发育及连通性与浆液扩散范围呈正相关，且连通性越好水压受多孔注浆影响越明显。

2.2.3 严重危险区“三参量”注浆变化

图12 Ⅵ危险区各钻孔“三参量”变化特征图

工作面内严重危险区钻孔的最大出水量、最高水压及单孔注浆量3个参量受钻孔施工先后顺序影响较为明显，通过分析这3个参量(以下简称“三参量”)随施工顺序的动态变化关系，判断底板注浆加固效果及突水危险可能性。三参量注浆情况进行简化描述过程中被划分为高、中和低3个等级，其中，水压以L8、L2水压为参考值，划为高中低三档，水量以30m3/h、80m3/h为参考值，划为高中低三档，注浆量以钻孔涌水量数值的1倍、1.5倍为参考划为高中低三档。三参量分析仍以Ⅵ严重危险区为例，其余严重危险区分析方法与其相同。

从图12可看出，Ⅵ危险区开始阶段为低水压、高水量和高注浆量的钻孔，注浆量均达到涌水量数值的1.5倍以上，注浆效果好。随着断层带注浆工作的进行，区域内后续施工钻孔水压、水量和注浆量均有所下降，结束时为低水压、低水量和低注浆量。说明注浆有效封堵底板内部裂隙，使底板岩层完整性增加，含水性和导水性下降，因此注浆效果好。

根据三参量评价标准及Ⅵ严重危险区三参量注浆变化分析方法，对其余严重危险区进行分析，得到6个严重危险区三参量评价结果见表3。

通过分析严重危险区三参量注浆效果，得出6个严重危险区注浆效果均为“好”。

表3 严重危险区注浆效果 “三参量”评价

3 工作面注浆效果及突水危险性综合评价

根据上述2种类型，7个影响因子，8种解析图形，1种评价方法分析得到的结果，对工作面整体注浆效果及突水危险性进行评价，结果见表4。

表4 14030工作面突水危险性及注浆效果综合评价

4 结 论

1)工作面底板以深部L2灰岩含水层及其导升带出水为主，含水性中等，距离二1煤底板较远，突水危险性低；L8灰岩含水层出水次数较少，但平均涌水量大，含水性强，距离二1煤底板较近，突水危险性中等；二者之间无畅通的水力联系。

2)工作面内含6个严重危险区，多受到断层影响，以L2含水层出水为主，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ严重危险区含水性为J型，突水危险性低；Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ严重危险区含水性为U型，突水危险性中等，三参量对6个严重危险区注浆评价效果为“好”。

3)工作面正常带单位面积注浆量为0.012t/m3，断层带为0.220t/m3，注浆系数为18.3，注浆工程经历了初始平衡—注浆平稳—相互影响—终压稳固四个阶段，工作面注浆效果综合评价结果为“好”，突水危险性综合评价为“较低”。