底板注浆加固治理水害技术

高伟林

(青海省西海煤炭开发有限责任公司，青海 海北 812303)

1 工程概况

某矿一采区东翼回采工作面切眼已贯通，开采煤层平均厚度2.26 m，属近水平煤层，煤层直接顶为泥岩，老顶为K8砂岩，底板为泥岩。回采巷道掘进期间共揭露1个陷落柱和13条断层。X-32陷落柱位于回风巷开口处右侧，距该工作面停采线约180 m，且不导水，故不对该工作面的回采造成影响；位于回采范围外3条断层不对回采造成影响，回采范围内有6条断层的平均落差仅为0.5 m，对回采影响较小；F1164断层位于回风巷5号点前72 m，落差1.8 m、倾向SE39°、倾角55°，为对回采影响程度较大的正断层；F1162断层位于运输巷5号点前25 m，落差17 m、倾向SW18°、倾角20°，为对回采影响程度较大的正断层；F1164与F1162断层走向相同，预计为一条横穿整个工作面的断层延伸所致。F1033断层位于运输巷7号点前56 m，落差13.2 m、倾向SW56°、倾角60°，为对回采影响程度较大的正断层；F1062断层位于运输55号点前36 m，落差12.26 m、倾向SE68°、倾角60°，为对回采影响程度较大的正断层。

2 潜在突水风险分析

该矿奥灰静水的水位标高约+515 m，高于工作面所采煤层底板+261～+306 m的标高，故该工作面属于带压工作面，需对可能存在的导水因素进行排查。工作面巷道掘进过程中部分区段顶板有淋水现象，顶板水源有限，故富水性较弱，掘进过程中已对该部分顶板水疏放完毕；工作面内断层不导水，预计老顶K8砂岩的裂隙水对回采影响极小；该工作面周边存在3个地质钻孔，经复查其封孔情况全部合格，对工作面回采不构成影响；X-32陷落柱由于距工作面较远且该陷落柱不导水，故不影响工作面回采；回采工作面与其东侧的采空区之间的最小距离为63 m，基本不对该面的回采造成影响。对一采区回采工作面安全回采造成隐患的水源有以下两点：

1) 奥灰含水层。矿井地质资料显示，井田内+505 m标高存在的奥灰(O2)水含水层与一采区回采工作面底板的平均层间距为110 m，导致该工作面为承压2～2.5 MPa的带压工作面，而经过对巷道内多个揭露断层的长期监测，发现断层对奥灰(O2)水含水层的影响较小，导水性较弱，因此奥灰(O2)水含水层对一采区回采工作面的回采基本无影响。

2) 太灰含水层。矿井地质资料显示，井田内+497 m标高存在的太灰含水层与一采区回采工作面底板的平均层间距为80 m，导致该工作面承受1.89～2.41 MPa的压力。一采区回采工作面巷道掘进过程中发现，几个落差较大的断层在接露时有大量水从底板涌出，并且持续时间较长，为导水性较强的断层，因此太灰含水层可能对回采造成较大影响。

3 工作面下伏岩层破坏情况分析

使用FLAC3D数值模拟软件[1-3]分析一采区回采工作面下伏含水层对工作面回采的影响，建模时将断层简化为落差16 m、倾角为55°的正断层，对模型施加9 MPa的载荷代替覆岩载荷，将工作面向断层方向回采，直至通过断层影响范围，共150 m，以此来研究断层影响下工作面回采时底板的破坏情况，并准确了解下伏太灰水、奥灰水的突水情况，以指导一采区回采工作面安全回采，所建模型如图1所示。

图1 建模示意

共设计三个方案来研究水害及其治理情况：方案一为无断层正常回采情况；方案二为有断层不采取治理措施的回采情况；方案三为有断层并进行底板注浆加固的回采情况。三种方案下底板塑性区模拟结果见图2。

图2 底板塑性区发育情况

由图2(a)可知，当工作面不受地质构造影响时，工作面的塑性发育区主要为工作面顶板及两端头的底板，工作面端头底板的最大破坏深度为24.96 m，远小于工作面与含水层的层间距，整体上看底板较完整，故无断层时工作面回采无突水风险；由图2(b)可知，当工作面内存在落差16 m的断层时，工作面回采围岩的塑性区范围明显增大，尤其工作面两端头的底板破坏深度达到60.49 m和93.38 m，而工作面与太灰水含水层的层间距为80 m，故工作面回采扰动会导致断层与太灰水含水层沟通，致使工作面及采空区有大量水涌出，影响安全生产；由图2(c)可知：对断层区域底板进行注浆加固后再进行回采作业，工作面围岩的塑性区范围较有断层不治理情况下明显减小，断层附近底板受回采扰动影响后的最大破坏深度缩小至56 m，小于工作面与太灰水含水层80 m的层间距，故断层存在并对底板进行注浆加固后可使底板的破坏深度小于工作面与含水层的层间距，避免了断层受回采扰动沟通含水层而涌水的情况。

综上分析，针对工作面回采范围内存在的F1162、F1033、F1062等断层由于落差较大可能受回采扰动与太灰水含水层沟通，造成底板突水，需对底板注浆加固有效降低底板的破坏深度，避免突水。

4 断层影响范围内底板注浆加固现场试验

4.1 注浆方案

工作面范围内共有4条落差较大的断层对回采影响程度较大，为彻底杜绝回采过程中突水事故的发生，在两巷道内工作面前方500 m均布置7个钻场，相邻钻场间隔50 m，每个钻场内沿各个方向布置6个垂直深度达80 m的注浆钻孔，使浆液可以加固全部底板。应用矿方注浆加固自行配比所得的注浆材料进行底板注浆加固，水泥与粘土的配比为1∶3。用二级套管作为注浆管，在断层附近底板裂隙发育程度高的区域用三级套管作为注浆管，采用三级法兰盘结构固定注浆管[4]，现场根据注浆情况调节浆液配比，底板注浆加固示意如图3所示。

图3 回采工作面底板注浆加固钻孔布置

4.2 效果分析

注浆加固完成后，通过在工作面运输巷内进行瞬变电磁探测，以检验注浆加固底板的堵水效果。自运输巷1 600 m处起至切眼处共500 m范围内每隔10 m布置1个测点，每个测点选俯角30°和60°向工作面底板内进行探测以提高结果的精确性，底板注浆加固前后的探测结果如图4所示。

由图4(a)可知，底板未注浆加固时，瞬变电磁探测结果显示一采区回采工作面切眼前500 m范围内受断层影响，存在图中A、B、C三片面积较大的富水区域，存在较大突水风险；图4(b)显示，切眼前500 m范围内进行底板注浆加固后，该范围内已无明显的富水区域，说明底板注浆加固后可以避免回采过程中底板裂隙与含水层沟通，效果良好。

图4 探测结果

5 结 语

针对某矿一采区回采工作面范围内存在4条落差较大的断层，有可能导通太灰水含水层影响工作面的安全回采，通过底板注浆加固的方式，有效治理了底板水害，取得了良好效果。