工作面底板含水层的探测与注浆防突水实践

张 琅

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

底板突水是煤层底板含水层中的水在采掘过程中通过天然或人为的导水通道进入矿井的过程与结果。我国华北型的石炭二叠系煤田主要受煤系底部巨厚层奥陶系及太原群岩溶含水层的威胁。奥陶系灰岩含水层富水性强，水压可达到2.0～6.5 MPa，下组煤层与下伏的灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度一般只有10～20 m，最大50～60 m，承压水危害严重。国内外众多学者在底板突水机理和防治方法方面均展开了大量的研究工作；在突水机理方面先后提出了“突水系数”、“原位张裂”、“薄板理论”、“强渗通道”、“关键层”及“下三带”等理论，从不同方面探讨了顶底板突水发生的机理，并对突水危险性给出了评价预报方法，对煤矿水灾的防治起到了积极的指导作用；底板突水防治技术方面主要形成了以疏水降压、注浆堵水改造底板及含水层、改变开采方法的防突水体系。本文依据辛置煤矿10-428B工作面的具体地质条件，通过瞬变电磁技术进行底板富水性的探测，并基于探测结果进行注浆堵水方案设计和效果分析，为类似工程背景防治水作业提供一定的参考。

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿10-428B工作面位于+540水平东四左翼采区北侧，南面为东四左翼轨道巷、皮带巷，西面为10-428A工作面。工作面主要开采10#煤层，煤层厚度为1.43～2.67 m，平均厚度为2.6 m，煤层平均含2～3层夹矸，平均倾角为4°。直接顶岩层为9#煤和泥岩互层，平均厚度为3.0 m；基本顶岩层为K2灰岩层，平均厚度为8.0 m；直接底岩层为砂质泥岩，均厚为0.8 m；基本底岩层为中-细砂岩，均厚为7.0 m。工作面采用综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。

根据工作面地质资料，工作面采用带压开采。工作面标高+403～+451 m，带压0.74～1.02 MPa；10#煤层底板距下覆奥灰顶面平均间距为32 m，由于工作面底板岩层砂质泥岩和中细砂岩层节理裂隙发育，且工作面区域范围内发育有4条断层，在工作面回采期间存在着较大的突水危险性。为掌握工作面底板的富水区域和富水量，结合目前技术较为成熟的探测技术，综合确定10-428B工作面底板富水区域探测采用瞬变电磁技术，并采用注浆加厚底板隔水层厚度以防止底板产生突水，见图1。

图1 10#煤层顶底板岩层柱状图

2 工作面瞬变电磁探测分析

为掌握10-428B工作面巷道底板40 m范围内岩层含水层、富水区域位置及导水裂缝带的高度，采用瞬变电磁技术进行探测。探测作业分别在工作面进风巷和回风巷的侧帮进行，测点从距离工作面切眼10 m的位置处开始布置，并每间隔10 m布置1个测点，工作面共设置两条测线[1-2]，其中在运输巷设置测点106个，探测角度为-15°、-60°；在回风巷设置测点37个，探测角度45°。

根据工作面的地质条件及巷道内的探测作业环境，确定工作面视电阻率剖面图中的数值低于3时，即可认定为相对富水区域。根据探测结果得出工作面视电阻剖面见图2。

据图2可知，工作面区域存在视电阻率小于2的富水性较强的区域1处，存在视电阻率＞2且＜3的区域1处。另外，从物探剖面图中能够看出，工作面不同位置底板低阻异常区域数量较多，但大部分低阻区域导高都较低，仅存在2处低阻区域范围内的导高比较大，该处区域存在着较高的突水危险性。考虑到工作面底板岩层节理裂隙较为发育，为保障工作面回采的安全，确定对工作面底板采取注浆，以加厚底板隔水层的厚度。

图2 10-428B工作面物探视电阻剖面

3 底板注浆改造及效果

3.1 底板注浆方案

（1）底板注浆改造原理：工作面底板岩层注浆加固后，其岩层性质在一定程度上会得到改造。底板注浆改造时，首先对单孔浆液的有效扩散半径进行预计，随后在工作面运输顺槽和回风顺槽内设置足够数量的注浆钻孔，在合理的注浆压力下，将注浆材料注入到底板岩层内，使浆液充满底板岩层裂隙中原有被水占据的孔隙区域，使注浆材料在注浆压力的作用下不断向构造裂隙和导水裂隙区域扩散和固结，使浆液凝结体与底板隔水岩层间连成一体，从而增强煤层底板有效隔水层的厚度和强度，降低原底部含水层的富水性[3-4]，以此确保工作面的安全回采。

（2）底板注浆方案设计：基于10-428B工作面的地质条件，结合底板注浆改造原理，确定在工作面一侧设置钻场，在工作面运输巷和轨道巷内布置8个钻场，在开切眼内布置2个钻场，共布置18个钻场，共计设置注浆钻孔54个。设置钻场断面为矩形，钻场长×宽×高=4 m×4 m×3 m； 注浆材料采用单液水泥浆，设置浆液的水灰比为0.75:1，根据类似注浆工程实践[5-6]，取浆液的扩散半径为30 m，设置底板注浆深度为含水层以下3 m左右，确保注浆钻孔能够在灰岩含水层及其上方的隔水层内部的孔隙和裂隙内有效充填和固结。注浆钻孔布置形式见图3。

图3 工作面底板注浆钻孔布置形式

（3）注浆系统及工艺：10-428B工作面底板注浆系统主要由地面泥浆泵站将浆液通过注浆管路注入到井下的钻孔中。注浆设备主要包括：粘土破碎机、输送机、制浆机、供水泵、射流泵、二次搅拌池等。本次底板注浆作业的制浆流程和注浆系统见图4。

图4 工作面底板制浆及注浆系统流程

（4）注浆结束标准：基于地下水压力相关设计规范[5-6]，对拟注浆区域进行出水孔静水压力的测定，综合底板注浆区域的整体静水压力，确定本次注浆压力为3 MPa。在注浆压力达到3 MPa，注浆流量小于40 L/min时，且持续稳定20 min后即可停止注浆作业，即代表着单孔注浆作业的完成。

（5）注浆量记录：根据工作面底板注浆作业时的记录，汇总得出钻场的注浆量数据见表1。

表1 注浆量数据记录

钻场编号钻孔编号单孔注浆量/m3钻场注浆量/m3钻场编号钻孔编号单孔注浆量/m3钻场注浆量/m3 5 1#/2#/3#740.3/730.5/630.6 2 101.4 14 1#/2#/3#690.5/810.6/820.3 2 321.4 6 1#/2#/3#780.5/760.5/850.5 2 391.5 15 1#/2#/3#790.5/850.6/860.2 2 501.3 7 1#/2#/3#890.6/890.3/910.2 2 691.1 16 1#/2#/3#710.3/720.6/710.6 2 141.5 8 1#/2#/3#910.2/610.3/860.2 2 380.7 17 1#/2#/3#790.5/810.3/820.6 2 421.4 9 1#/2#/3#830.5/860.5/910.2 2 601.2 18 1#/2#/3#830.5/860.5/835.6 2 526.6

3.2 效果分析

通过底板注浆作业注浆量的监测可知，0-428B工作面共计注浆42 313.37 m3，各钻孔的注浆量见表1。每个注浆孔的注浆压力达到3 MPa，注浆流量小于40 L/min，且持续20 min后才停止的注浆作业。

为评价本次底板注浆堵水的效果，在注浆全部结束后进行底板注浆区域钻孔出水量的监测作业。根据监测结果，注浆完成后底板钻孔的涌水量在0～0.5 m3/h的范围内，符合注浆工程设计提出的注浆结束后单孔涌水量小于1 m3/h的要求。另外通过现场观测，10-428B工作面在回采过程中无涌水现象出现，底板注浆保障了工作面的顺利回采。

4 结语

根据10-428B工作面的地质条件，采用瞬变电磁技术进行底板富水区域和富水量的大小的探测。基于探测结果，工作面底板存在着两处突水危险性较强的区域，工作面底板大部分存在突水的危险性，依据探测结果和地质条件，进行了底板注浆方案的设计，根据注浆结束后的底板钻孔涌水量的监测，注浆作业起到了增强了底板的阻水能力的作用，保障了工作面的顺利回采。