大体积人工阻水墙体在治理老空水中的应用

秦立涛， 杨 猛， 韩 暖

(1.中煤地华盛水文地质勘察有限公司第二分公司，河北邢台 054000； 2.冀中能源邯郸郭二庄矿，河北邯郸 056000)

煤炭资源在我国能源结构中占据不可替代的战略位置，根据《中国可持续能源发展战略》到2050年，煤炭所占比例不会低于50%，依然占据主要位置。但是，受历史原因影响，大量小煤矿开采形成的老空水对矿井防治水安全造成严重影响。据统计，2000年煤矿企业数量35 159座，小型和小矿数量34 643座，占比98.5%[1]。截至2020年底我国煤矿数量经关停整合减小为4 700座[2]，30 459座被关小矿遗留下大量老空积水隐患，也使得老空水害问题更加突出。据山西省有关统计，2010—2016年较大水害事故中老空水害事故起数占比86.08%，老空水害造成的遇难人数占比91.70%[3]。在山西省第二轮煤炭兼并重组整合以后，较大以上水害事故起数和遇难人数占比比兼并重组前分别上升25.53%和43.69%[3]。老空水害的防治问题将是未来矿井防治水安全开采的重中之重。

《煤矿防治水细则》要求采取“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施，也有人提出“放、堵、隔”的“三治”源头对策[4]，但以上“堵”的思路基本都是对含水层或破碎带裂隙进行封堵。薛建坤利用靶向帷幕注浆治理导水断层，陈少帅等利用预注浆封堵围岩裂隙，翟丽娟利用地面区域治理对底板含水层改造等[5-7]；在老空水封堵方面，于文杰对明斜井两侧老空区进行注浆建墙[8]，朱明诚利用筑坝、加固、引流注浆也实现了老空水封堵[9]。基于“封堵”思路，针对山西省阳泉固庄煤矿15709掘进巷道存在的大空洞巷道导水引发的老空水害问题，提出了通过钻孔巷道注浆人工建立阻水墙体，封堵老空积水区域，有效隔离水害来源，疏堵结合防治老空积水的治理思路，取得良好效果。

1 大体积人工阻水墙体技术

1.1 理论依据

大体积人工阻水墙体是在以往采掘工程基础上，选取关键导水巷道进行注浆，建立人工阻水墙体。该阻水墙体除能起到阻隔水作用以外，还应能够承受一定的侧向水头压力，阻水墙体成功与否关键在于厚度确定，其理论依据与水利工程坝体帷幕注浆理论相同[10-12]，可以通过允许比降确定阻水墙体厚度，进而建立人工阻水墙体；此外，侧向人工阻水墙体与底板安全隔水层留设相似，区别在于将存在于下部的水害威胁转变为侧向的水害威胁，因此，也可以利用安全隔水层厚度法确定阻水墙体厚度，从而建立人工阻水墙体，阻隔老空水导水通道，消除老空水水害威胁[13-14]。

1.1.1 安全隔水层厚度理论

根据《煤矿防治水细则》，安全隔水层厚度计算公式如下[5]：

T=L(√(γL+8Kpp)-γL)/(4Kp)

(1)

式中：T为安全隔水层厚度，m；L为巷道底板宽度，m；γ为隔水层的平均重度，N/cm3；Kp为隔水层的平均抗拉强度，MPa；P为隔水层承受的水头压力，MPa。

1.1.2 阻水帷幕法

阻水帷幕法是冶金、水利、煤炭等行业常用治水方法，一般是通过向地层裂隙中注浆，建立阻水帷幕[6]。对于大体积空洞建立侧向人工阻水墙体，阻水帷幕厚度的确定可以借鉴水利工程坝体帷幕厚度计算方法，其主要影响因素是阻水墙体承受的水头压力和阻水墙体质量所确定允降比例，其计算公式为

J允=J破/K

(2)

式中：J允为允许比降；J破为浆液结石的渗透破坏比降；K为安全系数，按3取值。

帷幕厚度为

T=ΔH/J允

(3)

式中：T为帷幕所需厚度，m；ΔH为最大作用水头，m。

1.2 技术方案

大块体人工阻水墙体技术首先应准确确定老空水的导水通道，如果是以往采掘巷道为主要导水通道时，选取关键巷道作为封堵对象，顺巷道方向以15～30m间距布置不少于3个地面钻孔，钻穿巷道上部地层，施工至目标巷道内进行注浆封堵，建立大体积人工阻水墙体。阻水墙体成型后，再次钻穿至巷道底部进行耐压试验，检查阻水墙体和巷道围岩浆液充填质量，必要时补充注浆，确保大块体人工阻水墙体与巷道围岩融为一体，起到良好阻隔水作用。

大体积人工阻水墙体注浆过程中应根据巷道高低起伏、空间大小、水动力条件、水质酸碱性、巷道残存物等因素确定注浆方案，为防止浆液扩散太远，造成材料浪费，一般应先在两端建立挡墙，而后进行中间空间充填，为确保阻水墙体内部不出现真空空洞，挡墙应预留一定泄水空间；注浆过程中应密切监测阻水墙体的高度、强度质量以及巷道水位和水流变化，及时调整注浆对策。

1.3 适用条件

老空水的治理首先应判明积水范围、积水量、积水标高。当积水范围广，积水量很大，采用常规疏放方法短时间不能见效，而且老空水的充水通道又主要是以往采掘巷道时，可以采用大体积人工阻水墙体技术封堵巷道，建立大体积人工阻水墙体，阻断老空水的充水通道，从而达到快速隔离老空水，实现安全掘进和工作面紧密衔接的目的。

2 应用实例

2.1 矿井地质及水文地质条件

山西省阳泉固庄煤矿位于阳泉市郊区，实际生产能力100～120万t/a。井田内揭露地层从老到新依次有奥陶系峰峰组，石炭系本溪组、太原组；二叠系山西组、下石盒子组，上石盒子组及第四系。含煤地层为山西组和太原组，可采煤层3、8(8-1、8-2)、9(9-1、9-2)、12、15号煤，其中山西组3号煤，太原组8(8-1、8-2)、9(9-1、9-2)号煤层均已采空；仅余少量12、15号煤。本次施工揭露地层为太原组15号煤以浅地层，单个钻孔钻进过程中揭露8号、12号、15号三条不同高程巷道，对钻孔安全和防斜影响较大。

井田构造简单，总体呈北西走向，向西南倾斜的单斜构造，并在此基础上，发育次一级宽缓褶皱；倾角小，一般5°左右；断层不发育，未见大型断裂，仅发现少量小型断层。

井田内奥陶系岩溶水水位标高456～475m,低于15号煤层底板标高(780～863m)，底板标高735～1 050m，各可采煤层不受奥灰水影响。对煤层开采有影响的含水层：石炭系太原组岩溶裂隙含水层、二叠系山西组和上下石盒子组砂岩裂隙含水层和第四系松散沉积物孔隙含水层。太原组发育三层灰岩含水层(K2、K3、K4)，K2灰岩厚度9.41～12.34m，平均厚度11.08m， K3、K4灰岩较薄，平均厚度分别为1.00m和1.79m，且位于地下水位以上。K2灰岩赋水性相对较好，单位涌水量为0.012 9～0.019 4L/(s·m)，渗透系数为0.054 6～0.069 4m/d，属弱富水性含水层，且在12、15号煤层采掘疏放中未发现较大涌水点，涌水量均较小，水量0.5m3/h左右，破碎段1.0m3/h；山西组和上下石盒子组砂岩裂隙含水层单位涌水量0.000 2L/(s·m)，富水性弱；第四系松散沉积物孔隙含水层主要分布于沟谷河流冲积地带，受降雨影响明显。

2.2 矿井水害分析

固庄煤矿以往15号煤采空区因埋藏浅，易接受降雨和上覆砂砾石含水层补给，长期以来积存了大量老空积水，且各工作面间相互联系，使得老空积水联成一体，探放老空水面临很大困难。尤其是规划的15709工作面， 掘进巷道东邻15203、 15204工作面采空积水区，西邻15501、15502、15503工作面采空积水区，以上积水区又与远处其他积水区联通，形成大范围、大体量老空积水(图1)。

图1 规划采掘工作面与以往采空区域位置示意Figure 1 Schematic diagram of planned winning, opening faces and previous gob area positions

经分析，矿井水文地质条件中等，周边工作面采掘中未揭露断层，巷道掘进面临的主要充水水源为老空水。15709工作面掘进巷道在掘进过程中需要直接揭露以往15204回风巷，该巷道直接联通15204和15203采空积水区，并与15501、15502、15502采空积水区通过15502进风巷道与15204回风巷之间的钻孔联通，而且15204回风巷在掘进过程中未见构造发育，老空积水对掘进工作面的影响主要是因为直接揭露15204回风巷所致，其充水水源是15204等各采空工作面积水，充水通道是15204回风巷和15502进风巷，积水量预计数10万t，甚至更多。

2.3 适用条件判断

对比固庄煤矿15709工作面掘进巷道存在的老空水水害问题可以发现存在以下特点：

1)存在积水量大，几个采空积水区相互联通。

2)充水通道明确且单一，老空水的充水通道就是巷道掘进揭露的15204回风巷和15502进风巷。

3)为保证矿井工作面接续，急需解决15709掘进巷道面临的老空积水问题，时间紧迫，采取常规疏放措施，难以满足要求。

水量大、通道明确且单一、时间紧迫的水害特点符合采用大体积人工阻水墙体技术治理老空水的条件，可以通过在15204回风巷和15502进风巷施工钻孔，钻穿至巷道，注浆形成人工阻水墙体，阻断老空水充水路径，解决存在的老空水害问题。

2.4 关键技术确定

2.4.1 注浆阻水墙体有效厚度计算

通过分析该巷道面临的老空水害特点，可以确定注浆有效厚度计算参数如下：巷道宽度L，取3.2m；15709掘进巷道揭露15204回风巷时承受的水头压力0.4MPa，取3倍的安全系数，水头压力值P为1.2MPa；注浆阻水墙体采用水泥砂浆制成，受骨料掺入比例影响，其抗压强度值按M5的60%取值即3MPa，抗拉强度取抗压强度值的0.1倍取值，即为0.3MPa；注浆阻水墙体的平均重度γ取0.030 4MN/m3；J破取值参考以往试验成果中砂泥岩试验的中间值，即28.4[7]；允许比降的安全系数K按3取值；最大作用水头ΔH，根据当前的实际情况，取值40m。

根据以上参数，按照《煤矿防治水细则》中安全隔水层厚度法计算可知，注浆隔水墙体的有效厚度应不小于4.27m；按照阻水帷幕理论，帷幕厚度应不小于4.22m；与按照《煤矿防治水细则》中安全隔水层厚度计算的结果基本相同，说明按照此方法所得厚度值较为可靠。

鉴于巷道计划封堵巷道采掘时间长，巷道内残存物质杂乱，为保证注浆阻水墙体有效厚度能够满足要求，同时兼顾控制浆液扩散，防止材料浪费，实际实施中，注浆阻水墙体按不小于计算有效厚度的3倍，约为13m。结合地形地貌条件布置钻孔5个，终孔孔径φ127mm，终孔深度进入巷道底板5m。其中，在15204回风巷布置钻孔3个，间距15m，注3、注4两孔对注浆段和巷道围岩做耐压试验确保阻水墙体质量，以孔口压力1MPa，保持30min为标准，注5孔以成墙挡浆为目的，不做耐压试验；在15502进风巷布置钻孔2个，间距30m，注2孔对注浆段和顶底板做了耐压试验，标准同上，注1孔以成墙挡浆为目的。各孔相对位置及注浆材料用量见图2。

图2 注浆钻孔及巷道相对位置Figure 2 Relative position of grouting borehole and roadway

2.4.2 有效阻水墙体段选取

有效阻水墙体应紧邻掘进巷道两侧外部，距离太远会造成后期验证工程量偏大，不利于成本控制。根据前述计算结果，项目施工中选择自15709集中运输巷向右、集中回风巷向左分别截取不小于13m作为有效阻水墙体段。钻孔布置必须包含选定的两侧有效阻水墙体注浆段，有效阻水墙体注浆段内应尽量留设耐压验证孔。该项目15709集中回风巷左侧为巷道端头，为确保注浆段阻水墙体质量，将15204回风巷端头至注5孔间全部注浆充填，注3、注4孔作耐压试验验证阻水效果。

2.4.3 钻孔防斜

因单孔深度浅，仅185m左右；地层倾角小；施工中利用综合地面环境和地层特点优选孔位，减小钻孔防斜难度；利用钻进前端扶正技术提高钻孔垂直度；针对倾角大、地层复杂的地层采用取心钻进，同时，根据地层情况优化钻压、转速、泥浆等技术参数，使钻孔垂直度得到保障，并取得良好效果。表明小孔径常规防斜技术在浅埋深、缓倾斜地层中能够有效利用。

2.4.4 注浆工艺

人工阻水墙体属大体积水泥块体，又因处于一个井下封闭空间，一次性大量注浆成型容易因为散热不均匀产生内生裂隙，影响阻水墙体质量。因此，注浆材料应适当添加骨料，降低水泥凝固产生的水化热。水泥浆的配合比可根据钻孔间距和巷道形态调配。采用间歇式注浆方式，一方面随时掌握阻水墙体成型高度，合理控制浆液扩散距离，另一方面可有效控制浆液的扩散半径和单次水泥结石体高度，使得水泥在凝固过程中产生的水化热得到逐次散发，避免了封闭空间、大体积水泥因内部温度过高，使得内外温差过大而产生大内生裂隙。

2.5 阻水墙体材料用量及充填范围

根据巷道底板标高、浆液扩散距离以及钻孔材料用量可以估算各孔注浆充填范围，如图3所示；同时，可以为人工阻水墙体质量验证提供基础依据。

图3 钻孔材料用量及井下充填范围示意Figure 3 Schematic diagram of drilling material consumption and underground filling extent

2.6 治理效果验证

2.6.1 钻孔验证

阻水墙体质量验证共布置井下探放水钻孔5个，如图4所示。

图4 井下探放水验证钻孔平面布置Figure 4 Plane layout of underground water exploration, drainage and validation boreholes

通过以上探放水验证孔可以发现，采用注浆封堵巷道，形成大体积人工阻水墙体可以阻断老空水充水通道，隔离老空水。同时，可以发现采用耐压试验进行封堵效果检验补注后，结石体质量明显优于没有进行耐压试验部分。

2.6.2 巷道掘进验证

经钻孔验证后，矿方进行了巷道掘进。在掘穿15204回风巷道过程中，巷道围岩仅有滴淋水，总涌水量小于2m3/h，达到预期目标。

3 结论

1)小孔径常规防斜措施能够保证钻孔在浅埋深、缓倾斜地层中的钻孔垂直度，可以有效降低施工成本，扩大收益。

2)治理巷道宽度3.2m，以水泥浆和水泥砂浆封堵，钻孔以15～30m间距布置，φ127mm孔径成孔，浆液扩散能够填充纵横两个方向的巷道空间。

3)设计阻水墙体有效厚度注浆段两端，通过7倍水头压力进行耐压试验，证实人工阻水墙体质量满足侧向压力要求。

4)浆液扩散距离应结合地形地势、构造裂隙发育具体确定，一般可取15m布置钻孔。

5)应加强不同配比浆液的结石体密度、抗拉强度、抗压强度值的监测，进一步完善人工阻隔思路的老空水治理成果。