复杂条件下工作面底板注浆加固技术研究

关鹤伟

(青海义海能源大煤沟煤矿，青海 德令哈 817000)

0 引言

孟津煤矿主采煤层为二1煤，厚度为0～14.27 m。生产采用立井的开拓方式，通风方式采用中央并列式，正常生产期间，矿井涌水量为210～230 m3/h。11011工作面沿倾向布置顺槽，长度为1 000 m，切眼呈走向布置，长度为120 m，设计可采长度为770 m，但回采至340 m时胶带顺槽底板出现裂缝渗水，伴有底鼓现象，初步判断为：回采期间地应力周期来压与底板承压含水层裂隙导水共同作用下造成的底鼓渗水，于是工作面停止回采，通过施工底板注浆加固钻孔进行治理。

1 工作面水文地质条件

孟津井田属于典型新安“三软”煤田，主采二1煤层具有突出危险性，井田范围内地质构造复杂，11011工作面伴生有正断层3条，逆断层2条，整体呈单斜构造发育，煤层倾角为2°～5°。其水文地质条件属中等，根据前期地质勘探及抽水试验测定，整体含水层压力为4.7～5.4 MPa，属于弱—中等富水含水层，隔水层厚度仅为58～67 m。另据导水性连通试验，发现含水层富水性不均匀，连通性较差，异常区域呈局部分布，但矿井地表位于小浪底水库的库区边缘，最近处平距2.75 km，在汛期排水期间有可能造成井下水源的渗透补给，增大含水层的水压水量，对矿井安全生产造成一定的威胁。

1.1 矿井主要含水层

1.1.1 奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层

奥陶系灰岩岩性为白云质灰岩、角砾状灰岩、硅质白云岩及白云岩，地层总厚度为500 m，根据前期施工的14个地表勘探钻孔和2个水文观测孔钻探验证，均未发现有漏水现象，属于弱—中等富水性含水层，水化学型号为HCO3-Ca·Mg型水，矿化度888～1 441 mg/L，pH值7.70～7.80，总硬度401～690 mg/L，水温30℃～36℃。奥灰系地下水自然动态变化主要是受气象因素控制，地下水位呈现出季节性变化的特点。

1.1.2 太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层

太原组地层的下部和中上部夹多层薄层灰岩，一般发育3层，灰岩平均总厚度15.73 m，L7灰岩普遍发育，厚度2.60～7.98 m，平均厚度5.12 m。为弱富水性含水层，本层水质为HCO3-Ca·Na及SO4HCO3-Ca类型，矿化度580～1 428 mg/L，pH值7.60～7.80。

1.1.3 山西组砂岩孔隙裂隙承压含水层

山西组砂岩孔隙裂隙承压含水层主要由山西组二1煤层顶部的大占砂岩和香炭砂岩组成，多为中粒砂岩，大占砂岩平均厚度11.99 m，裂隙不发育，井田内施工的钻孔全部穿见本层，均未发现涌、漏水现象。属于弱富水性含水层，含裂隙承压水，为二1煤层顶板直接充水含水层。本层水质为HCO3-Ca类型，矿化度725～735 mg/L，pH值7.80。

1.2 矿井主要隔水层

矿井主要含有4层隔水层，自上而下依次是二叠系山西组以上隔水层、二1煤层底板隔水层、太原组中段隔水层和本溪组隔水层。相较于其他弱富水性含水层，只有最下部的本溪组隔水层由铝质泥岩、铝质岩及砂质泥岩组成，可以有效隔断奥陶系灰岩水与上部煤体的水力联系，起到较好的隔水效果。

2 底板加固治理方案

2.1 水源分析

为了明确底鼓渗水的水力来源，对渗水进行了取样化验，经水质化验所得数据，其阳离子含量中Ca2+与Mg2+离子含量较高，达到83.17 mg/L，而阴离子以HCO3为主，指标为659.63 mg/L，矿化度为790 mg/L，pH值7.72，因此，根据综合指标判断应为奥陶系灰岩水沿裂隙导升，造成底鼓渗水。

2.2 底板加固钻孔设计

在裂隙渗水位置附近，为探明富水异常区域，在停止工作面回采，减少动压扰动的情况下，首先使用瞬变电磁仪进行底板物探，划分出低阻异常区[1-4]，低阻异常区域物探结果如图1所示。

图1 低阻异常区域物探结果

根据异常区域划分以及探测出的异常导水深度，结合矿井井田范围内整体底板隔水岩柱厚度为58～67 m等参数特征，在进风顺槽底鼓出水位置后退10 m处施工一个1#钻场，按照不同层位深度，设计1-1、1-2、1-3、1-4四个钻孔覆盖富水异常区及边缘地带；在回风顺槽侧施工一个2#钻场，设计2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6六个加固钻孔，按照终孔注浆扩撒半径25～30 m进行布孔，对异常区域实施底板注浆加固[3]。底板注浆加固钻孔设计参数如表1所示。

表1 底板注浆加固钻孔设计参数表

2.3 底板注浆效果分析

由于11011工作面进风巷已经出现底鼓裂隙渗水的情况，为避免施工钻孔后与裂隙带打通，造成大量涌水进入工作面，水量、水压对底板的冲击作用下，将会降低隔水层的阻隔水强度。因此，为考虑施工安全，先施工回风巷2#钻场的探查钻孔，通过预揭露含水层，探明富水异常区的具体含水体特性，通过其相对完整的底板隔水岩柱的保护，对进风巷进行注浆加固，确保整个环节的施工安全。

在先施工的2-5钻孔钻进至73 m时，孔内返渣出现带有方解石和白云母晶体的颗粒状碎石块，粒径大小不一，多数在3～12 mm，说明该区域有溶洞存在，导致底部隔水层被溶洞侵蚀塌陷后，造成上部岩石裂隙发育，直至延伸至工作面二1煤层底板，诱导底鼓渗水，原有完整隔水层被破坏后，在裂隙导升作用下，隔水层厚度由58～67 m减少至最小的27 m，极易在回采期间周期来压与底板动压的综合应力作用下，造成底板突水的风险，因此，有必要对富水异常区域施工钻孔提前探查，加固治理。

当首个钻孔2-5孔施工73 m见水后，即对“三量”进行了测定，实际测得水压为4.74 MPa，水量为35.6 m3/h，水温为31.2℃，符合奥陶系灰岩水特征。在出水后，将预先准备好的注浆管路与孔口闸阀与法兰盘进行连接，由地面注浆泵站启动系统开始注浆，初期采用比重为1.15的纯水泥浆进行注入，观察其升压情况，待注浆3 d后，孔口压力由初始静压5 MPa升至7.4 MPa，待升到压力值为8 MPa后调整注浆比重为1.2～1.22的纯水泥浆，继续注入。此时，由于注浆比重的加大，加速了水泥在溶洞空间内的沉淀，以及对裂隙的充填挤占，将原有的含水空间进行置换，很快达到了升压效果。为了避免注浆过大压力造成浅部底板裂隙的二次压裂，初步注浆终压设计为10 MPa，达到此指标后即停止注浆，待凝固静置24 h后，对2-5钻孔进行扫孔钻进，若中途出水，则继续注浆升压，凝固后再次扫孔钻进，按此循环直至达到设计终孔位置孔深，该钻孔施工评价结束。

在2-5孔施工终孔验证结束后，按照“钻进—出水—注浆—扫孔—终孔”的正规施工循环，依次对2-4、2-6、2-3、2-1、2-2进行钻探，然后对1#钻场的钻孔按照1-1、1-3、1-2、1-4的顺序进行钻进，按此顺序除了能够有效确保深浅孔从不同深度见水后对裂隙注浆的效果，还能通过相邻钻孔之间对注浆效果进行验证。若先施工钻孔注浆效果满足要求，则后施工钻孔再次钻进时应为已被加固改造后的底板，具有较好的隔水性，因此，钻进过程不会出水，按照此方法得出相互验证加固效果好坏的结论。

3 底板加固效果评价

经过10个钻孔施工过程和注浆过程的相互验证，在打钻期间只有少量钻孔水涌出，实际施工影响天数包括钻孔施工和注浆周期等总时长为46 d，注浆消耗水泥总量为1 563.71 t，水泥单价为535元/t，累计消耗83.65万元。

为了进一步验证注浆改造底板的加固效果，补充设计3个验证孔，分别控制原异常区的不同方向边界，且延伸加固垂高超出5 m，经过钻探后均未发现钻孔出水现象，说明加固效果科学可靠，已对含水层顶底板实现加固改造，可实现工作面的安全回采。

4 结论

1)对富水异常区域进行钻探验证，通过返渣颗粒可分析判断出异常含水体是一处岩溶溶洞，具有较大体量的富水。经过注浆期间对钻孔孔口压力变化的连续观察，发现升压相对较快，说明该溶洞不存在动态水补给，属于一处“死水”，易于治理加固。

2)钻孔施工完成后，通过专门设计的验证钻孔对治理效果进一步验证，未见明显出水后，方可确定加固与底板改造效果达到预期要求与目标，确保了工作面回采期间的安全。