底板破碎条件下高承压水快速堵水技术研究

王 迪，赵相朋

（义煤集团孟津煤矿有限责任公司，河南 洛阳 471000）

近年来，随着我国浅部煤炭资源的逐渐消耗和枯竭，开始逐渐向地下深部获取资源。目前，我国东部多个矿井已进入1 000～2 000 m 深度开采，随着开采深度的增加，来自底板高承压水的威胁日趋严重，在我国华北石炭二叠系煤田由于受到深部高承压灰岩水的危害，突水事故频繁发生。

国内外关于底板高承压水治理研究很多，但是底板高度破碎、高水压、多水源条件下快速堵水技术研究较少，缺乏有效的技术手段和较成熟的经验。因此，底板高度破碎条件下高承压水快速堵水技术研究，不仅对孟津煤矿保护地下水资源、消除矿井安全隐患具有重要的意义，也为其他矿井类似堵水工程提供借鉴经验。

1 概 况

孟津煤矿水文地质条件复杂，主要受煤层下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层和太原组灰岩岩溶裂隙含水层影响。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层总厚度281 m，该含水层顶界面距二1 煤层底板58.20～82.99 m，一般65.84 m，距二2 煤层底板约83 m，顶界面水压5.26～6.18 MPa，属具有突水威胁的间接充水含水层，其间有2 层主要隔水层阻止奥灰水进入矿井。太原组灰岩岩溶裂隙含水层的主要含水层段为L1～L4灰岩。L1～L4灰岩平均厚度7.6 m，距二1 煤层底板平均35 m，距二2 煤底板平均53 m，该含水层属矿井直接充水含水层，一般岩溶裂隙发育不佳，厚度不大，大部分区域富水性较弱，以静储量为主，对工作面生产构成一定影响，但不威胁矿井安全，但在构造发育地段则可能与奥灰含水层发生水力联系，具有突水危险性。

二2-11030 工作面开采二2 煤层，工作面中间下伏岩层中布置有11030 中间底抽巷，如图1 所示，该巷道上距二2 煤层底板约32 m，下距太原组L1～ L4灰岩顶界面约21 m，距奥陶系灰岩含水层顶界面约51 m。

图1 工作面布置及突水点位置平面图Fig.1 Plane of working face layout and water outburst point position

2 突水过程

2022 年3 月5 日二2-11030 工作面回采109 m时，11030 中间底抽巷与切眼底抽巷交叉口（图1，a 点）巷道底板出现涌水，水量28 m3/h，水温34℃，水质分析结果K+、Na+毫克当量百分比为48.9%，Ca2+、Mg2+毫克当量百分比为51.1%。综合水温、水质、出水位置，初步判定水源为奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层水向上越流补给太原组L1～L4灰岩，在回采扰动下由L1～L4灰岩进入井下空间。3 月11 日开始在11030 中间底抽巷距交叉口51 m处施工D1 探查治理孔，该孔设计垂深80 m，三级套管结构，钻孔落底层位进入奥灰顶界面下30 m，目的是探查突水水源，并从根部奥灰含水层对突水通道进行堵截，在源头上进行治理。D1 施工至垂深30 m 时钻孔涌水50 m3/h，交叉口水量随之降到5 m3/h。钻孔涌水过程中带出大量碎石，随即组织对D1 孔进行了预注浆，在预注浆过程中，D1 孔孔口附近巷道底板出现多个新出水点，钻孔以里15 m 处（图1，b 点）巷道底板涌水量达20 m3/h。该现象表明D1 孔附近巷道底板已高度破碎，与太原组L1～L4灰岩间的导水通道敞开，为避免巷道底板进一步破坏，D1 孔停止注浆，保持放水状态，将钻机外撤至11030 中间底抽巷距交叉口97 m 处施工D2 孔，该孔设计垂深80 m，钻孔结构、钻孔落底层位及设计目的与D1 相同。D2 孔施工至垂深36 m 时钻孔涌水51 m3/h，遂停止钻进组织注浆，注浆过程中发现浆液沿D1 孔及周边巷道底板跑浆严重，为保证安全，停止注浆，D2 孔临时封孔。至此，D1 孔涌水量约50 m3/h，已不具备进一步施工条件，其他出水点涌水量合计约20 m3/h，巷道总出水量约70 m3/h。

3 堵水方案

3.1 堵水策略

通过D1、D2 钻孔出水情况，进一步印证了“突水水源为奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层水向上越流补给太原组L1～L4灰岩，在回采扰动下由L1～L4灰岩进入井下空间”的结论，同时也探明了11030中间底抽巷在该区域内巷道底板岩层高度破碎，与太原组L1～L4灰岩间的导水通道敞开，在巷道底板加固前已不适宜再施工堵水钻孔，强行施工可能造成灾害扩大。

基于以上情况，矿决定调整堵水策略：第一步，远距离施工疏水钻孔，将D1 孔及周边涌水分流，使D1 孔具备施工条件；第二步，从D1 孔注聚氨酯堵水材料，对D1 孔附近L1～L4灰岩及巷道底板进行快速封堵加固；第三步，利用远距离疏水钻孔注水泥浆对D1 孔外围L1～L4灰岩及巷道底板进行注浆加固；第四步，在D1 孔附近浅层加固的基础上，将D2 孔落底层位施工至奥灰顶界面下30 m，注水泥浆将奥灰含水层改造为隔水层；第五步，将远距离疏水钻孔延伸至奥灰顶界面下30 m，注水泥浆扩大奥灰含水层改造范围，巩固堵水成果，必要时补充钻孔。

3.2 钻孔设计

根据井下现场施工条件，在11030 工作面切眼底抽巷距交叉口93 m 处布置了D3、D4、D5 钻孔，在11030 中间底抽巷距交叉口101 m 处布置了D6孔，如图2 所示，钻孔参数见表1。

表1 堵水钻孔参数Table 1 Parameter table of water plugging borehole

图2 堵水钻孔设计平面图Fig.2 Plane of water plugging borehole design

要求钻孔一级套管孔口处外壁缠麻皮，孔内注浆，孔外充分返浆，耐压试验压力5 MPa，以备在下二级套管前出水提前进行预注浆，二级套管采用环状间隙注浆，耐压试验压力12 MPa，便于浅层堵水后对奥灰含水层进行注浆改造，根据具体施工情况下三级套管。

在实际施工中，D4 孔钻杆断，未施工至设计终孔，D6 孔下三级套管，D2 孔补下四级套管。钻孔采用下行式注浆，施工过程中若钻孔涌水量≥10 m3/h 则停止钻进，进行预注浆，预注浆结束后透孔继续向下钻进。

3.3 堵水过程

D3 孔施工至78.5 m（垂深53.5 m）时钻孔出水56 m3/h，D1 孔涌水量随之减少至20 m3/h，巷道出其他水点不再涌水。在保持D3 孔放水状态下，施工了D4 孔，D4 孔施工至73 m（垂深45 m）出水35 m3/h，D1 孔涌水量进一步减少至10 m3/h。D3、D4 孔施工达到了将D1 孔及周边涌水分流的目的，D1 孔已具备施工条件。

在保持D3、D4 孔分流的条件下，沿D1 孔注聚氨酯5 t，聚氨酯在地层中遇水发泡膨胀，进行二次渗透，将D1 附近巷道底板及巷帮可见的20多处裂隙充分充填，D1 孔及孔口附近不再涌水，但D1 孔以里15 m 处（图1，b 点）水量增大至40 m3/h。通过注聚氨酯材料，将D1 孔进行了封堵，将管道流变成了渗流，基本达到了预期目的。

在将D1 孔由管道流改造成渗流后，通过浅层注浆堵水成了可能，于是利用D3、D4 孔对浅层进行注浆，D3 孔反复透孔注浆6 次，累计注海带305 kg，水泥425 t，G2-2 孔累计注海带698 kg，锯末125 kg，水泥105.9 t。通过G3、G4 钻孔注水泥及骨料后巷道总涌水量由70 m3/h 减至6.7 m3/h。在总涌水量得到有效控制、D1 孔周边被聚氨酯充分充填加固的前提下，将D2 孔落底层位施工至奥灰顶界面下30 m，注水泥565 t，巷道总涌水量减至0.3 m3/h。

为扩大奥灰含水层改造范围，巩固堵水成果，又将D3 孔进行了延伸，并施工了D5、D6 孔，落底层位施工至奥灰顶界面下30 m，对奥灰含水层进行了注浆改造。

4 结 论

此次孟津煤矿底板破碎条件下高承压水快速堵水工程施工堵水钻孔总进尺683 m，累计注水泥3 014.64 t，海带1 038 kg，锯末280 kg。巷道总涌水量由70 m3/h 减至0.3 m3/h，堵水率99.6%，实现了堵水率高、用时短、成本低的目的，堵水效果显著。通过总结分析，获得如下结论。

（1）突水水源快速判定。矿井通过以往水质分析成果，对K+、Na+、Ca2+、Mg2+毫克当量百分比等关键化学特征、水温进行了聚类分析，绘制了Piper 三线图，建立了标准水样数据库，对奥陶系灰岩水、太原组灰岩水、煤层顶板砂岩水等不同水源进行快速对比判定，是实现快速堵水的前提。

（2）科学布置堵水钻孔。钻孔布置按照多层次、立体交叉式原则，坚持一孔多用，疏、堵、截相结合，疏水先行，堵截为主，探注结合的堵水技术路线。

（3）聚氨酯浆液使用。聚氨酯浆液分为非水溶性聚酯（简称PM型浆液）和水溶性聚氨酯（简称WPU 型浆液），PM型浆液遇水开始反应，不易被地下水冲稀或冲失，反应时间可以控制，WPU型浆液可均匀地分散或溶解在大量水中，容易被冲失，凝胶时间难以随意控制，因此此次堵水选用非水溶性聚氨酯。为同时避免聚氨酯在孔内过早反应将注浆通道堵塞和反应时间过长注入浆液被动水冲失，施工过程中将注浆管路设计为“Y”型，使A料和B 料在孔底混合开始反应，结合裂隙发育和底板破碎情况，将浆液开始反应时间精确至40～45 s，终凝时间精确至60～90 s，膨胀倍数定为2～3 倍。

（4）合理的注浆工艺。此次采用了间歇式、立体注浆、二次渗透注浆和控制性注浆技术，实现注浆的大流量和连续性，有效控制了突水点跑浆和浆液无限扩散的问题，达到拦截突水水源和封堵导水通道的目的。施工过程中出现跑浆现象时，浆液中加入了锯末、海带等骨料，添加顺序按照骨料粒径先细后粗再变细，水泥浆比重范围采用1.1～1.3，先稀后稠再到稀，注浆泵由高档到低档。