注浆截流技术在涌水防治中的应用

程东良 武天红 孙 亮

(河南省许平煤业有限公司)

河南平禹煤电公司一矿(简称平禹一矿)始建于1969年9月，1976年10月投产。主采二叠系山西组二1煤和二3煤。矿井现开采水平为-200 m，最低开采标高为-415 m。平禹一矿处于禹州岩溶水系统最下游的承压水自流排泄区，煤层底板石炭系太原组灰岩和寒武系灰岩发育，富水性和导水性强，补给充沛。2003年矿井平均涌水量为2 600 m3/h，2013年矿井平均涌水量达2 894 m3/h。在当前煤炭价格低落和生产成本不断增加的不利形势下，减少排水成本，降低费用，成为必须解决的问题。平禹一矿矿井水文地质类型极为复杂，断层发育。自1972年以来，已经发生49次突水，其中2次淹井、2次淹采区；2005年10月19日东大巷扩砌过程中，因断层导水，使得寒武系灰岩水涌入矿井，发生特大型突水，最大突水量达38 056 m3/h，导致矿井被淹。

为了消除岩溶水突水威胁，保障矿井安全生产，杜绝重特大突水事故的发生，从根本上解决承压水威胁的问题，标本兼治，提出了浅部帷幕注浆、中部疏水降压和局部注浆加固的治理原则[1]，采用注浆截流技术分期实施治水工程。

1 矿区水文地质

平禹一矿西北部和西南部为低山丘陵区，寒武系灰岩和白云岩大面积出露于地表，出露总面积为400 km2。寒武—奥陶系灰岩白云岩裸露区地表岩溶裂隙发育，接受大气降水和地表水的入渗补给，是平禹一矿矿区内岩溶水直接补给区。降水入渗补给强度不仅与地层岩性及岩性组合、岩溶发育程度、地形地貌、构造等有关，还与降水强度、方式及持续时间等有关。根据禹州矿区1∶10万矿区水文地质图，采用求积仪计算，区内寒武系奥陶系碳酸盐岩直接出露面积为400 km2。井田范围内，大面积的寒武系碳酸盐岩被二叠系、三迭及第三系地层所掩埋，间接接受大气降水的入渗补给。颖河及其支流从井田中部内流过，河水对沿河两岸的第四系含水层有补给作用，但对岩溶水基本没有补给。由此可见，大气降水是禹州岩溶水系统的主要补给来源。这样的地形地貌为采用注浆截流技术进行治理提供了便利条件。

2 注浆截流方案设计与实施

帷幕注浆截流是在矿区主要进水通道上，通过钻孔注浆，形成帷幕状的人工阻水体，堵截流向矿井的地下水量，可用于解决矿井涌水量大，排水费用高的防治水问题。理论上效果可表现为排相同的水量，可获得更大的水位(压)下降，或排较少的水量，获得同样的水位(压)下降，再或兼而有之，矿井采面回采时突水系数不超过相关规定[2]。本次帷幕注浆截流工程分为2期。

2.1 Ⅰ期注浆截流工程

2.1.1 Ⅰ期注浆工程设计

Ⅰ期注浆工程设计地面和井下联合帷幕注浆截流方案。地面工程分2个标段，魏庄断层标段位于井田北部边界处，在垂直魏庄断裂的区域布置地面注浆孔；肖庄断层标段位于井田西南部边界处，在垂直肖庄断层的区域布置地面注浆孔。井下注浆工程是在井下二采区总回风巷、二采区轨道上山、二采区至四采区西大巷中布置注浆孔。地面和井下注浆孔连接在一起，形成一条由井田西南边界至北边界延伸的注浆帷幕墙，阻断西部和西北部岩溶水进入井田的补给通道。由此在井田西部及中部形成一条横贯南北的注浆截流帷幕，减少区外岩溶水对井田的补给。根据地层条件、注浆孔段直径和注浆方式确定钻孔结构，钻孔由开孔至整个注浆深度孔径力求简单[3]。具体设计如下：

(1)魏庄断层地面注浆截流帷幕工程自魏庄断层发育处向西至矿井一采区上山沿二1煤层露头线以下20 m布置注浆孔，注浆段长600 m，按间距50 m 单排布置注浆孔，考虑断层带及报废孔，增加20%钻孔，共布置17个注浆孔。地面标高平均为170 m，煤层标高为+10 m，钻孔进入寒灰50 m，平均孔深为310 m，钻探总进尺为5 270 m。

(3)二采区总回风巷井下注浆截流工程注浆段总长1 100 m，按间距50 m单排布置注浆孔，共钻孔24个，钻孔进入寒灰50 m，平均孔深为150 m，钻探总进尺为3 600 m。

(4)二采区轨道上山井下注浆截流工程注浆段长800 m，按间距50 m单排布置注浆孔，共钻孔20个，钻孔进入寒灰50 m，平均孔深为120 m，钻探总进尺为2 400 m。

(5)西大巷井下注浆截流工程注浆段长1 200 m，按间距50 m单排布置注浆孔，共钻孔24个，平均孔深为100 m，钻探总进尺为1 200 m。

平禹一矿地面和井下注浆截流工程布置见图1，肖庄断层附近帷幕注浆截流注浆孔剖面见图2。

图1 平禹一矿地面和井下注浆截流工程布置

2.1.2 Ⅰ期帷幕注浆截流工程实施

Ⅰ期工程先地面后井下施工。地面施工采用TXB-1000型钻机；配用动力40 kW，注浆采用325#及其以上普通硅酸水泥，水灰比为(1∶1)～(0.5∶1)，密度在1.3～1.7 t/m3[3]。魏庄断层标段共施工地面注浆孔19个(包括6个检查孔和1个水文观测孔)，钻探总进尺为5 657 m，共注入水泥浆4 737.5 t。肖庄断层标段共施工地面注浆孔16个(包括1个水文观测孔)，钻探总进尺为10 220.8 m，共注入水泥浆1 412 t。井下注浆截流工程共施工68个注浆孔，钻探进尺近10 000 m，共注入水泥浆5 910 t，其中，西大巷4#钻场2#孔单孔注浆量为4 150 t。

图2 肖庄断层附近帷幕注浆截流注浆孔剖面

2.2 Ⅱ期注浆截流工程

2.2.1 Ⅱ期注浆截流工程设计

（4）多功能护理型轮椅组合床通过遥控器控制水平电动伸缩杆，可以实现轮椅与病床的分离，避免了病人在轮椅与病床之间的移动，起到代步作用．

鉴于Ⅰ期帷幕注浆截流工程构建的截流墙仍有缺口，存在过水通道，Ⅱ期帷幕注浆截流工程的布置原则是“查漏堵缺”。通过地面和井下物探确定富水异常区，井下打钻验证和注浆，注浆深度定在寒武系灰岩顶界面以下200 m；帷幕注浆截流墙在四采区尚有一段缺口，拟结合二1-14061工作面注浆加固，在物探基础上，在工作面和西大巷进行注浆，注浆层位达到寒武系灰岩顶界面以下150 m;魏庄断层是导水通道，技改井井底车场650 m3/h放水量最有可能来源于魏庄断层，在东大巷朝魏庄断层方向施工一条石门，探查灰岩富水性，朝魏庄断层方向布置超长钻孔，对过水段进行封堵注浆。

注浆截流位置设计3处：魏庄断层转折端富水异常区、西大巷到西区治水巷间富水异常区、桐树张断层南端至肖庄断层间的富水异常区，配合平禹一矿-140～-200 m标高工作面底板注浆加固工程，包括二1-14061、二3-13110、二1-13090、二1-15010工作面，将Ⅰ期帷幕注浆截流墙东西贯通，构成自四采区，经二采区和三采区，再到技改井五采区的帷幕注浆截流墙，进一步封堵岩溶水自浅向深、自西向东、自东北向西南的径流通道。

2.2.2 Ⅱ期注浆截流工程量

魏庄断层异常区的井下注浆堵源工程:在东井13010工作面风巷原有注浆堵水钻场朝魏庄断层方向布置注浆截流堵水钻孔。魏庄断层设计19个注浆孔，钻探工程量为3 401 m。

西区治水巷-西大巷-东大巷井下堵源截流工程：在西大巷到西区治水巷之间富水异常区设计7个钻场，31个注浆孔，钻探工程量为5 400 m。

西区治水巷西端堵源截流工程：在西区治水巷西端(即12042风巷正前处)朝物探查明的2处富水异常区(A区和B区)打钻注浆，构建一道南北向堵水帷幕。在2处富水异常区共设计10个注浆孔，其中，A区4个，B区6个，钻探工程量为4 317 m。

2.2.3 Ⅱ期注浆截流工程实施

魏庄断层异常区的井下注浆堵源工程实际布置注浆孔19个，工程量为3 558 m，注浆量为967 t。

西区治水巷-西大巷-东大巷井下堵源截流工程在西大巷到西区治水巷之间富水异常区实际布置7个钻场，共施工注浆孔31个，钻探工程量为5 148 m，注浆量为1 809 t。其中，3#钻场1#孔、4#钻场2#孔、7#钻场2#孔吸浆量大，分别为276，303和954 t，3个孔注浆量为1 533 t，占全部钻孔总注浆量85%。

西区治水巷西端堵源截流工程钻探及注浆施工中发现，此处地层非常破碎，岩层不稳定，岩溶发育，富水性强。以1#孔为例，设计孔深268 m，实际孔深457 m；在钻进至寒武系灰岩定界面以下1.52，20.39，160.72，194.13和246.60 m出水，出水量为12，30，50，40，13 m3/h；整个钻孔共注入水泥浆3 888 t，占10个设计注浆孔预计总注浆量(6 696 t)58%。2#、3#、4#孔及补4′#孔和补4″#孔都因地层坍塌，套管下不到目的层位，不能正常护壁，造成下部无法施工。其余钻孔在钻进至煤层附近时，皆因塌孔严重，难以正常施工，将钻孔注浆封堵。考虑到1#注浆孔吸浆量大，打钻施工困难，剩余钻孔没有施工。

3 应用效果

3.1 Ⅰ期注浆截流工程效果

平禹一矿Ⅰ期地面和井下帷幕注浆截流工程于2009—2010年在井田浅部岩溶水的补给通道实施。在井田西部形成了一条贯穿井田南北的边界(魏庄断层和肖庄断层)的注浆帷幕墙。大流量疏放岩溶水工程实践证实，所建帷幕注浆截流墙垂直于岩溶水径流方向，截流墙布置恰当，有一定堵水作用，但效果没有达到预期。平禹一矿深部水平的生产系统尚未形成，导致采掘接替存在困难。在深部水文地质条件还不明朗的条件下，不能贸然在东大巷注浆截流浅部岩溶水，在深部防排水未形成前，还需要进一步疏放岩溶水，从堵水角度来说，只能堵截井田外围进入矿井的通道。

3.2 Ⅱ期堵源截流工程效果

Ⅱ期堵源截流工程实施后，三采区(-200 m水平)和五采区(-143 m水平)水量显著减少，矿井涌水量变化与注浆孔数和单孔注浆量都存在关系[4]。实施前(2013年5月)矿井总涌水量为2 894 m3/h，实施后矿井总水量为2 000 m3/h，其中三采区剩余水量为1 381 m3/h，五采区-143 m水平剩余水量为259 m3/h，-415 m水平剩余水量为360 m3/h。与Ⅱ期堵源截流工程实施前相比，总用水量减少894 m3/h，同比下降了31%。

3.3 经济效益

通过实施Ⅰ、Ⅱ期注浆截流工程，减少排水量894 m3/h，按排水费用0.89元/m3计算，每年排水成本可降低697万元。同时，2013年至今二3-13110、二1-12042、二1-13072、二1-13012综采工作面、二3-15040综采工作面均实现安全回采，共计回采煤炭资源211.65万t，按吨煤利润50元计算，实现利润1.06亿元。

3.4 社会效益

通过帷幕注浆截流堵源工程，降低了灰岩水压，减少了排水量，减少了矿井水害威胁，改善周边居民的生活环境，降低了疏水降压对环境的破坏度，为环保开采做出了一定的贡献，为平禹一矿下一步安全生产奠定了坚实的基础，具有良好的社会效益[5]。

4 结 语

(1)地面注浆钻孔工程量大，成孔率相对低，工期长，农村关系处理困难,但安全性高。

(2)井下注浆施工环境差，安全程度相对低，不适合大功率钻机作业,但钻孔工程量小，精度高，注浆速度快，成本低。

(3)实施注浆截流技术，找到主要水源补给是关键，钻孔达目标层后涌水量及吃浆量是评价注浆效果的重要指标。