煤矿巷道涌水勘探与地面成孔注浆加固治理

梁东 张昕 宋黑

1 工程地质概况

1.1 工程概况

某煤矿位于登封市，东临白沙水库，煤矿采区范围南北宽0.4 km，东西长 0.8 km，一对竖井，开采②1煤层，主井口标高286.8 m，落底标高69.8 m(井深217 m)，副井口标高272.0 m，见煤标高192.0 m。年开采能力在10万t左右，目前采煤深度在50 m～250 m之间。2004年自主井大巷向东北开掘+60 m平巷接近北部井田边界时出现涌水现象，造成井巷被淹事故。事故出现后，曾采取在地面相应井下出水点位置成孔注浆，堵水初见成效，但排水未完成时，又出现二次涌水淹井，排水量达200 t/h，水混蚀，水量还有增大的趋势。为尽快恢复矿井生产，对矿区分别进行了二维地震勘探和瞬变电磁法控制富水带分布特征勘探等两项工作，之后根据勘探情况，针对性的进行地面成孔注浆堵水的加固方案。

1.2 地质条件

该煤矿矿区属于低山丘陵区，地表多被第四系覆盖，局部有二叠系地层出露，浅表层有卵石层发育。本井田地表多为第四系所覆盖，属隐伏井田。根据钻孔揭露，本区地层由老至新依次为:寒武系、奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(P)和第四系(Q)，井田构造趋势总体为一单斜构造。煤矿临近白沙水库，地面径流自西向东，主要为表层水和第四系松散层孔隙水。深层地下水主要为碎屑岩类基岩裂隙水和②1煤底板下碳酸盐岩类岩溶水。隔水层多为层状泥岩、砂质泥岩、薄层砂岩铝土质泥岩，裂隙不发育，透水性差，层位稳定，岩性致密，隔水性能良好。

2 勘探成果应用分析

2.1 二维地震成果

二维地震勘探控制的井田内构造特征，查出了主要的边界断层DF1及与井田相关的区内落差大于5 m的小断层3条。

地震控制中的DF1断层主要表现为近东西向展部，断层落差较大，西侧(S3线以西)断点断面清晰可见，向东延展表现为多组断裂所构成，断点复杂，向东出井田边界有向东北偏移的趋势。此断层性质的变化与井田内②1煤底板构造形态密切相关，②1煤层底板受断层影响，总体上为一向斜形态，煤层走向NS～NE、倾向E～SE的，地层倾角15°～46°。向斜轴北翼地层最陡，地层倾角一般为35°～46°，局部可达50°;向斜轴南翼地层较缓，地层倾角一般为15°～25°，局部可达30°。②1煤埋藏最浅部位于西北部，标高为235 m，最深部位于东部，标高为－90 m。

从地震的分析成果来看，矿井开采+60 m巷井沿走向接近DF1断层，并且涉及到本次勘察断层预留安全煤带的禁地之内，是造成本次井下出水的根本所在。

2.2 瞬变电磁法成果

瞬变电磁法是根据大地电性和电磁反应原理，通过对电磁反应平面图和剖面图的解释，较好地控制了井区内②1煤底板灰岩富水分布特征和断层附近富水特征。井田内的富水情况除井区内东南部煤层底板下灰岩的弱含水富水外，主要集中在DF1断层带附近形成富水带。与地震所揭露的DF1表现形式一致，即在电法1240线以西，表现为断层导水性质，而1240线以东表现为强富水带性质，主要集中在DF1断层1320线与1480线附近，而+60 m平巷北端点恰好落在电性反应一富水带中心附近，另断层带的复杂性是导致多次巷道出水的主要原因。

2.3 井下掘进出水情况

当回采21工作面仅3 m许时，上位角发生突水20 t/h～40 t/h(以下简称突1)。前期亦曾发生距下位角以上约20余米处的下山夹水20 t/h(以下简称突2)。为了治理突1，沿上位角向前掘巷3 m(岩层倾角骤然变大到35°～45°左右)，结果地下水又自煤层顶板的采动空隙涌出。再从突1退后8 m左右，在上覆巷上方开切眼朝突水方向掘巷，放炮后，发现岩层杂乱无章，且有地下水溢出，同时工作面实施跳采。突水量则逐渐增加，决定放弃井下堵水，实施井口排水，水量达200 t/h，水仍混浊如故，水量还有增大的趋势，因此决定地表打孔注浆堵水。

2.4 构造位置和突水层位

根据前期注浆堵水资料:突水点位于DF1正断层的上盘，断距大于100 m，平距断层约70 m～80 m。下盘为寒武系上统崮山组，白云岩、岩溶～裂隙发育，地下水量充沛，是②1煤层的间接充水含水层。后来的钻孔揭露证实，是该断层的支断层(断距约12 m～20 m)下盘太原组石灰岩含水层(属②1煤层底板直接充水含水层)突水。

2.5 前期注浆钻孔布置

优先考虑岩溶可能最发育、集中突水的部位，再考虑该点被堵以后，可能从其他最薄弱部位突水的危险性，从而形成帷幕注浆，以达到治理断层下盘太原组石灰岩含水层水溃入生产矿井的危险。

2.6 新突水点分析

在上位角突水点附近，已发现的大的突水通道已被堵死，但尚有隐蔽的，当时由于岩溶～裂隙沉淀物的充填或断层破碎带的充填，注浆水泥也辐射不进去，当矿井水位下降，它受的动水压水也在增大，从而突破充填物形成新的突水通道。支断层导致②1煤层底板直接充水含水层水溃入巷道。大断层往往构成煤田或矿井的自然边界，容易辩认和重视，而其支断层和沿断层形成的导水岩溶～裂隙发育带，则比较隐蔽，即使断距10 m左右，也会使上盘②1煤层的采空区与下盘的太原组石灰岩含水层对接，致使下盘地下水溃入巷道，危及生产安全，这是本次突水的主要原因。沿断层形成的岩溶～裂隙发育带是不均一的，即其形状、大小和裂隙的宽度，延展长度各不相同。就本次施工的钻孔而言，1号钻孔岩溶最发育，换言之为最薄弱环节，3，4孔岩溶～裂隙较发育，是次薄弱环节，2号孔岩溶～裂隙不发育，上盘②1煤层采空区与其对接，造成突水的可能性就小，上位角的突1正处于支断层下盘岩溶最发育的薄弱环节，②1煤层底板直接充水含水层溃入巷道，已形成必须的条件，这是突水的第二个主要原因。

3 注浆工艺

1)注浆施工顺序:先施工巷道出水点相应地面四周帷幕孔，再施工中间的注浆孔，注浆分两次进行。2)注浆过程:注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度，为便于注浆质量控制，实际注浆时可选稀、稠两种配比的浆液进行灌浆，稀浆灌注量取单孔注浆量的10%为宜，但平均水灰比不宜低于1∶1.2，当注浆量较大时，可在浆液中加入水泥重量3%的速凝剂。注浆过程中应根据泵压、泵量变化，调整浆液浓度;注浆压力宜控制在静水压力的2倍～4倍，注浆以稀浆开始到稠浆再到稀浆结束;注浆过程中每10 min观测记录一次泵压、泵量、浆液比重等数据，压力变化时作观测记录;每个注浆段注浆次数不少于3次(初注和两次复注);每次注浆结束后，压力表无压力时可起塞，透孔在24 h后进行，复注在48 h后进行。3)止浆方法:采用KWS-115型止浆塞止浆方式，止浆塞的位置选择在受注段顶界5 m～7 m的岩体较完整孔段内，上下止浆塞过程中要严格执行KWS型止浆塞操作规程。还有一种孔口套管止浆:此方法用于当钻孔塌孔严重，孔壁强度不好，容易缩径，钻孔较深，钻进时需用套管跟进的钻孔，具体做法是用φ159 mm的注浆管跟管钻进至止漏点顶部，井口与φ159 mm止浆装置以丝扣相接，顶部接注浆压力表和输浆管。4)注浆结束标准:各注浆孔段注浆标准是根据注浆次数、注入量、终压、终量来衡量的，一般终压达到设计值，终量100 L/min，并稳定30 min即可结束注浆。5)压水试验:压水试验是检查注浆质量的主要手段，是预计井筒剩余涌水量的重要依据，可根据压水试验计算单位吸水量大小，确定浆液配比;压水试验时间确定为15 min。

4 结语

本工程针对某煤矿巷道出现的二次涌水淹井事故，进行了地面成孔注浆加固，突水点经过注浆加固后，排除了再次突水的危险，说明二次注浆堵水取得成功，经济效益明显。工程实践表明，地面成孔注浆无论从施工条件和实施效果来看，都是一种行之有效的涌水治理技术，但这种技术对注浆效果的判断上不够直观，因此在钻进和注浆过程中要认真做好施工记录，以保证注浆施工连续进行。

[1]张先哲，尚照顺.某煤矿+60巷道地面成孔注浆堵水设计方案[R］.河南豫中地质勘察工程公司，2005.

[2]中华人民共和国国家标准，煤田钻探技术规程[S］.

[3]YSJ 211-92，YBJ 44-92，注浆技术规程[S］.

[4]彭振斌.注浆工程设计计算与施工[M］.武汉:中国地质大学出版社，1997.