井下回采工作面顶板突水点帷幕注浆堵水技术研究

王 杨

（汾西矿业矿山救护大队，山西 孝义 032300）

引言

井下突水会给煤炭开采效率以及作业人员生命健康等带来较大威胁[1-2]。根据已有研究成果，煤层顶板水以静储量为主，具有易疏干、水量小等特点，水源多为砾岩含水层、砂岩含水层等导水通道为多为裂隙或者地质构造[3-5]。一般采用疏排方式进行治理，但当突水点与其他水源存在水力联系时，采用疏排方式难度大、耗时长，而注浆封堵切断涌水裂隙时最为合适的处理方式[6-8]。为此，文中就山西某矿3601 综采工作面顶板突水点防治为工程背景，依据现场实际情况，提出采用帷幕注浆方式对采面突水进行治理，现场取得较好应用效果。

1 工程概况

3601 综采工作面位于3 采区西侧，主采6# 煤层。3601 工作面为该采区首采工作面，采面倾向长200 m、走向长685 m，煤层埋深均值460 m，开采的6#煤层厚度平均4.8 m。采面在回采期间顶板淋水主要来源于上覆大占砂岩含水层，依据生产揭露情况以及抽水试验得出，钻孔单孔涌水量介于0.002 5 L/（s·m）～0.129 L/（s·m）、渗透系数0.001 29 m/d～0.207 m/d。在3601 工作面回采巷道、切眼等掘进期间顶板水以滴淋方式进入到采掘空间，化验得到该水化学类型属于HCO3-Na，与采面切眼相距200 m 的小煤窑采空区内水化学类型一致。采面切眼西侧200 m 位置存在小煤窑采空区，停采时间已超过8 a，小煤窑回采空间存在有老空水，预计小煤窑淹没区面积、水量分别为56.9 万m3。

在3601 回采巷道掘进期间为避免误揭小煤窑采空区，并确保隔水煤柱可靠性。在采面回采巷道掘进期间，布置超前钻孔探测小煤窑采空区，探测钻孔均未穿透下煤窑老巷。超前探测钻孔孔口水压0 MPa～1.3 MPa、钻孔涌水量0 m3/h～32.1 m3/h。施工的探测钻孔涌水量共计153.6 m3/h。探测钻孔个别钻孔涌出量可达到32.1 m3/h，水质类型与小煤窑采空区一致，表明超前探测钻孔终孔已接近小煤窑采空区影响范围内；超前探测钻孔均为穿透老巷，注浆压力可升至8 MPa，表明钻孔为进入到小煤窑采空区。

2 工作面突水点帷幕注浆封堵

帷幕注浆是增强岩体抗渗能力的一种常用技术方法，是通过钻孔注浆使得各个钻孔浆液相互搭接形成类似帷幕挡水结构，以便实现突水点封堵，从而实现防渗、堵水目的。根据3601 综采工作面现场实际情况，判定采面突水水源源于邻近小煤窑采空区积水，导水通道为煤层顶板裂隙以及砂岩含水层。为此，提出采用帷幕注浆对导水通道进行封堵，切断小煤窑采空区积水进入3601 综采工作面通道。

2.1 探查钻孔注浆封堵

在回采巷道内分别2 钻场，在钻场内钻孔扇形布置，布置18 个钻孔（14 个注浆钻、4 个检验钻）。前期理论计算得到的隔水岩（煤）柱宽度为48.96 m，为提高导水通道封堵效果，施工的注浆钻孔在切眼西侧30 m、50 m 位置分别形成隔水帷幕。导水裂隙最大长度为58.2 m，为确保煤层顶板砂岩层有效注浆，注浆孔终孔位于煤层顶板50 m～70 m 处。

根据矿井以往注浆钻孔施工经验，单个钻孔注浆有效扩散半径可达到10 m～30 m，设计的注浆钻孔间隔为10 m～20 m，检测孔间隔为60 m～70 m，具体钻孔布置如下页图1 所示。

图1 帷幕注浆钻孔布置示意图

注浆钻孔共计布置2 级套管，用Φ133 mm 钻头钻进11 m 并下放10 m、Φ127 mm 套管，后固结套管；采用Φ113 mm 钻头钻进21 m，下放20 m 长、108 mm管径套管；最后钻孔终孔孔径控制在75 mm 以内。止水套管接箍位置错开500 mm。套管固结后透孔穿过套管外1 m～1.5 m 并进行试压，一级、二级套管分别用2 MPa～3 MPa、4 MPa 试压，稳压30 min 不漏水为合格。

注浆浆由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、黏土等混合物并添加一定量水组成，为确保注浆效果，取压力为2 倍静水压力，具体将注浆压力取4 MPa。注浆遵循先稀后稠原则，注浆前期将注浆浆液比重控制在1.0～1.2，若注浆期间压力不升压或者注浆量较大时，则将注浆浆液比重增加至1.33～1.35。钻孔终孔注浆压力控制在4 MPa 且稳压30 min 以上时可停止注浆。

2.2 注浆效果分析

为掌握注浆效果，对注浆完后进行透孔检查水量，透孔后水量应在5 m3/h 以内，否则应进行二次注浆封堵。在3601 综采工作面共计布置18 个钻孔，总进尺深度为3 085 m，现场共计注入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、黏土等混合物共计8 569.25 t。现场布置的检查、对原钻孔透孔后钻孔出水量均在5 m3/h 以内，表明现场帷幕注浆取得较好的堵水效果。

对帷幕注浆期间采面涌水量、钻孔注浆量以及临近小煤窑采空区水位等进行监测，具体监测曲线见图2 所示。从图中看出，在开始帷幕注浆前，临近小煤窑采空区内水位由呈不断降低趋势，同时采面涌水量较大，最大可达到260 m3/h；随着采面注浆量逐渐增加，采面涌水量不断降低，临近小煤窑采空区积水高度则呈增加趋势后逐渐趋于稳定。

图2 采面涌水量、钻孔注浆量以及临近小煤窑采空区水位监测曲线

通过检验钻孔涌水量、采面涌水量以及小煤窑采空区积水高度判断，通过采用帷幕注浆技术可实现渗水通道封堵，避免出现突出问题。同时3601 综采工作面在后续回采期间顶板淋水量控制在20 m3/h 以内。

3 总结

1）通过综合分析水位、水质以及钻孔水量、采面顶板含水层富水情况等综合判定，矿井临近小煤窑采空区积水为3601 综采工作面顶板砂岩水补给，从而导致采面涌出量增大部分位置顶板出现突水。

2）封堵采面顶板导水裂隙通道是实现堵水的主要途径，为此选择采用帷幕注浆方式进行封堵，并依据现场实际情况对帷幕注浆钻孔终孔高度、施工及注浆方案等进行设计。现场应用后，采面顶板突水问题得以有效解决，后续采面回采过程中顶板淋水量控制在20 m3/h 以内，帷幕注浆取得较好效果。