任金武 高家平 姬紅英 張 盼

(1.河南能源集團永華能源有限公司,河南 洛陽 471000;2.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南 焦作 454000)

隨著煤炭淺部資源開采的枯竭,深部煤礦開采走進人們的視野,導致高承壓水、高地應力威脅日趨嚴重,突水事故頻次居高不下。煤礦工作面底板突水是煤層底板含水層在水壓作用下通過天然或人為裂隙(空隙)導水通道進入礦井的結果。目前煤礦底板突水主要措施有加固隔水層、封堵裂隙(空隙)等,進而切斷突水水源。郭村井田位于偃龍煤田中段,構造復雜程度屬中等,礦區(qū)淺部山地奧陶系、寒武系石灰?guī)r大面積出露,補給作用較強,山西組二1煤層底板有3個含水層,2個隔水層,極易發(fā)生水害危險,通過改造淺部含水層為隔水層,則更易于降低工作面底板出水的可能性,有利于工作面的安全回采。

近年來,對于礦井水害防治的相關研究已有較大發(fā)展,在礦井水害影響因素與防治機理方面,陳魁[1]探討了開采活動對底板巖層的影響以及斷層帶底板突水機理,并提出了具體的防治水措施;任金武等[2]針對郭村煤礦主采山西組二1煤層開采過程中遇到的底板巖溶水危脅,對其底板突水的影響因素及危險性進行了分析;程東全等[3]對豫西偃龍礦區(qū)巷道滯后突水機理進行了分析,并提出了防治方法;王慧濤[4]從突水影響因素和災變條件角度,系統(tǒng)探討了煤礦底板突水災變特征,提出了煤層底板起劈判據,開發(fā)了新型奧灰含水層注漿材料,確定了煤層底板改造要求。在煤礦井下開采煤層底板注漿堵水技術方面,王棟任[5]針對孟津煤礦11011工作面奧灰水威脅,將底板奧灰含水層注漿改造成隔水層,實現了“充填裂隙、加固底板”的目的,抵御透水率達到90%以上;張瑯[6]采用瞬變電磁技術對底板富水區(qū)域和富水性進行探測,提出了工作面底板注漿堵水技術,并對注漿結束后的鉆孔涌水量進行了監(jiān)測;孟強華等[7]認為采用微震監(jiān)測技術可有效分析判斷工作面出水水源,進而提出了底板注漿堵水技術,并對注漿堵水效果進行了評價;周帥等[8]為解決松散富水巷道底板加固難題,采用先疏水降壓再注漿堵水加固方案,使用注漿封孔器對底板進行了開放式注漿加固;柴利明[9]在煤礦井下施工堵水鉆孔時,通過鉆孔穿透煤層隔水底板少許來進行注漿堵水以加固底板;管恩太[10]討論了鄭州礦區(qū)喀斯特發(fā)育規(guī)律、采礦擾動破壞深度、注漿技術和鉆探技術問題,并提出了該礦區(qū)水害治理對策;王偉東等[11]以新橋煤礦北二采區(qū)2207工作面為例,采用網格法進行了底板鉆孔施工設計,注漿改造效果顯著。在特殊地質條件下的水害防治技術方面,吳慧科[12]以高河能源W4301工作面切眼Xw15陷落柱為例,進行了陷落柱注漿堵水方案設計,并確定了注漿加固工藝參數;李雁川[13]針對七一煤礦9104工作面水害因素復雜的情況,提出了綜合防治水技術與專項措施;徐栓祥[14]針對龍固礦井高壓大流量突水的特點,提出了“分次注漿,逐步降水”原則,并對注漿材料選擇和注漿工藝進行了研究;范談斌[15]以邢臺礦為例,針對該礦51121工作面運輸巷斷層交匯處斷層活化造成的底鼓出水問題,提出了有效治理方法;李榮[16]采用數值模擬軟件分析了動力水注漿漿液擴散規(guī)律,確定了底板加固+帷幕注漿堵水作業(yè)方式,堵水率達到97.5%,效果顯著。在底板注漿效果檢驗方面,楊鑫[17]采用物探法、檢查孔法、滲透系數測試法、數字鉆孔電視法、P-Q-t法對工作面底板注漿效果進行了評價,并對回采工作面涌水量進行了監(jiān)測;呂紹文等[18]依據礦井水文地質條件,采用數值計算方法模擬分析了斷層條件下底板注漿改造前后采動破壞帶的演化規(guī)律。

本研究在上述成果的基礎上,依據偃龍礦區(qū)郭村煤礦12061工作面具體地質條件,通過瞬變電磁技術進行了底板富水性探測,建立了修正底板注漿改造深度精確計算模型,設計了菱形鉆孔布置方式,提出了偃龍礦區(qū)對太原組下段及奧陶系灰?guī)r含水層進行底板注漿改造的水害防治技術,檢驗孔水量不大于10 m3/h,鉆孔孔壁光滑,原5個富水異常區(qū)消失。分析成果為類似條件下底板注漿改造堵水提供了依據。

1 工程地質與物探分析

1.1 底板水文地質

郭村井田位于偃龍煤田中段,嵩山背斜北翼,為緩傾斜單斜構造,傾向北,傾角13°～26°。區(qū)內有較大斷層10條,均屬正斷層,以張性構造應力為主,構造復雜程度屬中等。礦井屬佛光—龍門水文地質單元的一部分。礦區(qū)淺部山地奧陶系、寒武系石灰?guī)r大面積出露,補給作用較強;礦區(qū)東部F22斷層對水力單元劃分影響不大,礦區(qū)埋藏于基巖中的地下水具有先沿地層傾向向深部徑流、繼而轉為水平徑流的特點,礦區(qū)地下水大致由東向西徑流。山西組二1煤層底板有3個含水層,2個隔水層(圖1)。

圖1 水文地質工程柱狀圖Fig.1 Hydrogeological engineering bar chart

(1)底板直接充水含水層。底板直接充水含水層為太原組(C2t)上段石灰?guī)r含水層,主要由L7～L8石灰?guī)r組成,L7灰?guī)r巖性為深灰色生物碎屑及泥晶灰?guī)r,中厚層狀,平均厚6.54 m,該含水層富水性弱。

(2)底板間接充水含水層。間接充水含水層主要包括太原組(C2t)下段石灰?guī)r含水層與奧陶系(O2m)及寒武系巖溶含水層。太原組(C2t)下段石灰?guī)r含水層由L1～L4灰?guī)r組成,巖性為含燧石生物灰?guī)r,厚度為2.72～16.79 m,平均11.43m。屬巖溶裂隙承壓水,富水性不均一,若遇構造對礦井威脅較大。奧陶系(O2m)及寒武系巖溶含水層中奧陶系僅在偃龍煤田東部零星出露,只有中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)沉積,厚0～85 m,平均31.24m,巖性為深灰色厚層狀石灰?guī)r,偶夾中厚層狀泥巖,底部與寒武系接觸面上,常有灰黃色薄層狀泥巖及泥灰?guī)r沉積。寒武系本區(qū)南部大片出露,巖性為隱晶質白云質灰?guī)r、石灰?guī)r,塊狀構造,方解石脈穿插巖層;巖性為鮞狀灰?guī)r、鮞狀白云質灰?guī)r、燧石條帶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r等。該含水層總厚422～1 228 m,含水空間為溶洞、溶隙,單位涌水量達到0.007 12～83.760 0 L/(s·m),滲透系數為0.011 6～3.710 0 m/d。該奧陶系、寒武系石灰?guī)r含水層在礦區(qū)淺部山地大面積出露,補給條件好,該巖溶含水層厚度大,富水性強,地下水徑流條件較好,該二1煤層底板間接充水含水層是本區(qū)充水最強的含水層,對礦井威脅最大。正常情況下,該含水層上距山西組二1煤層47 m,對開采影響較大,若遇構造影響更大。

(3)底板隔水層。二1煤層至奧陶系灰?guī)r底板之間有兩個隔水層,即二1煤層底板隔水層和本溪組鋁土質泥巖隔水層,有一定的隔水能力。

1.2 工作面構造

根據三維地震勘探報告,12采區(qū)內區(qū)域沒有較大斷層,但斷層DF102339°∠57°H=0～3 m尖滅處距離12061工作面下順槽僅10m;另外12061底抽巷掘進期間已揭露兩條斷層,F234135°∠57°H=5 m,F2370°∠40°～60°H=6 m;11021工作面及12041工作面已回采段實際揭露的煤層底板斷層發(fā)育,煤層未揭露斷層。根據以上情況分析可知,12061工作面布置區(qū)域煤層底板小斷層發(fā)育。

1.3 底板富水分析

12061工作面位于12采區(qū)西翼,北部與西部均為未采動區(qū),南部為12041綜采工作面采空區(qū),東臨12采區(qū)皮帶下山。工作面設計走向長度1 140 m,傾斜長128 m,斜面積145 920 m2,標高為-179～-136 m。12061工作面煤層賦存不穩(wěn)定,煤層傾向N,走向近EW,煤層傾角 16°～25°,平均 20°,工作面平均煤層厚度3.4 m,可采儲量74.9×104t。為掌握12061工作面巷道底板巖層的富水區(qū)域位置,本研究進行了瞬變電磁探測,結果如圖2所示。

圖2 12061工作面底板富水區(qū)域分布Fig.2 Distribution of water-rich area in the floor of 12061 working face

通過對底板巖層進行物探分析,在12061工作面底板共探測出A、B、D 3種不同類型的富水異常區(qū),該類區(qū)域巖層節(jié)理、裂隙較為發(fā)育,突水危險性較大。A類富水異常區(qū)共有3處,分別為A1、A2、A3區(qū),A1區(qū)長度較長,A2與A3區(qū)近似為圓形區(qū)域。B類富水異常區(qū)共有 5 處,分別為 B1、B2、B3、B4、B5區(qū),除了 B3區(qū)為條帶形外,其余均近似為圓形分布,B5區(qū)最大。D類富水異常區(qū)共有3處,分別為D1、D2、D3區(qū),3個富水異常區(qū)域相對較小,D1區(qū)在工作面中部底板巖層,D2與D3區(qū)在開切眼附近,影響工作面初始回采工作?？紤]到工作面底板巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育,為保障工作面回采安全,確定對工作面底板采取注漿措施,以加厚底板隔水層。

2 底板注漿加固設計

為了確保工作面底板改造工程不影響工作面的正常接替回采,設計在12061底抽巷布置鉆場,提前對工作面部分區(qū)域進行注漿加固工作,其余鉆孔將在底抽巷掘進期間同步進行。鉆孔深度不破壞本溪組鋁質泥巖,通過對太原組下段及奧陶系灰?guī)r含水層進行底板注漿改造,變含水層為相對隔水層,切斷底板深部奧陶系、寒武系巖溶含水層與上覆山西組二1煤層之間的水力聯(lián)系。

2.1 底板注漿加固分析

2.1.1 注漿精確深度確定

按照《煤礦防治水細則》,突水系數計算公式為

式中,T為突水系數,由于巷道掘進揭露斷層、巷道掘進擾動破壞,計算時取0.06 MPa/m;M為需要改造的隔水層厚度,m;P為底板隔水層承受的壓力,MPa。

日常計算中,P多采用含水層上界面處水頭壓力值,非含水層改造深度位置水壓(改造后視為底板隔水層),導致底板改造深度計算不夠準確,于是提出了底板注漿改造深度精確計算方法,P值計算公式為

式中,H1、H2分別為含水層靜止水頭高度、煤層底板標高,m;ρ為水的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2。

將式(2)代入式(1)可推導出底板注漿改造深度的精確計算公式為

12061工作面底板標高為-179～-136 m,依據現場地質條件,最大靜水壓為3.9 MPa,T取0.06MPa/m。經計算,M=65 m。

根據上述計算可知:需改造至煤層底板以下65 m,進入奧陶系灰?guī)r上部25 m,變太原組下段石灰?guī)r、陶奧系上部灰?guī)r為弱含水層或隔水層,即可保證工作面回采安全。因此,本研究確定奧陶系灰?guī)r為最終注漿改造層,鉆孔終孔穿入奧陶系上部灰?guī)r。但為了增加底板改造的安全系數及可靠程度,煤層底板巖石集中巷及兩側30 m,由于受掘進擾動破壞,需適當增加改造層厚度。

2.1.2 擴散半徑

注漿過程中漿液擴散半徑與巖層滲透系數、裂隙率、注漿壓力、漿液性質、漿液濃度等參數密切相關。依據巖石溶隙含水層結構特點,并結合井田以往經驗,擴散半徑取25 m,為了保證鉆孔注漿擴散半徑邊緣的良好重疊度,保證工作面不存在空白區(qū)域,底板加固終孔間距按40 m設計。采用夾角為60°菱形網布置形式,確保任意相鄰兩個鉆孔間距不小于40 m,較方格布置形式相比,既布孔少,又做到均勻、無空白。正方形格網與60°菱形格網擴散半徑見圖3。

圖3 工作面底板注漿孔布置形式Fig.3 Grouting-hole arrangement of working face floor

2.1.3 注漿壓力

根據《煤礦防治水細則》要求注漿壓力不低于水壓的1.5倍,12061工作面底板靜水壓約3.91 MPa,為加強注漿效果而選取的最終注漿壓力為9 MPa。采用地面注漿站注漿時,要確保注漿的連續(xù)性,根據鉆孔可注性調整水泥漿濃度,比重為1.25～1.35。

2.1.4 施工順序

鉆孔施工可采用間隔施工的原則,即先施工短孔,后施工長孔,通過后續(xù)施工鉆孔對已施工鉆孔進行檢驗。

2.2 底板注漿加固原則

(1)鉆孔布置以鉆場為單元在平面上采用放射狀展布,依據斷層和巖層節(jié)理方向玫瑰圖,鉆孔與主要裂隙方向垂直或斜交,鉆場之間交叉布孔,以實現揭露的裂隙最多。終孔進入奧陶系灰?guī)r含水層上部25～43 m。工作面鉆場布置應根據工作面大小確定間距,保證鉆孔終孔點密度;較長鉆孔可以增加在含水層中的穿行長度,提高鉆孔揭露裂隙的概率,有利于注漿,但鉆孔設計孔深原則上不能超過180 m,以減少鉆孔偏斜的不利影響。

(2)根據工作面走向長、面長等基本參數及現有工程,工作面內以終孔間距40m布置鉆孔,工作面煤層底板改造設計上、下部邊界為12061工作面上、下順槽外側30 m。

(3)工作面圈成以后對工作面進行瞬變電磁物探,查明工作面下方底板富水異常區(qū),針對異常區(qū)域進行針對性布孔,并進行鉆探驗證。

(4)針對巷道掘進揭露的斷層及巷道兩側各30 m范圍受采動影響的異常區(qū)域,加密布孔,重點加固,終孔位于巷道層位以下65 m,進入奧灰層18～25 m。

(5)針對富水性、導水性較強的區(qū)域,增加鉆孔和效果檢查孔,確保對異常區(qū)重點加固。不斷優(yōu)化鉆孔布置,突出安全、經濟、效益原則。

2.3 底板鉆孔參數設計

(1)12061工作面1#段、2#段,在原改造目的層為太原組L1～4施工鉆孔的基礎上,1#段補充施工12個鉆孔,具體為0#鉆場5個鉆孔,北1#鉆場1個鉆孔,北2#鉆場3個鉆孔,南1#鉆場3個鉆孔。

(2)巷道及兩側各30 m范圍按受采動影響的異常區(qū)域管理,改造隔水層厚度為巷道底板以下65 m(突水系數0.06 MPa/m),加強巷道注漿加固,第3、4排鉆孔均按巷道底板孔設計。

(3)針對構造、物探異常區(qū)優(yōu)化調整鉆孔,加密異常區(qū)鉆孔控制。針對斷層F234,北6#鉆場6-1#孔、南2#鉆場2-2#孔在斷層下盤開孔,穿過斷層面進入斷層上盤,對斷層進行探查加固;南2#鉆場2-1#孔對斷層下盤加固;北6#鉆場6-5#孔、南2#鉆場2-4#孔對斷層延展方向進行加固。針對斷層F237,12061工作面3#段第2排改造孔在斷層上盤開孔,均施工到斷層下盤,并進入下盤奧灰層,對斷層面及奧灰上部進行加固;第3排孔均進入奧灰深部對其進行注漿。針對A1異常區(qū),北9#鉆場9-12#孔、南3#鉆場補3-7#孔對其進行控制;針對A2異常區(qū),南2#鉆場2-9#孔、南3#鉆場補3-4#、補3-5#孔對其進行控制;針對 A3異常區(qū),北6#鉆場6-1#孔、南2#鉆場2-2#孔對其進行控制。針對B1異常區(qū),北9#鉆場9-11#孔對其進行控制;針對B2異常區(qū),北9#鉆場9-8#、9-10#孔對其進行控制;針對B3異常區(qū),北9#鉆場9-1#、9-2#孔,北8#鉆場 8-4#孔、南 2#鉆場 2-10#孔、北 6#鉆場 6-10#孔對其進行控制。針對B4異常區(qū),北6#鉆場6-5#孔、北4#鉆場補9#孔對其進行控制;針對B5異常區(qū),南2#鉆場2-4#、2-5#、2-6#孔對其進行控制。針對D1異常區(qū),北8#鉆場8-6#孔對其進行控制;針對D2異常區(qū),0#鉆場0-8#孔對其進行控制;針對D3異常區(qū),北2#鉆場2-6#孔對其進行控制。

12061工作面共設計鉆場10個,共布置鉆孔73個,鉆進進尺6 906.5 m。注漿改造鉆孔布置及參數見圖4與圖5。

圖4 工作面底板改造鉆孔布置投影(單位:m)Fig.4 Projection of the reconstruction boreholes in the floor of working face

圖5 工作面底板改造鉆孔布置平面Fig.5 Layout plan of reconstruction borehole in the floor of working face

3 鉆探施工與注漿要求

3.1 設備選型

該工作面鉆機選用ZDY3200S型及ZDY4000S型兩種鉆機,井下注漿泵選用2ZBSB210-6-7.5雙液變量注漿泵,地面選用 3NBB-260～35/10～7-45、3NBB-54-260/7-2.5-18.5泥漿泵,水溝自流排水。

3.2 鉆探施工

(1)鉆孔施工可采用間隔施工的原則,即先施工短孔,后施工長孔,確保后續(xù)施工鉆孔對已施工的鉆孔進行檢驗。

(2)所有鉆孔下設二級套管,一級孔口管直徑127 mm,二級孔口管直徑108 mm,終孔直徑不小于94 mm。過巷鉆孔及與巷道夾角較小的鉆孔,下入孔口管長度不少于30 m,并進入奧灰層2 m,滿足高壓注漿要求,防止底鼓、跑漿。

(3)每個鉆場最多只能同時施工3個鉆孔,并且只能1個鉆孔揭露含水層,相鄰2個鉆場的交叉孔不能同時施工,防止出現串漿和孔口管事故。

(4)水文地質條件相對復雜區(qū)域,首輪鉆孔出水量小于20 m3/h的鉆孔應進行測斜,查明鉆孔終孔位置,鉆孔偏斜超過15 m時必須重新補加鉆孔。每個鉆孔施工過程中都要安裝導向器,減少鉆孔施工期間的偏斜量,對超過150 m以上的長鉆孔,可采取較正常鉆速提高1/3、給進壓力減小1/3的措施,雖然鉆進效率略有下降,但對減小鉆孔偏斜有一定的效果。

(5)工作面回采前有針對性地進行“一面一策”物探設計,且每個工作面的物探方法不得少于兩種:工作面內采用瞬變電磁勘探,兩順槽采用直流電法勘探;并且工作面回采前有必要重新進行一次瞬變電磁復探。

(6)當工作面下方施工有底板巷道時,在巷道兩側各20 m范圍內加大改造深度,并進行直流電法和瞬變電磁探查和復探。

3.3 注漿要求

本研究注漿分為井下與地面兩部分。井下與地面注漿工藝流程如圖6所示。

圖6 底板注漿工藝流程Fig.6 Floor grouting process

詳細的注漿工藝流程分析如下:

(1)對于出水量大于30 m3/h的鉆孔,注漿量小、短時間內升壓過快的鉆孔,可立即采取放漿措施,待鉆孔暢通后繼續(xù)進行注漿。若鉆孔出水量與注漿量之比達不到1∶0.5時,必須及時進行透孔,透孔后延伸5～10 m再次進行注漿,或者采取補孔等措施提高注漿質量。

(2)鉆孔出水量＜50 m3/h,采用地面注漿站單液水泥漿注漿,漿液起始比重為1.20～1.25 t/m3。單孔注入水泥量≥50 t、鉆孔壓力無變化時,增加漿液濃度達到1.25～1.30 t/m3;當注漿量大于100 t、鉆孔壓力仍無變化時,按黏土水泥漿比重進行混合液注漿,通過加入黏土減少注漿成本,水泥黏土質量比按3∶2配制,并根據壓力變化情況及時調整漿液濃度,最大濃度為1.35 t/m3。當孔口壓力達到6 MPa后,停止混合液注漿,采用單液水泥漿注漿,直至壓力達到設計終壓。

(3)鉆孔出水量≥50 m3/h,采用地面注漿站單液水泥漿注漿,漿液起始比重為1.20～1.25 t/m3。單孔注入水泥量≥50 t,鉆孔壓力無變化時,采用黏土水泥漿按比重1.25～1.30 t/m3進行混合液注漿;當注漿量大于300 t,鉆孔壓力仍無變化時,按黏土水泥漿比重1.35 t/m3進行注漿。當孔口壓力達到6 MPa后,停止混合液注漿,采用單液水泥漿注漿至設計終壓。

(4)遇奧灰含水層強徑流帶注漿,采用地面注漿站黏土水泥漿注漿,鉆孔注漿量超過2 000 t,壓力不上升時,說明鉆孔揭露遇到含水層強徑流帶,漿液隨徑流流失嚴重,可采取孔口加三通裝置注入細沙作為骨料,加快在強徑流帶溶隙沉淀。另外,也可采取注入水玻璃,形成CS雙液漿,加快水泥沉淀、凝固。注入細沙或水玻璃配比量,由少到多,視鉆孔壓力變化而定,使鉆孔注漿緩慢穩(wěn)定升壓,達到既減少強徑流帶漿液的無效流失,又起到對溶隙充填改造的效果。采取上述兩種誘導升壓注漿措施后,分析徑流帶分布情況,在誘導升壓注漿鉆孔附近補加多個注漿效果檢查鉆孔,也可進一步補充注漿,達到注漿阻斷強徑流帶的目的。

4 施工效果

(1)物探監(jiān)測。1206工作面底板注漿加固改造共施工鉆孔167個,累計鉆探進尺21 235 m,累計注漿量9 696 t,平均孔深127m,鉆孔密度23個/萬m2。針對鉆孔施工中揭露的異常區(qū)、斷層構造帶、物探低阻區(qū)、大水鉆孔進行補充檢查孔,直至檢驗孔水量不大于10 m3/h。通過瞬變電磁物探復探,原5個富水異常區(qū)消失。

(2)鉆孔成像。注漿結束后,使用鉆孔窺視儀對注漿效果進行檢驗。通過巷道底板鉆取成像孔不同深度的成像窺視圖,發(fā)現各窺視區(qū)域孔壁較為光滑,且較少有水滲出(圖7),說明注漿封堵效果較好,能夠保證工作面安全回采。

圖7 鉆孔成像效果Fig.7 Borehole imaging results

5 結 論

(1)偃龍礦區(qū)12061工作面底板分布有3種類型富水異常區(qū),富水異常區(qū)域巖層節(jié)理、裂隙較為發(fā)育,異常區(qū)覆蓋工作面底板大部,工作面底板存在突水危險性。

(3)提出了偃龍礦區(qū)對太原組下段及奧陶系灰?guī)r含水層進行底板注漿改造的水害防治技術,變含水層為相對隔水層,切斷了底板奧陶系灰?guī)r含水層與二1煤層的水力聯(lián)系。

(4)通過鉆孔施工中補充檢查孔、成像分析與瞬變電磁物探復探,發(fā)現檢查孔水量不大于10 m3/h,鉆孔孔壁光滑,原5個富水異常區(qū)消失,注漿改造效果顯著。