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2011 年第 4 期 doi10.3969/j.issn.1672- 9943.2011.04.029 能 源 技 术 与 管 理 复杂水文地质条件下底板灰岩注浆加固技术 陈成宇 1， 王建合2， 陈彦昭2 （1 . 河南神火煤电股份公司 新庄煤矿， 河南 永城 4 7 6 6 0 0 ； 2 . 河南神火兴隆矿业有限公司 泉店煤矿， 河南 许昌 4 6 1 6 0 0 ） ［摘要］ 泉店矿水文地质显著特点是水压高、 水量大、 底板隔水层厚度薄， 回采过程极易发 生突水。对底板太原组上段灰岩含水层采用注浆加固新技术把含水层变为隔水层， 经初步检验注浆效果显著， 解决了带压开采条件下实现工作面安全回采的难题。 ［关键词］太原组灰岩上段；底板注浆加固；效果显著；带压开采 ［中图分类号］TD745.2［文献标识码］B［文章编号］1672-9943201104-0069-03 0引言 泉店煤矿是河南神火集团新建矿井，位于禹 州煤田东南部，主采煤层为山西组下部的二1煤 层， 平均煤厚 5.88 m， 煤层埋深 370～1 200 m， 二3 和四6煤层局部可采。地质储量 164.59 Mt， 矿井 设计生产能力 120 万 t/a， 服务年限为 48.3 a， 该矿 于 2009 年 12 月 26 日一期工程竣工投产。 水文地 质显著特点是水压高、水量大、底板隔水层厚度 薄， 回采过程极易发生突水。 1矿井地质及水文地质条件 矿井位于禹州矿区东南部，许禹背斜东部南 翼。矿井整体为一走向北西、倾向南西的单斜构 造， 西部发育一宽缓向、 背斜构造， 地层走向 300 330， 倾向 210240， 倾角 1029。构造特征以 断裂为主，发育的断层有 NE 向、 NWW 向和近 EW向断层三组，除 DF10为逆断层外其它均为正 断层。 泉店矿主要含水层为新近系半固结砂砾石及 基岩风化带孔隙裂隙含水层、二叠系下石盒子组 砂岩裂隙含水层、 二1煤层顶板砂岩裂隙含水组、 太原组上段岩溶裂隙含水组、太原组下段岩溶裂 隙含水组、寒武系上统白云质灰岩岩溶裂隙含水 层。主采的二1煤层主要受太原组上下段灰岩含 水层和寒武系灰岩含水层影响。 1.1太原组上段岩溶裂隙含水组 太原组上段岩溶裂隙含水组上距二1煤层底 板 17.0～27.0 m， 含水层由 L7～L9三层灰岩组成。 其中 L7与 L8灰岩全区稳定且发育， L9灰岩不发 育， 含水层累厚 5.2424.43 m， 平均 14.28 m； 根据 地面钻孔勘探资料该含水层初始水位标高 89.72 122.12 m， q0.004 520.280 L/s m， K0.023 46～ 0.891 0 m/d， 平均 0.495 m/d。 属于中等富水的岩溶 裂隙承压水， 但富水性不均一， 是二1煤层底板直 接充水含水层。 1.2太原组下段岩溶裂隙含水组 太原组下段岩溶裂隙含水组上距二1煤层底 65.075.0 m，含水层由 C2t 下段 L1～L4四层灰岩 组成， 有时 L1与 L2合并为一层， 局部 L4灰岩相变 为砂泥岩地层， 含水层累厚 3.79～31.85 m， 一般 为 20 m左右， 该含水层初始水位标高 94.63 m， q 值平均 0.010 5 L/s m， K 值平均 0.035 5 m/d， 属于 弱富水的岩溶裂隙承压水， 但富水性不均一， 是二1 煤层底板间接充水含水层。 1.3寒武系上统白云质灰岩岩溶裂隙含水层 寒武系上统白云质灰岩岩溶裂隙含水层上距 二1煤层底 120.0～125.0 m， 为石灰岩及白云质灰 岩，该含水层初始水位标高 57.33～91.17 m， q0.006 43～0.459 7 L/s m， k0.007 0～0.628 m/d， 属于中等富水的岩溶裂隙承压水， 但不均一， 比区 域岩溶含水层富水性弱一些，为二1煤层底板间 接充水含水层。 该含水层水具有较高的水头压力， 在断层带附近或煤层底板隔水层薄弱处进行煤层 开采时， 应注意防范突水事故。 2工作面综合防治水技术对策 （1 ）疏水降压。 工作面若发生突水， 一个重要 的原因是灰岩含水层水压太高。为了降低工作面 水压， 必须采取疏水降压的防治水技术措施。 2008 年 5 月开始在矿井首采面相邻的 - 540 西翼轨道 大巷、 12 轨道上山、 - 540 东翼胶带大巷共施工放 水钻孔 90 个， 最大放水量 1 000 m3/h， 使矿井 L7-8 灰水压由 6.0 MPa 降至 2.0 MPa， 从而大大降低了 69 2011 年第 4 期陈成宇， 等复杂水文地质条件下底板灰岩注浆加固技术 工作面的防治水难度，同时为进行底板注浆加固 准备了条件。 （2 ）底板注浆加固。在回采的工作面附近区 域进行疏水降压的基础上进行注浆加固工作［1］。 底板改造技术实质就是将工作面底板太原组上段 富、 导水灰岩含水层通过打钻注浆置换， 使灰岩含 水层变为隔水层， 并封堵岩层的导水裂隙、 封堵补 给水源的防突技术。 （3 ）注浆效果检验。在工作面底板注浆加固 前，采用井下瞬变电磁探测技术查找煤层底板下 方 70 m 范围内岩层赋水性情况，划分底板岩层 贫、 富水区域及富水区导高位置， 为底板注浆加固 设计提供依据。 底板注浆加固结束后， 对注浆效果 再进行二次瞬变电磁探测检验， 确保注浆效果。 （4 ）工作面突水危险性评价。在工作面回采 前根据注浆加固效果运用突水系数对底板突水危 险的可能性进行综合评价，并提出回采过程中防 治水技术对策。 3二1- 11070 工作面应用实例 3.1工作面概况 二1- 11070 工作面位于矿井东翼 11 采区下 部， 为矿井东翼设计首采工作面， 西邻 DF04断层， 东邻 11 采区上山， 上邻二1- 11050 工作面 （未开 采 ） ， 下邻东翼胶带大巷。 走向长 650750 m， 倾斜 宽约 158 m，二1煤层平均厚约 5.5 m，地质储量 77.9 万 t。工作面中部存在一个落差 1215 m 的 DF18断层。回采的二1煤层， 下距太原组上段灰岩 （以下简称 L7-8） 顶距离 17.027.0 m， 水压 2.0 MPa， 突水系数 0.12 MPa/m，运用比拟法预计涌水量 264343 m3/h， 采用走向长壁后退式综采放顶煤采 煤工艺。 3.2底板灰岩注浆加固施工设计 3.2.1终孔层位确定 底板灰岩水文地质参数及计算出的突出系数 如表 1 所示。 表 1底板灰岩水文地质参数 表 1 中突水系数计算时未考虑底板原始裂隙 导水高度和底板破坏深度。 由表 1 可以看出 ①太 灰上段 （L7-8灰） 突水系数 0.1 MPa/m 大于突水临 界值 0.06 MPa/m，若在考虑到回采后底板破坏深 度影响 （邻区矿井底板破坏深度经验值为 15 m ） ， 突水危险性更大； ②太灰下段 （L1-3灰 ） 突水系数为 临界值， 可以不进行底板加固，但考虑到原始导 高（豫东永城矿区井下原位地应力测试确定递进 导升裂隙的高度一般为 10 m ） ，上部必须进行封 堵， 另外参考禹州矿区其它矿井底板改造经验， 底 板注浆改造在垂向上扩散半径一般为 13.015.0m， 在平面上扩散半径一般为 2530 m；③寒武系灰 岩突水系数为 0.04 MPa/m，可以不进行底板改 造。 综上所述， 底板改造目的层确定为太灰上段灰 岩含水层 （L7-8灰 ） ， 钻孔终孔位置距二1煤层底法 线深度 55 m。 3.2.2钻场及钻孔设计 钻孔以注浆扩散半径 2530 m 进行均匀布 孔，力求工作面太灰上段注浆加固改造率均达到 100。为尽可能的多揭露含水层面积， 提高注浆 加固效果， 钻孔均设计为倾斜孔， 在物探探明的异 常区域及 DF18断层两侧加密布置钻孔。在该工作 面机巷导线点 S3 点前 19 m 处开始施工第一钻 场， 面向迎头方向每隔 60 m 做一个钻场， 设计 12 个钻场， 每个钻场内布置 45 个钻孔， 12 个检查 钻孔， 设计 80 个钻孔， 如图 1 所示。 图 1工作面底板注浆加固钻孔平面布置图 3.2.3钻孔工艺 开孔 φ153 mm 钻头穿过煤层底板法线深度 2.0m， 下 φ146mm护壁套管， 然后改用 φ113mm钻 头钻至距二1煤层底板法线深度不低于 15 m， 下 入 φ108 mm 二级套管，两级套管均进行耐压试 验， 其中两级套管耐压分别不低于6MPa 和 12MPa， 时间不少于 30 min， 耐压试验合格后换用 φ75 mm 钻头钻至终孔。 钻孔施工的原则 一是同一个钻场 内不能同时施工相邻两个钻孔；二是相邻两个钻 层位水压 /MPa距煤层距离 /m突水系数 / （MPa m-1） L7-8灰2.020.00.1 L1-3灰4.370.00.06 寒灰4.41200.04 70 2011 年第 4 期 场不能同时施工相同方位的钻孔。钻孔的开口方 位、 倾角、 终孔深度、 套管长度、 耐压情况等每一套 工序， 经地测科专业验收人员现场签字验收， 确保 钻孔施工质量。 3.2.4注浆工艺 采用地面永久注浆站注浆，采用纯水泥为材 料， 以最大注浆量、 最大扩散半径、 最大限度的充 填岩溶裂隙为目的， 分孔、 分次序连续注浆［2］。主 要流程为地面制浆→注浆泵→地面输浆管路→ 井下输浆管路→孔口→含水层。注浆材料选用 425普通硅酸盐水泥， 浆液比重在 1.16～1.22。 注 浆基本原则一是同一个钻场内不能同时对相邻 两个钻孔进行注浆；二是相邻两个钻场不能同时 对相同方位的钻孔进行注浆。 3.3注浆效果 二1- 11070 工作面于 2010 年 3 月～2010 年 11 月对太原组上段灰岩 （L7-8灰 ） 进行了底板注浆 加固施工， 12 个钻场共施工注浆钻孔 94 个， 累计 钻探工程量 10 837 m， 注水泥干料 5 050 t， 钻孔累 计出水量 897 m3/h， 平均单孔出水量 9.5m3/h， 平均 单孔注浆 53.7 t，改造面积 13.8 万 m2，注浆分布 0.04 t/m2。 DF18正断层位于二1- 11070 工作面中部， 根 据该断层附近的 1302 地质孔揭露， 二1煤层底板 下距 L7-8灰顶约 17.21 m。在 4和 5钻场分别对 DF18断层带及断层两盘 L7-8灰岩含水层进行了重 点注浆加固。共施工钻孔 9 个，累计钻探工程量 982 m， 累计出水量 66 m3/h， 累计注水泥 663 t。 底板注浆加固前后分别对该工作面上下顺槽 利用井下瞬变电磁探测技术进行探测，以视电阻 率值小于 3 的区域为相对低阻异常区，低阻异常 区附近岩层一般相对破碎、裂隙岩溶发育或富水 性较好。从底板注浆改造前的二1- 11070 工作面 瞬变电磁勘探低阻异常区可以看出该工作面二1 煤层下 70 m范围内共有 11 个低阻异常区，其中 分布在工作面中部 DF18断层附近有 3 个大的低 阻异常区，也是回采过程容易发生突水危险的区 域。 底板注浆加固后原先存在的 11 个低阻异常区 基本消失， 尤其是薄弱 DF18断层带附近， 充分说 明了底板灰岩注浆加固效果十分明显。 目前， 泉店煤矿继续使用该技术在二1- 14050 工作面进行注浆加固。截止目前二1- 12050 工作 面已经实现安全回采，二1- 11070 工作面已经安 全回采 200 m， 没有发生突水事故。 3.4经济效益 （1 ）二1- 11070 工作面进行注浆加固工程发 生的费用为 ①钻探工资费。单价 82 元 /m， 总进 尺 10 837 m， 总费用 888 634 元。②钻探材料费。 单价 120 元 /m， 总费用 1 300 440 元。③注浆费。 水泥 5 050 t， 单价 500 元 /t， 总费用 2 525 000 元。 该工作面预计出煤 66 万 t。底板注浆加固总费用 为 471.4 万元， 防治水费用吨煤投资 7.14 元。 （2 ）二1- 12050 工作面进行注浆加固工程发 生的费用为 ①钻探工资费。单价 82 元 /m， 总进 尺 13 026 m， 总费用 1 068 132 元。 ②钻探材料费。 单价 120 元 /m， 总费用 1 563 120 元。③注浆费。 水泥 4 911 t， 单价 500 元 /t， 总费用 2 455 500 元。 该工作面出煤 55 万 t。底板注浆加固总费用为 508.6 万元， 防治水费用吨煤投资 9.24 元。 4结论及建议 通过对底板 L7-8灰岩进行注浆加固，封堵灰 岩含水层的导水裂隙及补给水源使含水层变成隔 水层有效控制了工作面涌水量，从而实现了工作 面的安全回采。针对泉店煤矿复杂的水文地质条 件下进行注浆加固吨煤投入 7.149.24 元， 运用该 项技术能够保证在带压开采条件下工作面实现回 采， 同时经济效益可观。 从泉店煤矿所进行的 2 个 工作面底板注浆加固经验上看，所采用纯水泥注 浆材料消耗量较大，占据整个工程费用的 48 53， 特别是在目前水泥价格不断上涨的背景下， 可进一步研究注浆新材料以替代或部分替代纯水 泥材料从而降低整个注浆成本，同时又可以达到 注浆效果。 ［参 考 文 献］ ［1］ 刘军，魏民涛，杨垂，等.寒武系灰岩底板注浆加固技 术在梁北矿的应用 ［C］//煤矿安全与地球物理学术研 讨会论文集，北京中国煤炭学会，2006 ［2］ 杜志龙，张良，杨猛.断层破碎带化学注浆加固处理技 术［J］.煤矿开采，2010，15（6）61-62. ［作者简介］ 陈成宇 （1970-） ， 男， 河南嵩县人， 工程师， 1993 年毕 业于焦作矿业学院， 现任神火集团新庄煤矿总工程师。 ［收稿日期 2011- 03- 15］ 能 源 技 术 与 管 理71