矿井深部高承压水工作面底板注浆改造效果评价方法研究.pdf

现代矿业 modern mining 总第62期 2422年8月第8期 Ser ia t No . 62 Au a u st . 2422 矿井深部高承压水工作面底板注浆改造 效果评价方法研究 冉德立 （河南能源化工集团永煤公司） 摘要摘要在煤炭开采过程中，底板注浆改造一直是防治矿井水害的重要手段，而对于底板注浆改 造效果的检验尚未形成系统的评价方法。结合河南永城陈四楼煤矿2517工作面注浆工程，以工作面 底板注浆钻孔成果数据为基础，使用物探、Su Uer软件绘图、突水系数评价、水化学等方法建立了注浆 效果综合评价体系，为注浆效果检验及工作面安全回采提供了可靠依据。 关键词关键词煤矿防治水底板注浆效果评价 DON10. 8999/（. issn . 1674-6082. 2020.28.011 1研究区概况 陈四楼煤矿位于永城隐伏背斜西翼,构造形态与 区域构造一致，总体为一东高西低的单斜构造，局部 发育宽缓的向斜和背斜。地层总体走向NNW,向 SWW向倾斜。井田西部和南部基本以正断层为界, 形成相对隔水边界⑴。东部二2煤层露头外灰岩分 布面积不大，又被厚层黏土覆盖，在区域上灰岩水侧 向补给井田的途径受到一定限制，只有北部F“断层 以北局部地段石炭系地层与煤系地层接触，水力联系 微弱，为弱补给边界。总体上矿井是一个半封闭的水 文地质单元。其中，二2煤层底板石炭系太原组溶洞 裂隙承压含水组为矿井开采间接充水含水层，自上而 下分为3段11层，上段厶厶6水压水量均较大，对 安全生产影响较大，为注浆改造目的层。 2517工作面外段为一个向斜构造，内段为一个 宽缓的背斜构造，中部为一小向斜,倾角为1 20, 平均为12,走向为近EW向，倾向为近南向。在巷 道掘进时实际揭露了 52条断层，其中逆断层4条，其 余均为正断层，落差大于4 m（含4 m）的断层有2 条，落差大于1 m（含1 m）小于4 m的断层有25条, 表明工作面构造发育。该工作面回采主要充水含水 层为太原组上段灰岩岩溶裂隙承压含水层,该层灰岩 岩溶裂隙发育单位涌水量为0. 113〜0. 361 L/（s - m）,水压为5.30 -6.44 MPa,属于富水性中 等含水层,距二2煤层底板43.64 m,为注浆改造目的 层。 2工作面底板注浆概况 2517工作面施工注浆孔共240个，其中地面注 冉德立（1973 一），男，工程师,276606河南省永城市。 浆钻孔169个，井下注浆孔71个。累计涌水量 2 887 m2/h ,累计消耗注浆材料（水泥）19 400 t ,在 工作面注浆改造过程中，煤层底板厶2、5灰岩钻孔出 水量、注浆量较大，表明煤层底板灰岩岩溶裂隙发育, 富水性较好，其中5灰岩含水层单孔最大涌水量22 m2/h ,注浆量728 to 5/灰岩含水层单孔最大涌水量 99 m2/h ,注浆量302 t ,n灰岩含水层单孔最大出水 量为72 m2/h ,注浆量162 to 56、2、53层灰岩耗浆 量如表 1 所示。 表1 E.上1、厶灰岩涌水量及注浆量 涌水量O/m3/h 各层灰岩注浆量/（ 5525 O1900142.5 19O221974431 422.5 22WO397272 2352 921.5 39w0401211 52911652 4O5452522.432.5 OM543312 4992 723.0 3底板注浆效果评价 为更加全面评价工作面注浆效果,在注浆钻孔数 据基础上，利用Su Uer软件绘制工作面注浆量分布 图,结合注浆前后瞬变电磁法探测结果，利用突水系 数法进行突水评价，最后利用注浆前后含水层水化学 三线图对注浆效果进行综合评价（图1）o 3.1瞬变电磁法探测结果对比瞬变电磁法探测结果对比 利用瞬变电磁物探技术对注浆工作进行3次探 测，对3次探测异常区数量及分布，并结合钻孔数据 进行异常区富水性分析对比。由3次物探结果（表2 和表3）可知，随着检验孔施工及底板注浆工作跟进, 异常区富水性得到了有效探测，底板裂隙被封堵，富 163 总第62期现代矿业2222年8月第8期 〔底板注浆钻孔数据收集〔 |瞬变电磁探测|----►注-----1 水化学分析 ] 绘制注浆区及 注浆量分布图 |注浆前后突水评价| 得出结论 水区得到了有效改造并逐渐消失。由此可见,工作面 底板注浆加固效果较为显著,有效减少了工作面的富 水异常区范围。另外，对初探及复探异常区钻孔出水 量及注浆量的分析表明,注浆后异常区数量虽然没有 减少,但是复探异常区出水次数及出水量、注浆量均 大幅减少，表明2517工作面底板注浆效果明显。 3.2注浆区及注浆量分布图注浆区及注浆量分布图 根据工作面底板注浆加固钻孔探测成果,进行了 计算机绘图,在此基础上利用GIS叠加原理,进行成 表2初探异常区数据统计 图1评价方法流程 异常区 编号 厶7灰岩层厶2灰岩层厶8灰岩层 出水 次数 总出水量 /m5/h 总注浆量 / 出水 次数 总出水量 /m5/h 总注浆量 / 出水 次数 总出水量 /m5/h 总注浆量 / B127752. 50 120135.65 缶2504228226435281.45 力2 32232323294.50 力5 3102291399933772. 50 如72095542753721332. 50 235414510255037025.00 表3复探异常区数据统计 异常区 编号 厶2灰岩层厶5灰岩层 出水 总出水量 总注浆量出水 总出水量 总注浆量 次数 /m5/h/次数 /m5/h/ 12051205 13251 17713722927 2322 1203812036 俠1402411528 d d10 注厶1灰岩层数据缺失。 图分析,进一步优化了钻孔设计,强化了施工的目的 性和针对性。结合注浆钻孔在不同出水层位耗浆量 扩散情况浆液扩散范围为34 m,进行了分层段 的逐个钻孔进行识别，圈定了富水异常区域,并结合 瞬变电磁探测结果，进行了对比分析。结果表明厶 灰岩层位和厶7灰岩层位出水量和注浆量普遍较大, 通过圈定出水钻孔富水区，发现2层灰岩富水区重 合，说明在垂向上有水力联系，厶灰岩层是厶0灰岩 层的良好的补给含水层，在3层灰岩富水区全部重合 块段，厶1、厶7、厶3层灰岩含水层都具有较好的联通 关系，主要分布在构造发育块段75。由此可以进行 钻孔布置优化，减少无效钻孔施工作业量，对确定的 重点区域进行钻孔加密，确保注浆加固效果可靠2。 根据注浆钻孔出水点位置坐标以及注浆量数据, 建立了空间数据库,利用地质软件Su f er ,绘制了三维 空间下的注浆量分布图，如图2所示。 a 2。灰注浆量 ；厶灰注浆量 280 260 240 220 200胸 180揣 160密 140灼 120 100 80 60 40 20 0 c 总注浆量 图2 2517工作面会岩层注浆量分布 由图2可知工作面外段向斜冲部背斜、切眼附 实际揭露的富水区基本吻合，在此区域单钻耗浆量普 近向斜及断层发育区段注浆量较为集中，与注浆钻孔 遍较大。表明工作面西南与东北连线岩溶较为发育, 22 冉德立矿井深部高承压水工作面底板注浆改造效果评价方法研究2222年8月第8期 为底板注浆改造重点地区。 3.3注浆前后工作面突水评价注浆前后工作面突水评价 突水系数法在矿井突水评价中应用广泛,其公式 简单，参数少,虽为经验公式，但大量矿井实践表明其 评价结果可信度高[6]因此本研究采用突水系数法 对工作面进行突水评价,通过注浆前后工作面突水系 数对比检验注浆效果。计算公式为 式中，丁为突水系数,MPa /m；P为水压,MPa；M为隔 水层厚度,m 计算中水压统一取工作面水压最大值6. 44 MPa ,隔水层厚度注浆前取工作面底板至厶1灰含层 水层垂厚，突水系数计算结果见表4 表4突水系数计算结果 项目P/MP.c M/m7/MPc /m 注浆前9.4925.242.159 注浆后9.49113.922.257 计算结果表明该工作面底板经注浆改造后,隔 水层厚度明显增加，突水系数明显降低，符合煤矿安 全开采的相关规定,注浆效果较好。 3.4水化学评价水化学评价 由于底板各灰岩含水层中水与周围岩层间的各 种物理化学耦合作用，导致不同赋存条件的含水层中 主要阴阳离子含量存在差异，赋存条件差别越大，主 要离子含量差异越明显,主要水质指标差别也越大。 为进一步评价注浆效果，分别在注浆前后取厶、厶2、 厶1灰岩层水样进行了水质分析,结果见表9 表5各层灰岩注浆前后水质分析结果 各成分含量/me/L 矿化度 /me/L Cy9 Me9 Na K so0- Ce- C05- HCO3- L. 注浆前357.11107.10101.121 029.97074 j 97294.770 243 注浆后425.45112.95223.1 429.92229.93366.772522 厶6 注浆前348. H119.97123.431 002.42074.91354.300 257 注浆后403.115.62401.341 795.91269.3405.393 134 J 注浆前91.2451.54643.541 011.47227.354.300 382 51 注浆后122.12602.921 414.52291.29459.343 222 通过对注浆后各层灰岩水质分析发现，含水层中 钙离子、碳酸根离子及硫酸根离子浓度均有所增加, 矿化度明显升高，表明注浆后含水层富水性变差，径 流变缓，水质变差。另外从水化学三线图中也可看到 注浆后L11灰岩水化学类型变化明显,6灰岩次之,厶 灰岩变化较小。据此可推测注浆施工对厶1灰岩及 厶2灰岩含水层改造效果较好，对厶灰岩效果不够明 显。厶6灰岩和厶灰岩水质类型较为接近，可能存在 水力联系,在注浆施工中应加以注意。 4结语 结合河南永城陈四楼煤矿2517工作面注浆工 程，使用物探、Su Uer软件绘图、突水系数评价、水化 学等方法建立了注浆效果综合评价体系。结果表明 经过底板注浆改造施工,该工作面底板隔水层厚度明 显增加,底板岩溶裂隙得到了有效控制，提高了工作 面回采安全性。另外，厶灰岩含水层在注浆施工中 涌水量与耗浆量均较大且注浆后水质变化不大，应当 在回采过程中加以注意,防止水害事故发生 参考文献 [1]沈 冰基于定向钻进的高承压底板水害防治研究煤炭技 术,2219,3711 172-177 [0]武 强.煤矿防治水手册[M].北京煤炭工业出版社,2215. [5]邵卫华，郭昌贵.钻孔数据管理系统的设计与实现[J]j中州煤 炭,221111 128-125 [4] 黄德发.地层注浆堵水与加固施工技术[M].徐州中国矿业大 学出版社,20251 [5] 彭苏萍深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今 后发展趋势[J]煤,2003,170 6 []M鲍莱茨基,M.胡戴克矿山岩体力学[M].于振海，刘天泉， 译.北京煤炭工业出版社,1935 []冯有利.矿井深部采区高承压水综合治理技术研究[D].焦作 河南理工大学,2215. [] 北京超图软件股份有限公司.Su f er Ma a Ob jec t s设计与开发 [R].北京北京超图软件股份有限公司，2O25. [9]国家煤炭工业局煤矿防治水规定[R].北京国家安全生产监 督管理总局,2029. 收稿日期226-10-62 165