采煤工作面底板突水機理研究及注漿堵水技術應用

劉松

摘 要：金鼎煤業二1煤層開挖后引起應力重新分布使底板巖體應力環境進一步惡化，加劇了底板原有裂隙和結構面的擴展、錯動、貫通，甚至產生新裂隙。當這些原生結構面和新裂隙與下伏高壓含水層溝通形成導水通道時便導致礦井突水，利用先進注漿堵水技術僅用205天便成功堵水，堵水率100%。

關鍵詞：突水機理；卸荷力學；突水模式；截流堵源

中圖分類號：TD74 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0093-02

Research on Mechanism of Water Bursting in Coal Face and

Application of Grouting and Water Shutoff Technology

LIU Song

（Zhengzhou Xianglong Geological Engineering Co.， Ltd.，Xinmi Henan 452371）

Abstract： The stress redistribution caused by the excavation of No.21 coal seam in Jinding Coal Mine further aggravates the stress environment of the floor rock mass， exacerbating the original cracks and structural planes in the floor， expanding， dislocating， penetrating and even creating new fractures. When these primary structures when the surface and new fractures communicate with the underlying high-pressure aquifer to form the aqueduct， it will lead to water inrush in the mine. By using advanced grouting technology， water can be blocked only in 205 days and the water plugging rate is 100%.

Keywords： water inrush mechanism；unloading mechanics；water inrush mode；interception plugging source

金鼎煤業位于河南省汝陽縣城西，東西長5.39km，南北寬3.23km，面積17.41km2，主采埋深大于600m的山西組二1煤。2014年12月19日，-328皮帶巷距掘進頭后40m處發生突水，突水量峰值為5 820m3/h，累計出水量73 000m3，導致礦井被淹[1]。2015年1月7日，首孔開鉆至2015年7月29日工程竣工，共完成總進尺為4 766.19m的6個鉆孔，注骨料3 599m3、水泥6 533.1t、添加劑40.335t，歷時205d成功堵水，堵水率100%。

1 地質概況

井田位于汝陽斷陷盆地北東部，屬河南地層綜合分區中華北地層區豫西分區澠池-確山小區，其西部和北部以低山丘陵的山脊分水嶺為界，東部和南部以斷層F33、F11為界，區域上的斷裂主要有北西-南東向和北東-南西向兩組，區內與含煤地層關系密切的有4條斷層。

2 水文地質

大氣降水是區域地下水的主要補給源，接受大氣降水補給后，地下水沿著一系列向南傾斜的巖石層面、裂隙及溶隙向下游運移，在南部和東部被F33、F11阻水斷層切斷。此區中、上寒武系白云巖之上覆蓋著巨厚的白堊系隔水層，因而形成承壓斜地的高水頭承壓區。

2.1 含水層

區域內出露并分布有松散層巖類孔隙含水層、碎屑巖類裂隙孔隙含水層和碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。①第四系孔隙含水層為潛水含水層，主要分布于河谷及其兩側階地上，由近代河流沖積物組成；②古近系礫巖裂隙孔隙含水層，巖性由泥質膠結、固結程度差的礫巖組成，孔隙發育，富水性弱；③二1煤層頂板大占砂巖裂隙含水層是二1煤層頂板直接充水含水層；④太原組灰巖巖溶裂隙含水層是二1煤層底板直接充水含水層；⑤寒武系白云巖巖溶裂隙含水層。

3 突水分析

3.1 突水過程

2014年12月16日16：00，-328軌道巷距掘進頭后16～36m處發生底鼓。19日10：00，-328皮帶巷距掘進頭后40m處底板底鼓并向外滲水；10：35皮帶巷左幫涌水量20m3/h；11：35涌水量達150m3/h；隨后涌水量快速增大并在16：30達到峰值5 820m3/h。22日03：00，水位穩定在+313.01m，累計涌水量7.3萬m3，礦井被淹。

3.2 突水水源

本次突水水量大、增長快、補給充分，結合水質化驗結果可以確定突水水源為寒武系白云巖巖溶裂隙水。

3.3 導水通道

太原組灰巖巖溶裂隙含水層及寒武系白云巖巖溶裂隙含水層為二1煤層底板直接和間接充水含水層，二者在高水壓作用下都具有一定的原始導升高度，煤層開挖后重新分布的地應力誘發了采動裂隙與下部原始導升裂隙貫通導致出水，出水后在地應力和高水壓聯合作用下進一步擴展、撕裂導水通道，致使突水水量進一步增大。

4 突水機理

4.1 動力條件

本次突水點標高-323.80m，水位穩定在+313.01m，水壓大于6MPa。區內石炭系地層（平均厚27m）直接和寒武系灰巖不整合接觸。據公式（1）可計算突水系數：

[T=P/M ] （1）

式中：[T]為突水系數，MPa/m；[P]為底板隔水層承受的水壓，MPa；[M]為底板隔水層厚度，m。通過計算可得突水系數=0.22MPa/m。參考經驗值，底板受構造破壞塊段突水系數一般≤0.06MPa/m，正常塊段≤0.10MPa/m，否則存在底板突水危險。因此，高水壓和底板有效隔水層厚度薄是導致本次突水的動力條件。

4.2 突水模式

受地質構造控制，在采煤工作面底板支承力作用下極易造成斷裂的剪切滑動及其派生的節理與含水層導通。若構造和裂隙形成的導水通道處于拉剪狀態時，導水通道是開放的，很容易造成采動溝通型突水；反之，處于壓剪狀態時導水通道是閉合的，在高應力和高承壓水聯合作用下斷層帶物質逐漸被弱化，其水力開度和透過率增大，容易造成構造和裂隙采動導通型突水。

5 治水方案要點

本次屬特大型寒灰突水，突水初期兩條巷道均出現底鼓現象。該底鼓區在注漿過程中可能承受不住注漿壓力形成突破造成次生突水，應選擇先截流后堵源的“截流堵源”思路進行水害治理。

6 實施步驟

打鉆透巷封堵突水點后延深鉆孔注漿封堵突水水源和導水通道，后期進行探查加固至徹底根除水患。

6.1 鉆孔布設

注漿堵水工程共布設注漿孔4個（皮帶巷為注1孔、注3孔，軌道巷為注2孔、注4孔），檢查加固及堵源孔2個（注5孔、注6孔）。

6.2 注料工程

通過4個透巷孔向巷內充填不同粒級、合理配比的骨料，使巷內水流由管道流變為滲透流，然后通過注漿使之固結形成人工堰塞段，以截斷巷道涌水的外泄通道。

6.3 注漿工程

骨料填充至巷頂或巷內單位吸水量較小時，管道流即變為滲透流。此時，利用透巷孔對巷內骨料進行注漿加固，漿液在高壓驅動下充填裂隙形成人工擋水墻實現巷道截流，然后采用下行法注漿加固底板，直至終壓終量終孔。

7 堵水效果

7.1 水量對比

礦井突水峰值達5 820m3/h。通過注漿加固，原突水點被徹底封堵，堵水率達100%。

7.2 終壓終量

堵水工程設計要求鉆孔受注層注漿結束后均達吸漿量小于50L/min，孔口壓力為3～4MPa，穩壓時間不少于20min的標準，實際施工每次終量都小于50L/min，終壓都在4.0～6.0MPa，穩壓時間為25～30min。

8 結論及建議

8.1 結論

本工程所堵水源為寒武系灰巖水，其大水量、高水壓給堵水工程帶來較大困難，采用合理科學的鉆孔布設、“截流堵源”方案，使堵水工程得以高效、經濟地完成。

8.2 建議

①本次水害治理對采煤工作面底板進行了卓有成效的注漿加固，但局部仍可能存在薄弱帶，若遇富水區應先進行疏水降壓試驗，做好預注漿工作。

②因礦井水文地質條件復雜，建議礦方加強水文地質勘探，并建立水文地質觀測網，查明斷層導水性質，查清礦井水的補、徑、排條件及各含水層之間的水力聯系。

參考文獻：

[1]費新卿，蔣紹永.河南大峪溝煤業集團炭煤礦突水機理分析與治理[J].河南理工大學學報（自然科學版），2012（4）：392-396.