采空區上覆巖層透水治理實例研究

劉鳳波 白景志 王樂義

（臨沂礦業集團公司，山東 臨沂 276017）

王樓煤礦位于濟寧煤田的南部，井田地表大部分為微山湖區所覆蓋，主要含水層有第四系含水層、上侏羅統砂礫巖裂隙含水層、主采3上煤層頂、底板砂巖（統稱3砂）裂隙含水層、太原組灰巖裂隙含水層。2013年三采區13301工作面發生采空區透水事故，最大突水量900.0m3/h，導致工作面被淹。

1 13301工作面出水情況

13301工作面為三采區首個工作面，綜合機械化采煤，地面為蔡河，工作面走向長1160m，傾斜寬160m，煤層埋深900～960m，煤層平均厚度2.15m；工作面北部為三采區軌道、膠帶下山，南部為3上煤層隱伏露頭線，東部為13303工作面，西部為三采區下部開拓區域。

在掘進過程中，13301工作面兩順槽頂、底板多個點出水，出水量約60m3/h；回采過程中涌水量逐漸增大，見圖1。

（1）工作面推進到0～433.70m時，總出水量約60m3/h。

（2）工作面推進到433.70～560m時，出水量從75m3/h逐漸增加到190m3/h。

（3）工作面推進到560～638.90m時，出水量從190m3/h快速增加到650m3/h。

（4）工作面推進到638.90～690m時，出水量由650m3/h增加到800m3/h，工作面推進到719.40m處涌水量增加到900m3/h，導致工作面被淹停產。

圖1 13301工作面推進度與突水量曲線圖

2 出水通道及水源分析

2.1 出水通道分析

（1）三維地震勘探報告方差體解釋13301工作面上方發育有一個低阻異常區(FQ7)，為“垂直密集裂隙帶”，平面呈橢圓形(長軸185m，短軸93m)。該異常區內裂隙向上發育，局部達到第四系底界，導通上部含水層。見圖3。

后期水平鉆孔鉆探成果驗證了三維地震勘探報告13301工作面上方存在“垂向密集裂隙帶”，其地質成因為復合型背斜產生的高角度裂隙，也是13301工作面透水的主要通道。音頻電穿透探測成果顯示，該處為低阻富水區。

（2）13301軌道掘進期間揭露一組斷層（F21：∠ 75 ° H=17m；F22： ∠ 65 ° H=7m；F23：∠75° H=7m)，該組斷層斜穿工作面，距切眼約220m左右，走向長約400m，斷層最大落差約17m。分析工作面推過后斷層組活化，成為導水斷層組后導通上部含水層。

（3）3C-4鉆孔位于13301工作面中部，工作面推過3C-4鉆孔20m（距離開切眼590m）后，水量增長速度最大，水量由190m3/h增加到650m3/h，該孔為地質孔，施工過程中曾揭露強漏水層段，加黃豆等骨料后才得以通過，分析認為鉆孔封孔不良，導通上部含水層。

2.2 透水水源分析

（1）3C-21水文觀測孔

3C-21孔位于三采區北部，靠近劉官屯斷層，距離13301工作面最近750m，為侏羅系砂巖裂隙含水層長觀孔，出水前后鉆孔水位變化明顯。工作面出水后，侏羅系水位呈快速下降趨勢， 2013年2月14日～2013年4月11日期間，水位累計下降143.99m，平均每天下降2.618m。如圖2。

圖2 3C-21鉆孔水位變化圖

（2）3C-30水文觀測孔

該孔位于劉官屯斷層以南，距13301面最近距離1300m，侏羅系砂巖裂隙含水層水位變化趨勢與3C-21相似，13301面出水后水位呈快速下降趨勢。

（3）水質化驗分析

建井期間主副井筒揭露的侏羅系含水層水pH值為8.3，相鄰13303面3煤頂板淋水pH值為7.6，13301采空區水pH值為7.5～8.1，水質分析認為13301采空區水為混合水。

工作面出水后，分別進行了地面電法探查和井下打鉆探查，通過電法探查、井下打鉆、礦井充水水源和充水通道的分析研究，認為水源主要為煤層頂板三砂(3煤頂板)水、上覆侏羅紀含水層水，劉官屯斷層串聯上覆各含水層；導水通道主要為斷層組、垂直密集裂隙帶、3C-4鉆孔封孔不良。為此采用地面垂直鉆孔邊探查、邊注漿相結合的堵水方案。

3 地面注漿堵水方案

3.1 垂直鉆孔注漿堵水

地面先后共施工4個探查注漿孔，其中：

1#探查注漿孔：位于13301工作面上方中部，斷層組內，距開切眼286m，終孔層位為石盒子組中部泥巖層，下距3煤層頂板80m，注漿期間未發現井下工作面有漏漿現象，說明該孔周圍沒有直接進入采空區的透水通道。

2#探查注漿孔：位于13301皮帶順槽上部，距開切眼60m，注漿后涌水量略有減少，說明注漿堵住了部分裂隙。

3C-4探查注漿孔：位于13301工作面中部，距離切眼530m，突水后懷疑該孔封閉不良，決定啟封注漿，因地面施工條件限制封堵孔距原孔35m。注漿后工作面水量由750m3/h減少至590m3/h，說明注漿堵截了透水的部分補給通道，起到了明顯的堵水作用。

3C-5啟封注漿孔：共注漿三次，注漿后工作面水量呈下降趨勢，由于與1號水文探查孔同步注漿，兩孔升壓有一定的同步性，不排除兩孔同時起到減水效果的可能。

3.2 地面水平定向鉆孔注漿堵水

13301工作面經過前期堵水及疏放，回采結束后涌水量有所減少，但仍然穩定在520m3/h左右，占礦井總涌水量的一多半。為了節省排水費用，采用地面定向水平鉆進及水平分支鉆孔注漿封堵上部導水通道。

（1）堵水方案

本次地面定向水平鉆孔及水平分支鉆孔，設計在3上煤層頂板之上石河子組地層內，距離煤層85～110m左右。先期施工主孔，對FQ7裂隙發育區、斷層組（F21、F22、F23）、3C-4孔附近及切眼至開采距離690m位段突水通道探查，根據探查情況布置分支孔。通過注漿，在該地層形成一個有效的隔水層。

圖3 13301工作面水平分支鉆孔剖面圖

（2）探查情況

水平主鉆孔施工過程中穿過石河子組地層，以紅褐色砂巖為主，中硬。在預計F21斷層組位置鉆孔揭露漏漿點較少。在鉆孔穿過3C-4鉆孔位置后，巖石裂隙率逐步增大，漏漿點逐步增加，最小裂隙間距2m，每次注漿使用水泥大約80t，須反復注漿、鉆進才能通過。

（3）地面定向鉆進及注漿

主孔：主孔孔口位置在FQ7裂隙發育區長軸方向以南230m處，孔深660m以上為直孔鉆進，660m以下為定向造斜鉆進，距離3上煤頂板115m左右。

穿過斷層（F21、F22、F23）區，終止于FQ7裂隙發育區，在斷層（F21、F22、F23）區、FQ7裂隙發育區內多次出現漏失并進行注漿，終孔深度1163m。

分支1孔：在分支3孔960m處開孔，分別在位置3C-4孔1241m、1268m、1320m處漏漿并注漿，終孔至1320m。

分支2孔：在主孔940m處開孔，穿過F21、F22、F23斷層密集區未發現漏失，主要漏失段在FQ7裂隙發育區邊界外，終孔1291m。

分支3孔：原分支3孔因套管原因作廢，新孔627m處開孔，終孔1315m，漏失位置多在FQ7裂隙發育區內。

分支4孔：于分支3孔960m處開孔，終孔1320m，漏失位置3C-4孔附近。

注漿材料選用普通硅酸鹽水泥，水玻璃，粉煤灰；單液漿、粉煤灰及雙液漿聯合注漿堵水，遇漏則注，升壓停注。

圖4 13301工作面地面水平分支鉆孔平面布置圖

4 注漿堵水效果

本工程共施工主孔一個，分支鉆孔4個，鉆探總進尺2897.57m，注入水泥9821.57t，黃泥混合漿等其他材料428.26m3。

工程結束后實測，13301（含13303）涌水量從570.0m3/h減少至387.0m3/h，減少了183.0m3/h，每年可節約排水費用約2055萬元，經濟效益顯著。

5 結論

（1）與地面直孔注漿相比，地面水平定向鉆孔及分支鉆進，可以隨時進行二次或三次定向，可以打出“S型”、“L型”鉆孔，穿過斷層裂隙帶、垂直密集帶、3C-4地質鉆孔等多個可能存在的透水通道，注漿效果明顯提升。

（2）注漿過程中根據實際情況改變注漿材料、漿液濃度、注漿泵壓等參數，精確定位至3上煤層頂板之上的石盒子組、侏羅系底界等含水層，對該區域頂板巖層進行注漿改造，在注漿段形成一個有效的阻水隔水層。

（3）主孔及各分支孔有效驗證了之前三維物探成果報告中提出的“垂直密集裂隙帶”實際存在，范圍發育至3C-4鉆孔附近。鉆進靠近密集高角度裂隙帶時，增加了鉆進難度，須反復注漿、鉆進方能通過。