帷幕注漿技術在煤礦水害防治中的應用

富鵬飛

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 礦井水文地質條件及分析

常村煤礦核定生產能力0.63Mt/a，可采煤層4層，由上到下分別是A5、A3、A2、A1煤層，煤系地層為侏羅系下統塔里奇克組下段。井田西部為由庫車河二級階地沖洪積砂礫石堆積形成的河谷地貌，井田邊界距河床平均距離約260m。井田地勢總體呈東高西低，地表基巖裸露，植被稀疏，沖溝發育，排泄條件良好。井田內庫車河年徑流量為3.31億m3，平均流量為10.50m3/s，洪水期最大流量可達1940m3/s，該河流由北向南在井田西側流過。井田內含水層可按其含水特性分為基巖層間裂隙水含水層，基巖風化裂隙水含水層，燒變巖含水層及第四系沖洪積孔隙水含水層。礦井開采后形成地下水降落漏斗，開采標高最低可至+1710m附近，較庫車河河床標高低70m左右。礦井回采煤層標高低于河床標高時，河流水通過第四系含水層對煤層頂板基巖裂隙含水層進行補給，河流為對礦井充水水源。

礦井為多煤層聯合開采，煤層埋深由西到東逐漸加深，西部井田邊界處煤層埋深較淺，A5煤層開采標高處于該地區侵蝕基準面10m左右，煤層頂板巖層風化裂隙發育，風化嚴重，A5煤層回采過程中礦井涌水量長期穩定在35m3/h左右，其主要充水水源為頂板砂巖裂隙水與大氣降水。部分A3煤層工作面開采標高低于河床標高，隨著A3煤層工作面逐漸向深部回采，礦井涌水量逐漸加大，直至該煤層回采結束。該煤層回采期間，礦井最大涌水量為河流豐水期段的320m3/h。A3下A2、A1煤層回采階段，礦井涌水量未見明顯增加，根據觀測數據，礦井最大涌水量為350m3/h。通過上述對回采期間礦井涌水量及涌水通道分析可知：庫車河水是礦井的主要充水源，充水通道為河床下的砂礫巖裂隙及煤層頂板的砂巖裂隙。

2 礦井地表水防治方案

對礦井充水機理與充水性進行分析，庫車河水通過第四系孔隙水含水層補給捷斯德里克向斜軸部附近的A3煤層頂板砂巖風化裂隙水含水層，再滲透補給礦井A3煤層采空區。因此，切斷地表河流與煤層頂板含水層之間的聯系通道是該礦水害防治的關鍵。

根據分析及工程實際情況，采用帷幕注漿手段阻斷地表河水與礦井西部A3煤層頂板砂巖含水層之間的水力聯系，從而達到水害防治的目的。具體方案為在礦井西部邊界與河流東側之間的一級階梯西邊緣處施工注漿鉆孔進行帷幕注漿，形成南北走向約300m的帷幕墻，帷幕墻高度為40m，底部深入A3煤層頂板完整基巖10m左右，從而有效的阻斷第四系含水層與A3煤層頂板砂巖含水層的水力聯系。帷幕截留治水示意圖如圖1所示。

圖1 帷幕截留治水示意圖

3 鉆探施工技術分析

根據第四系沖洪積層和A3煤層頂板風化砂巖的滲透特性，注漿壓力采用2Mpa，預計漿液滲透半徑為15～20m。對帷幕注漿工程選用雙排灌漿孔方案，灌漿孔孔距40m，預計單排孔注漿帷幕形成后，能治理約40%～60%的透水量。為保證能形成20～30m的防滲墻、并確保防滲墻的隔水效果，雙排灌漿孔排距設20m。

3.1 鉆孔結構

1）第四系沖洪積層中鉆進時易出現卡鉆、踏孔、孔壁固結困難等情況，選用下設多級套管的方法對沖洪積層進行分段固結。依次下入6m長Φ127mm套管和Φ89mm套管，Φ89mm套管下設長度根據鉆孔揭露A3煤層頂板砂巖的孔深確定。

2）Φ89mm套管耐壓試驗合格后，用Φ75mm鉆頭鉆進至A3煤層終孔，預計深度38～40m。

3.2 帷幕注漿技術要點

1）采用孔口封閉、自上而下分段注漿法，段長不宜大于6m，采用循環注漿方式。每段先鉆孔，再注漿，凝固后接著鉆、注下一段。

2）每段注漿前進行清水試壓，試壓時孔口壓力小于2MPa時進行正常鉆、注施工；如果鉆孔壓力達到2MPa及以上時，該段不再進行灌注，進行下一段鉆、注。

3）注漿結束壓力設為2MPa，具體數值由注漿試驗確定，或根據注漿試驗另作調整。

4）注漿采用425#硅酸鹽水泥或以上強度等級水泥，根據情況需要，可添加速凝劑、水玻璃等相應的外加劑。

5）注漿漿液由稀至濃逐漸變化，漿液水灰比為4級，分別為2:1，1:1，0.8:1，0.5:1。

6）注漿結束標準。①單孔注漿結束標準：孔口壓力達到2～2.5MPa，漿液配比1:1，吸漿量小于50L/min，穩定時間在30min以上；②帷幕注漿工程結束標準：單孔注漿達到標準；鉆孔壓水試驗合格。

4 工程的施工情況及其效果

4.1 施工情況

工程于2017年3月開始實施，至2018年5月份完成野外工作，先后投入鉆機4臺，歷時11個月。共施工各種類型鉆孔30個，分別為25個注漿孔和5個檢查孔，總鉆進長度為6850m。30個鉆孔共灌注水泥漿3200t，骨料650t。注漿鉆孔成果圖如圖2所示。施工過程中鉆探表明導水通道主要集中在靠近捷斯德里克向斜軸部的100m區域內，且該地區裂隙大，極為發育，因此，施工過程中，在該區域增加了注漿鉆孔，其他區域相應減少了注漿鉆孔。

圖2 注漿鉆孔成果圖

4.2 注漿效果評價

1）在A3煤層上覆地層中建立了穩定的隔水墻。通過施工注漿鉆孔，在礦井和庫車河間的第四系沖洪積層、A3煤層頂板風化砂巖中形成了長約300m，平均高度40m，有效寬度約30m的防滲墻，有效地阻斷了庫車河和礦井的水力聯系。

2）堵水效果分析。帷幕注漿工程施工前庫車河豐水期時對礦井最大補給量可達到350m3/h。通過帷幕截留，補給量大幅減小，目前礦井涌水量約150m3/h，庫車河對礦井的補給量減少200m3/h以上。

5 結論

1）對礦井主要充水水源和充水通道進行分析，確定了主要充水水源為庫車河水，充水通道為庫車河階地砂礫石間孔隙和A3煤層頂板砂巖風化裂隙。

2）根據第四系沖洪積層和A3煤層頂板風化砂巖的滲透特性，對帷幕注漿工程選用雙排灌漿孔方案，灌漿孔孔距40m，通過施工注漿鉆孔，在礦井和庫車河間的第四系沖洪積層、A3煤層頂板風化砂巖中形成了防滲墻，有效地阻斷了庫車河和礦井的水力聯系，施工后，庫車河對礦井的補給量減少200m3/h以上，有效的保證了礦井安全生產。