礦井注漿堵水預防水害方案設計

席觀偉

(河南省資源環境調查三院，河南 鄭州 450000)

0 引言

礦井水害主要是指礦井在建設和生產過程中，由于防治水措施不到位而導致的老空水、地表水和地下水通過裂隙、構造、塌陷區、井筒、老窯等多種通道突入礦井工作面，造成災害事故。近年來我國的煤礦生產技術發生了很大變化，但不少礦井還面臨著水害威脅，礦井水害和瓦斯是同等的煤礦安全重大危險源。為了防止水害事故的發生，保證礦井建設和生產的安全，一系列新的防治水措施在煤礦得到廣泛應用。這些措施概括起來主要有：防治地表水涌入礦井、探放水、疏放排水、防水煤柱的留設、水閘門和水閘墻的設置使用、注漿堵水、建立防治水保障制度、加強水文地質工作，做好礦井涌水、積水預報等。礦井水害防治不僅關系到煤炭企業的健康發展，更關系到國家財產和人民生命安全。

煤礦的情況各不相同，可以有針對性地選擇相應防治水措施。文中重點分析礦井水害的充水水源、充水通道、充水強度等自然與人為致害條件，詳細論述在礦井堵巷方面的水害防治技術，提出新的防治水害方法，供從事水害防治、水文地質、注漿堵水等相關專業的技術人員參考。

1 礦井水害分析

1.1 基本情況

礦井22采區緊鄰的九合煤礦已閉坑，存在采空區積水，22采區與九合煤礦之間的保護煤柱，部分區段其厚度小于規范規定的安全厚度(最近距離僅19 m)，水位-200 m，靜水壓力1.30 MPa，目前防水煤柱處在安全狀態；北部的辛全煤礦因儲量枯竭也將于近幾年關停，一旦辛全煤礦停產，區域水位上升到+125 m，靜水壓力將達到4.55 MPa，防水煤柱可能失衡。這部分水源在閉坑后水位逐漸抬高的情況下，與九合煤礦老空水連通，有可能壓垮22采區的防水煤柱薄弱帶而突入本礦井。本礦井頂板管理方法為全部垮落法，22采空區于2014年回采結束，距今已6 a，工作面及其外兩邊范圍內都是移動變形區域，煤層頂板巖層冒落對采空區空間的充填已完成，采掘工作面塌陷變形已經穩定，形成了松散的碎石堆積體。因此，決定對22采區進行水害治理，就能杜絕未來水害的發生。如圖1所示。

圖1 礦井地下水靜水壓力示意

1.2 周邊礦井情況

九合煤礦(2018年8月閉坑)位于本礦北部，該礦為斜井運輸，礦井閉坑前涌水量為180 m3/h，與本礦在-311 m標高處最小煤柱19 m，存在裂縫帶導水現象。煤礦觀測水位標高在-200 m，22采區老空水水位標高為-330 m。

辛全煤礦位于九合煤礦北部，目前正常生產，生產能力150萬t/年，礦井涌水量500 m3/h，剩余服務年限4～6 a(礦井關閉后最高水位將上升至+125 m)，-50 m以上與九合煤礦連通，辛全煤礦在標高-300 m處施工放水孔(孔底標高-260 m)，九合煤礦老空水放水量150 m3/h，觀測九合煤礦老空水水位標高-200 m。

礦井西部為三峰礦，南部為崗窯礦，兩礦與本礦井不連通。如圖2、3所示。

圖2 周邊礦井位置關系

圖3 礦井充水情況示意

2 22采區水害預測

2.1 工作面側向突水分析

側幫防止突水的理論靜水壓力采用斯列薩列夫公式

P理安=(4/3)×Kp×(a/L)2

(1)

式中，P理安為側幫承受含水層的靜水壓力，Pa；Kp為防水煤柱平均抗張強度，Pa，采用井下實測數據3.74×105Pa；a為礦柱寬度，m，采用最小值19 m；L為工作面開采煤層高度，m；采用煤層平均厚度5.20 m。

需要指出的是：工作面采動礦壓對煤柱的破壞就是采空區邊緣上覆地層的集中支承壓力將使煤柱側邊的一定范圍受到壓裂破壞，產生裂縫，失去阻隔水的作用，真正起隔水作用的是扣除這種塑性破壞后的核心部分。求算這種壓裂帶(即塑性破壞帶)寬度的公式還不成熟，本次以破壞4 m(每側工作面壓裂破壞2 m)計算。即礦柱有效厚度a=15 m。

目前防水煤柱承受的理論安全水壓為

代入公式，P理安=4.15 MPa

P實=[-200-(-330)]m×1 MPa/100 m=1.30 MPa

P實

待北部辛全煤礦關閉，雨季水位恢復到+190 m標高，則

P實=[+190-(-330)]m×1 MPa/100 m=5.20 MPa

P實>P理安，防水煤柱是不安全的，側幫水會滲入本礦井。

從以上分析可得出如下結果：①目前開采情況下，礦井不受周邊采空區積水的威脅，不會發生透水事故；②幾年后辛全煤礦閉坑，區域地下水位恢復到+125 m標高，本礦井受周邊礦井采空區積水的威脅，可能會發生透水事故；③礦井開采造成底板破壞，底板破壞深度4.30～14 m，礦井水可能會沿底板破裂帶滲流進入礦井，需對底板進行加固改造。

2.2 工作面塌陷變形分析

礦開采二1煤層，采煤方法為井下綜采放頂煤開采，頂板管理方法為全部垮落法，平均采煤深度約為450 m，其中松散層厚100 m，其余350 m，上覆巖層由砂巖、砂質泥巖和泥巖組成。采空區于2014年形成，距今已6 a，采掘工作面塌陷變形已經穩定，煤層頂板巖層冒落對采空區空間的充填已完成，形成了松散的碎石堆積體，工作面及其外兩邊范圍內都是移動變形區域。

2.3 注漿隔水墻寬度

根據2018年煤礦防治水細則(煤安監調查〔2018〕14號)，附錄六防隔水煤(巖)柱的尺寸要求，第2條含水或者導水斷層防隔水煤(巖)柱的留設經驗公式

(2)

式中，L為煤柱留設的寬度,m；K為安全系數，一般取2～5，本礦井取3.5，即礦井水文地質條件中等；M為煤層厚度或者采高，m，取巷道高度3.50 m；P為最大水頭值,MPa，取5.20 MPa；Kp為煤的抗拉強度，采用礦井實測煤層抗拉強度值0.374 MPa。代入數據，阻水墻寬度等于39.60 m。

2.4 治理要點

通過地面施工定向透巷鉆孔命中巷道后，進行靜水或動水引流注骨料、注漿加固，形成人工堰塞段達到截流目的，使周邊礦井水不能進入新的采掘面。

通過對井下廢棄巷道注漿及頂、底板裂隙加固形成阻水閘墻，可截斷周邊礦井水進入本礦井，防止周邊礦井水給本礦井造成危害；施工同時可對頂、底板裂隙進行注漿加固，增加堵水效果。

利用現有的鉆探技術，通過測斜和定向鉆進等手段，可以保證鉆孔準確命中巷道。

3 水害治理設計方案

3.1 方案設計思路

注漿堵水設計，考慮封堵22采區皮帶、軌道、運輸大巷等5處巷道，堵截廢棄礦井老空水通過22采區下流到其他采區通道的注漿堵水方案。要求對每個要封堵的巷道，從地面施工多個定向分支孔，對鉆孔穿過的煤層頂底板裂隙進行注漿加固，通過定向分支鉆孔向巷道投注骨料，構建兩道防跑漿墻體(要封閉的巷道處原建有封閉墻時，可利用封閉墻替代該位置的注料孔)，再通過中間定向鉆孔向前面2個分支孔注料形成的封閉空間灌注水泥漿，最終形成阻水的混凝土閘墻，阻斷22采區從九合煤礦方向的來水，達到水害治理目的。

3.2 設計要點

設計要綜合考慮工作量、施工難點、投入等方面；鉆孔布設要合理，定向分支要考慮鉆孔軌跡、井斜、全角變化率等方面，造斜點盡量提前，計算要準確，資料要搜集全面；鉆孔結構及套管要考慮滿足大徑骨料順利進入巷道，保證注漿封堵質量；鉆井定向時注意磁性工具面和重力工具面的轉換，井斜在超過10°時，才會采用重力工具面；漿液應采取先稀后濃，并遵照“能注盡注”原則。

3.3 鉆孔布設及工作量

本方案設計要求對每個要封堵的巷道，從地面施工多個定向分支孔，對鉆孔穿過的煤層頂底板裂隙進行注漿加固。根據本次水害治理目的，根據要封堵的巷道條件，每處阻水墻位置設計1～3個定向分支孔，命中需截流的巷道并沿巷道走向排成一列，各鉆孔均穿過巷道地板10 m終孔，以超過底板采動破壞帶的深度為準。定向鉆孔在穿過巷道時，注料孔與注漿孔之間的間距為20 m，注漿構筑的灰凝土阻水閘墻總厚40 m。設計地面孔位2個，共計11個定向分支孔，鉆探工作量3 180 m。如圖4所示。

圖4 22采區水害治理工程布置

3.4 注漿孔結構設計及施工順序

依據本次施工的任務特點，所施工鉆孔均為無線隨鉆定向鉆孔，設計開孔φ311 mm，鉆進至新生界以下10 m，下入φ244.5 mm×8.94 mm的護壁管，管外水泥固井；二開φ215 mm孔徑鉆進至巷道底部10 m，下入φ146 mm×5.5 mm注漿、注料管。鉆孔設計軌跡如圖5所示。

圖5 鉆孔設計軌跡水平投影

先施工巷道迎水側注料孔，再施工巷道背水側注料孔，巷道原有密閉門的可代替擋漿墻；注料孔下入φ146 mm×5.5 mm注料管，然后注骨料并注水引流骨料，封頂時注入一定量的水泥漿使骨料和水泥漿凝固一體形成擋漿墻；再使用割刀割斷套管，起出上部套管，使用水泥漿封固造斜段；凝固后再施工注漿孔，注漿孔下入φ146 mm×5.5 mm注漿管，經過管路連接且打壓試驗合格后準備注漿。鉆孔剖面如圖6所示。

圖6 鉆孔剖面示意(單條巷道)

4 注漿方法

4.1 投(注)骨料

兩側鉆孔是在套管內少量引流的微動水條件下投注骨料，骨料被流水搬運距離較近，一般堆積在鉆孔附近巷道內，不容易封頂，在后期即將封頂時可用水泥、水玻璃雙漿液，以減少跑漿。

通過透巷鉆孔向巷道內投放填充骨料。骨料一般采用10 mm左右的石子，經鉆孔注入巷道內，骨料從巷道底板到接近頂板時形成一堆積錐體，要加工一掃孔器使其向四周擴散，最終使巷內水流由管道流變為滲透流，然后用水泥漿采用間歇注入法注入，每次注漿結束后注入一定量的清水清洗注漿管路，待水泥初凝后進行再次注漿，直至充填完所有空隙。最終完全封閉形成擋漿墻體，為下一步注漿打下基礎。

4.2 注水泥漿

中間鉆孔注漿以水泥單漿液為主，以骨料和水泥、水玻璃雙漿液為輔。注漿前，必須進行壓水試驗，根據注漿段單位吸水量，確定漿液濃度及注漿材料。中間注漿孔的注漿結束標準(終壓)應為靜水頭壓力的1.5～2倍，故本次注漿終壓設計為8 MPa。

4.3 其他材料

馬麗散膨脹劑：馬麗散是一種低粘度，雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料，采用高壓灌注，當它被高壓推擠，注入到煤巖層或裂縫，可沿煤巖層或裂縫延展直到將所有裂隙充填。具有膨脹時間可控、膨脹倍數可控、粘度低，能很好的滲入細小裂隙中、發泡膨脹固結后，迅速使破碎基體得到補強的優點。

凝膠膨脹劑：凝膠膨脹劑為灰綠色或褐色固體顆粒及粉末混合物，遇水膨脹，與交聯劑、穩定劑、促凝劑聯合使用，生成高粘度的凝膠堵水劑。其粘附性好，使用時可攜帶各種固體支撐劑增加堵劑強度；對水無特殊要求，對設備、管道無腐蝕；對地層的適應性好；凝膠時間可調，凝膠粘度高、強度大、堵后不污染地層。

馬麗散膨脹劑和凝膠膨脹劑在該工程中主要應用于注料孔中構建的防跑漿墻，能夠有效地使骨料快速封頂，能夠有效地封堵防跑漿墻中的空隙，降低水泥漿的流失，提高防跑漿墻的質量。

5 結論

(1)水害治理的設計方案是以防治周邊礦井未來突破邊界防水煤柱，突入22采區并通過巷道向本礦井突水的基礎上設計的方案；需要指出的是，增加排水強度也是防治水害的方法，但突水時水量極大、時間短且無法預知，故不能貿然采用；人員與設備如能在井下施工可以在井下構筑防水墻來防治水害更為直接，但本礦井的巷道及采空區停采多年，已形成塌陷，人員與設備無法滿足井下施工，故只有通過地面施工注漿孔的方式來防治水害。

(2)地面施工注漿鉆孔有3種方案可供選擇：①可以在地面沿邊界防水煤柱施工注漿鉆孔加固防水邊界，但工作量太大，且容易破壞原有防水煤柱，不適用本次水害設計；②可以在地面施工水平分支井，對需要截留的通道進行全覆蓋注漿加固，但水平段無法下骨料形成擋漿墻，注漿時沒有擋漿墻的阻擋，會有跑漿現象甚至充滿整個采區的情況，造成很大的經濟浪費，且一旦注漿封堵失敗沒有很好的補救措施；③本方案設計是在綜合考慮2個方案的優劣之后提出的，其優點有工作量少、施工難度小、注漿失敗時可以補打注漿孔能保障注漿效果。

(3)值得注意的是，在計算注漿隔水墻的寬度時應增加一定的安全系數。注骨料的分支孔要在套管底部以上200 m范圍內先用水泥漿封固，且要在合適的套管位置安裝正反扣的安全接頭，注骨料后更有利于把套管起出孔外，便于下一步施工。