4301工作面突水因素分析與注漿堵水工程

賈 佳

(山西長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100)

能源賦存結構決定了煤炭是我國的主要消費能源，隨著煤炭需求量和開采強度的不斷增加，煤炭開采向深部轉移，我國中東部礦井開采深度已超過了1 000 m。近年來，隨著開采深度的不斷增加，工作面受底板高承壓水影響，突水事件時有發生，影響了礦井的正常生產，突水嚴重時將造成極大的經濟損失[1-5]。4301工作面位于一水平三采區，開采4號煤層，煤層厚度6.34 m，在4301工作面回采過程中發生了突水現象，突水水量約180 m3/h。

1 工作面充水條件與突水因素分析

1.1 工作面充水條件

1) 頂板直接充水含水層。山西某礦4301工作面開采煤層位于太原組頂部，頂板直接充水含水層主要為P1s、P1x、P2s組的K4、K5、K6砂巖含水層。鄰近工作面回采資料顯示，工作面回采前頂板涌水量為160～170 m3/h，工作面回采后，頂板涌水量逐漸衰減至100 m3/h，表明頂板含水層存在動靜水量。

2) 煤層底板含水層組。據計算，4301工作面采動底板破壞深度大于30 m。資料顯示，4301工作面與太原組K3砂巖層間距為7.43～28.68 m，因此，煤層底板含水層組為4301工作面直接充水含水層。

3) 太原組底部灰巖、本溪灰巖含水層組。太原組底部灰巖厚度3.33 m，K1砂巖厚度6.17 m，本溪灰巖厚度2.44 m，含水層組總厚11.94 m，工作面底板出水后施工的補期孔3號(2-0)鉆孔在本溪灰巖層位出水100 m3/h，水壓4.3 MPa，并有噴渣現象。

4) 奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。工作面受奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層影響，屬于帶壓開采，帶壓約6 MPa。

1.2 突水因素分析

1) 突水水源分析。4301工作面回采過程中發生突水現象，突水水量約180 m3/h，突水水量長期穩定，表明突水水源補給源穩定。4301工作面底板出水水質類型與太原組含水層水及與奧陶系灰巖水質均有一定差異。因此，判斷4301工作面突水水源為混合型水源。

2) 突水通道分析。經計算，4301工作面底板奧灰突水系數為0.052 MPa/m，突水點分散。勘探資料顯示，試驗工作面附近區域未發現陷落柱，根據近期鉆孔施工現場反饋，在試驗工作面施工鉆孔時，出現嚴重卡鉆現象，鉆孔涌水量顯著增加(100 m3/h)，并碰觸大量泥巖、細砂巖等巖石碎塊，因此，判斷突水通道為隱伏導水構造。

2 注漿堵水工程與效果

2.1 注漿堵水工程

1) 鉆孔布置。 4301工作面注漿堵水工程共設計注漿堵水鉆孔15個，在4301工作面輔運巷布置2個鉆場，共計6個鉆孔(具體包括1-1、1-5、2-0、2-3、2-4、2-5)，4301工作面膠帶巷布置2個鉆場，共計9個鉆孔(具體包括3-0、3-1、3-2、3-3、4-1、4-2、4-4、4-5、4-6)，設計鉆孔總進尺2 514m，鉆孔具體參數見表1。

2) 鉆孔結構。注漿堵水鉆孔采用三徑套管結構。結構參數如下：①一開D168 mm鉆進11 m，下入D159 mm護管10 m；②二開D133 mm鉆進36 m，下入D127 mm孔口管35 m；③三開D110 mm鉆進61 m，下入D89 mm孔口管60 m；④以下用D75 mm鉆頭鉆進至終孔層位。

表1 注漿鉆孔參數

3) 單孔鉆孔注漿結束標準。在實體煤區域底板較完整塊段施工的鉆孔，注漿終壓采用底板巖溶含水層靜水壓力的1.5倍，在采空區附近及周邊底板破壞區施工的鉆孔，注漿終壓不宜太高，以免發生底板壓裂破壞事故。考慮到工作面淺部底板破碎，巖石完整性差，注漿終壓根據實際情況來確定，一般比靜水水壓高0.5～1.5 MPa。

4) 注漿工藝。采用分段注漿和全孔段注漿方式注漿，具體如下：

分段注漿，適應條件：①鉆孔出水量大，繼續鉆進困難時；②塌孔嚴重，難以繼續鉆進時。

全孔段注漿，適應條件：鉆進過程中鉆孔水量﹤20 m3/h；孔壁穩定，無塌孔現象。

5) 漿液比重。①水泥漿：按照先稀后濃的原則，水泥漿比重為1.1～1.5，如受注層的可注性好，可考慮提高0.1個比重或摻加粘土漿，何時摻加粘土漿以及摻加比例要結合受注層的可注性和受注層單孔水量大小而定。②粘土水泥漿：粘土漿比重在1.12左右，最高不得超過1.16，最低不得低于1.08，按照先稀后濃的原則，分檔控制，如現場發生跑漿、底鼓等特殊情況，要及時采取停止注漿、降低壓力、加入速凝劑、投入軟骨料、或改為引流注漿等可靠措施，防止事故擴大。

2.2 注漿工程量與效果分析

注漿工程共施工井下注漿堵水鉆孔15個，實際進尺2 514 m，累計注漿總干料3.9×103t，其中水泥2.2×103t，粘土1.7×103t。工作面排水資料顯示，注漿工程施工前，4301工作面底板涌水量180 m3/h，注漿工程施工后，工作面剩余水量32 m3/h，減少148 m3/h，詳見圖2和表2，注漿堵水率82%.同時，注漿工程施工后，揭露的底板太原組砂、灰巖含水層水壓為2.7～3.6 MPa，相比提高了1.4 MPa，太原組底部灰巖、本溪灰巖含水層組水壓為4～5.6 MPa，相比提高了2.1 MPa，奧灰水水壓為5.4 MPa，相比提高了1.1 MPa，奧灰水水位已接近正常，綜上所述，注漿堵水工程取得了明顯的效果。

圖2 注漿工程施工前后工作面水量

表2 工作面注漿堵水率

3 結 語

文章總結了4301工作面的充水條件，分析了4301工作面的突水因素，認為工作面突水水源為混合型水源，突水通道為隱伏導水構造。基于此，設計了注漿堵水工程，共設計鉆孔15個，設計總進尺2 514 m，注漿堵水工程實施后工作面底板出水量由180 m3/h減小至32 m3/h，堵水率82%，奧灰水水位已接近正常，注漿堵水工程取得了明顯的效果。