郭二莊礦底板突水風險評價及注漿防治技術探究

索詠旭

(冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦，河北 邯鄲 056000)

受奧陶系地質變化影響，我國華北平原大多數煤層均會受到奧灰水的威脅。并且隨著開采深度的增加，底板水壓越來越大，所面臨的突水風險也隨之增大，嚴重制約了深部煤層的開采。郭二莊礦是一座具有70年開采歷史的老礦，其淺層可采儲量已基本枯竭，為了延續生產和進一步挖掘可采儲量，郭二莊礦對9#煤層下組煤進行了開采，確定四采區為二采區的接替采區。下組煤開采防治奧灰水是關鍵，需在礦井水文地質監測系統基礎上加強下組煤水文地質研究工作，采取合理的防治水措施和帶壓開采措施，才能確保下組煤的安全順利開采。本文結合郭二莊礦9#煤層奧灰水防治實踐，對下組煤突水風險評價及注漿防水技術進行了探討。

1 郭二莊礦9#煤層四采區水文地質條件概況

郭二莊煤礦位于河北省武安市西北約13km處，行政隸屬主要位于武安市礦山鎮轄區。井田西鄰S222省級邢都公路、中部和南端分別有近東西向的東午支線鐵路，另外有連接各村鎮的村村通公路，縱橫遍布，交通便利。其中二坑屬郭二莊礦井田西北9#煤埋藏深度較淺的塊段，作為生產接續的四采區位于井田東部。采區南部以午汲鐵路為界；北至郭二莊井田北部邊界，西至-100m煤層底板等高線及南溝村保護煤柱線，東至-300m煤層底板等高線。采區南北走向長330m～1 700m，東西傾向長690m～2 300m，面積約3.59km2。采區資源儲量豐富，開采技術條件相對簡單，設計自-100m大巷開口向下至-300m布置采區下山生產系統，建立完善的運輸、通風、排水等系統。二坑井田范圍內，第四系普遍發育。根據區內鉆探揭露資料，地層由老至新依次為：奧陶系中統、石炭系中統本溪組、石炭系上統太原組、二疊系下統山西組、二疊系下統下石盒子組、二疊系上統上石盒子組1～4段以及第四系。其中奧陶系中統(O2f2)為主要的含水層，總厚約為600m，為強巖溶裂隙承壓含水層，是9#煤層下組煤開采時防范突水的主要對象。按照巖性特點和沉積旋回，該含水層可分為三組八段。峰峰組二段(O2f2)，即第七段：厚度83.16m～113.16m，出露在郭二莊井田西部，為深灰色巨厚層灰巖及花斑灰巖，裂隙巖溶發育，為強含水層。峰峰組三段(O2f3)，即第八段：平均厚度30.00m，以角礫狀灰巖為主，裂隙多被方解石充填，裂隙面見褐黃色水蝕痕跡。

2 下組9#煤層突水風險的分析與評價

為了給下組9#煤層帶壓開采和突水防治提供必要的理論和數據支持，我們利用傳統的突水系數法和模糊神經網絡法對井田突水風險率和風險度進行了計算和評價。通過對奧灰水觀測孔數據的采集發現9#煤層底板隔水層下賦存有大量高承壓奧灰水。在煤層未開前，巖水間力學關系處于平衡狀態；煤層開采之后，隔水層巖體結構就會遭到破壞，隔水底板巖層的完整性和承壓性能顯著下降。在水壓和礦壓的多重作用力下，隔水底板上原有的閉合裂隙會再次活化，抑或是會出現新的破裂面。當裂隙溝通含水層或是與其相臨近時，含水層水體便會由裂隙和隔水層薄弱處涌出，形成突水事故淹沒礦井。數據分析認為，下組煤9#煤層開采時，底板突水的風險與威脅程度較大。需要在充分認識水文地質條件的前提下，科學設計開采方案，做好超前探測，客觀評價水情水患；對存在突水隱患的底板薄弱區域進行注漿加固，同時合理利用隔水層隔水性能，才能防范礦井突水事故，確保下組煤安全帶壓開采。

3 巖體注漿防水機理

巖體注漿防水是通過將防水材料填充注入隔水層裂隙、含水層和斷裂破碎帶等部位，利用材料的膠結性、隔水性使之與圍巖密切結合，形成更具整體穩定性的隔水層，從而增強巖石強度和隔水性能，起到堵塞過水通道、防止水層突出的作用；防水漿料同時還具有隔絕空氣，防止圍巖風化的作用，使圍巖穩定性得到改善。實踐證明，在做好超前探測和水情預測的基礎上，通過對突水隱患部位進行超前注漿加固，可有效封堵和阻隔可能的過水通道，變含水層為隔水層，從而預防礦井突水事故，減少礦井排水量。

4 預注漿防水施工方案及相關技術要求

4.1 注漿防水施工方案

為了防范可能出現的隱伏突水點突水，超前預注漿技術在掘進施工前即對隔水層薄弱部位進行注漿封堵，采用注漿與掘進循環作業的方式向前推進。超前預注漿每向前85m，允許掘進面向前推進60m，注漿作業始終保持25m以上的超前距離，從而確保掘進施工的安全。通過對超前探查孔、注漿引流孔、預注漿孔等鉆孔間連通情況，以及對鉆孔施工過程中出水部位及水壓、水量的分析，判斷巷道掘進前方出水水源主要是砂巖裂隙水。結合裂隙分布、裂隙連通性等巖性特征，采取了分階段預注漿的策略，并制定了不同的施工方案。

4.2 注漿施工技術要求

根據注漿擴散半徑和超前距離，每個循環施工注漿鉆孔4個～5個。注漿鉆孔開孔直徑168mm，鉆進6.5m后沿孔下入159mm孔徑的孔口管6m，用水泥填充鉆孔與孔口管間隙，待水泥干涸孔管穩固后，清掃孔管并通水進行耐壓試驗。通水試壓30min以上，保持壓力不小于4MPa，觀察孔管周圍有無跑冒水現象，如有則需要重新固管后再次做耐壓實驗，直到孔管四周無跑冒水后方視為各格。159mm孔口管固管完成后，更換127mm鉆頭鉆進，施工25.5m后，下入108mm孔口管25m。按照前述流程再次注漿固管、掃孔和進行耐壓試驗，試驗壓力8MPa以上，穩壓30min以上，鉆孔四周無跑冒水方視為各格。108mm孔口管下設好后，首先在孔口安裝與管徑相符合的10MPa高壓閥門，然后用90mm孔徑鉆進至設計孔深，取出孔底巖芯；安設測量裝置測量鉆孔出水量和水壓，探明水情后，沿注漿孔注入水泥漿，即完成注漿加固施工。整個施工過程可概括為：鉆孔→下管→固管→耐壓試驗→掃孔鉆進→測量水量、水壓。在鉆孔鉆進的過程中應注意，遇到含水層和孔內冒水現象時，應立即停止鉆進，并進行注漿封堵。漿液應按照一定比例拌和成純水泥稀漿，使泥漿具有較強的流動性，以增大水泥漿的擴散范圍。待注漿結束后2d凝固后，在繼續掃孔鉆進。

5 結束語

分段超前預注漿技術在郭二莊9#下組煤開采中得到成功的應用，成為下組煤帶壓開采中防治奧灰水的關鍵性技術，有效提高了底板的隔水性能，避免了因巷道掘進直接揭露含水層而導致的突水事故，保證了巷道的安全掘進，同時也降低了井下排水量，體現出良好的經濟效益。