30401 工作面頂板突水帷幕注漿堵水技術的實踐研究

賈明明

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 031400）

1 工程背景

1.1 工程概況

山西陸合集團恒泰南莊煤業有限公司位于洪洞縣縣城西北314°方向直距約30 km 的山頭鄉西南曲家嶺村一帶，行政區隸屬于山頭鄉。井田形態為不規則多邊形，東西長約4.987 km，南北寬約3.718 km，井田面積8.302 9 km2，批準開采2～11 號煤層，開采標高由+132 7 m 至+123 1 m，生產能力120 萬t/a。

30401 工作面走向長795 m，傾斜長215 m，采3#煤層，煤層厚2.6 m～2.8 m，平均厚2.7 m。30401 工作面在開采時受滲透到采空區的頂板水和采空區老空水影響。煤層頂板主要含水層為二疊系下統下石盒子組砂巖（K8、K9）裂隙含水巖組。30401 工作面切眼距相鄰煤礦采空區最近距離約180 m，該采空區已被老空水淹沒，面積約79.9 萬m2，積水量48.7 萬m3。

1.2 掘進施工期間防治水技術措施

1.2.1 超前探查治理老空水

為防止相鄰老空水對30401 工作面的威脅，確保30401 工作面防隔水煤（巖）柱的有效性，在30401 工作面上、下巷掘進施工期間進行老空水超前探查。

超前探查結果：共施工超前探查鉆孔37 個，鉆探進尺共3 913.2 m，無穿透老巷情況發生。鉆孔單孔涌水量0 m3/h～35.5 m3/h，初始總涌水量為175.8 m3/h，進行了鉆孔注漿防治水。

1.2.2 防隔水煤柱留設

相鄰煤礦老空水積水量達48.7 萬m3，不便探放，采取在30401 工作面西部留設防隔水煤（巖）柱的防治水措施。經計算煤層邊界防隔水煤柱寬度45.85 m，工作面距相鄰煤礦采空區有效距離遠大于70 m，因此30401 工作面可安全開采。

2 突水特征及其原因分析

2.1 突水特征

30401 工作面開采至10.5 m 時，頂板初次來壓頂板淋水明顯，工作面涌水量增大至19.5 m3/h；工作面頂板淋水隨工作面推進進一步增大，推進至16.8 m時涌水量急劇增大至275 m3/h。

30401 工作面突水類型為頂板突水，前期突水點較集中，后期突水點逐步分散。初始突水點為工作面下切眼口向上50 m、65 m、127 m 處頂板偏向采空區側位置，突水量從小逐漸變大，最后區域穩；突水初期有臭雞蛋氣味（硫化氫氣味）出現，一周后硫化氫氣味消失。

2.2 突水原因分析

2.2.1 突水水源分析

1）地下水動態觀測。30401 工作面初采涌水期間時間段為汛期，正常狀態下相鄰煤礦水位應該表現為逐漸上升。30401 工作面突水后，相鄰煤礦采空區老空水水位下降幅度達24.59 m，而該相鄰煤礦周邊礦井無突水現象發生，說明相鄰煤礦采空區老空水參與30401 工作面突水水源中。

2）水化學分析。對30401 工作面及突水水源的水化學分析。結果表明：30401 巷道掘進前期頂板淋水未見老空水，隨工作面推進，頂板淋水取樣分析中SO4-2濃度和礦化度逐漸升高，出現有老空水特征，該時間段頂板淋水有老空水參與，最終與老塘水水質類型接近[1]。

3）水溫分析。水溫分析結果表明：30401 工作面突水水樣水溫與相鄰煤礦采空區老空水水溫基本一致，為18 ℃～22 ℃。

2.2.2 透水通道分析

1）導水裂隙帶。隨30401 工作面推進，受采動影響隔水層的隔水性將完全被破壞，導水裂縫帶直接深入至工作面頂板砂巖含水層。根據《恒泰南莊煤業煤層開采覆巖破壞高度動態探測技術報告》可知，30401工作面采高2.6 m，最大裂采比為22.42，開采導水裂隙帶最大高度58.3 m，在多因素影響條件下會導致頂板砂巖水進入工作面發生突水事故。

2）砂巖含水層。30401 工作面回采前，30401 工作面頂板砂巖水與周邊水源之間形成了動態平衡，處于相對的穩定狀態。30401 工作面頂板砂巖水厚度達到12 m，滲透系數較大，為理想過水通道。30401 工作面回采后，頂板砂巖水進入30401 工作面，水力坡度差的形成造成了相鄰采空區老空積水通過過水通道、導水裂隙帶、垮落帶進入30401 工作面。

3 工作面突水治理研究

3.1 工作面頂板帷幕注漿堵水

據30401 工作面突水情況分析可知，30401 工作面突水水源為其西部相鄰煤礦采空區老空水，透水通道為導水裂隙帶+砂巖含水層，符合帷幕注漿堵水的地質條件，設計采用帷幕注漿技術進行注漿堵水來治理突水事故[2]。在工作面頂板設計施工鉆孔，濂入大量漿液從而可形成人工隔水層，對過水通道進行封堵，從而可以實現切斷相鄰煤礦采空區老空水進入30401 工作面的可能性。

3.1.1 探查注漿封堵

30401 工作面共布置4 個鉆場，鉆場內鉆孔按扇形布置，每個鉆場內設計施工3～6 個鉆孔，共布置包含4 個檢驗鉆孔在內的18 個鉆孔，如圖1 所示。為有效提高帷幕注漿堵水，施工兩組鉆孔，在30401 切眼西35 m 位置處和55 m 位置處各形成1 道帷幕。鉆孔終孔與3#煤層頂板垂距約55 m～70 m，位于頂板裂隙帶內，相鄰鉆孔終孔間距為15 m～20 m，檢查鉆孔間距為60 m～70 m。

圖1 30401 工作面頂板帷幕注漿鉆孔示意圖

鉆孔結構：開孔鉆進采用Φ133 mm 金鋼石復合鉆頭鉆進12 m，孔口管為Φ108 mm×2 m 無縫鋼管，用水泥—水玻璃漿液固孔；下Φ127 mm 管徑一級套管10 m 后，用水泥固管后連接孔口控制閘閥裝置，然后固結套管用Φ113 mm 鉆頭機械鉆進21 m，下Φ108 mm 管徑二級套管20 m。

套管固結：預先固結兩級止水套管，要求固結套管后透孔試壓，一級套管2 MPa～3 MPa，二級5 MPa～6 MPa，持壓30 min，孔四周不漏水為合格，否則進行補漿，直至試壓合格。

注漿工藝：注漿材料選擇P.C32.5R 普通硅酸鹽水泥、粘土、粉煤灰等。注漿終壓設置為4 MPa，漿液水灰比選用比重為1∶0.3～1∶1，施工過程可根據現場實際適當增大漿液濃度[3]。

3.1.2 探查注漿封堵成果

注漿結合后，重新透孔檢查水量，對于透孔水量大于5 m3/h 的鉆孔進行第二次注漿。共施工鉆孔18個，進尺3 105 m，在3# 煤層頂板上層36 m～78 m處見水，單孔涌水量在2.3 m3/h～133 m3/h，總涌水量為537.9 m3/h，總注漿干料量8 782.36 t，噸水注干料為1 757 t，經檢查注漿質量較好。

3.2 工作面頂板帷幕注漿堵水效果

30401 工作面帷幕注漿堵水技術施工期間，注漿堵水效果如圖2 所示。

圖2 30401 工作面注漿量與涌水量變化曲線示意圖

從圖2 數據可知，隨著時間的推移，30401 工作面涌水量逐漸增大，當30401 工作面涌水量達到最高值275 m3/h 時進行帷幕注漿堵水施工作業，隨后30401 工作面涌水量急劇下降，至45 日后涌水量下降至19.5 m3/h 左右并穩定在這一數值。在這一過程中，相鄰煤礦前期水位從+1 175 m 開始逐漸下降，從帷幕注漿堵水施工作業后，相鄰煤礦水位開始從最低點水位+1 148 m 處逐漸上升并恢復至+1 165 m，此時30401 工作面的注漿量約5 025.47 t。為有效治理剩余水量，繼續進行注漿施工至注漿量為8 560.47 t，此時30401 工作面涌水量和相鄰煤礦采空區老空水水位都不再變化。30401 工作面頂板帷幕注漿堵水效果較為理想，堵水率達到92.9%，后期30401 工作面開采時，工作面涌水量保持在19 m3/h～35 m3/h 之間，不影響開采安全。

4 結論

針對30401 工作面頂板突水特征及其原因，針對性地采取了工作面頂板帷幕注漿堵水技術，通過頂板帷幕注漿封堵過水通道，工作面涌水量從最高值275 m3/h降至并穩定在19.5 m3/h 左右，堵水率達到92.9%，治水效果顯著，有效治理了30401 工作面的突水事故，保障了30401 工作面的安全開采。