煤層頂板含水層注漿改造施工技術研究

黃北海，羅紹河

（1.焦作煤業（集團）有限責任公司，河南 焦作 454002；2.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

我國煤層賦存條件復雜多樣，煤田開采方式千差萬別，不同地區煤田地質結構和巖性特征也不盡相同，以工作面頂板賦存薄基巖或礫石層的煤層結構為例，由于礫石層強度低，整體性差，軟弱松散，并常賦存不同富水程度的富水區，煤層開采后頂板下沉或大面積冒落后極易發生突水、潰砂、潰泥，風險較高。如何在不同開采環境下，提高煤炭回收率，延長礦井壽命，實現安全高效開采，是煤炭企業一直關心的重要問題［1-4］。

洛陽鄭興宿煤煤業有限公司位于洛陽市伊濱區李村鎮境內，為正常生產礦井，開采山西組下部二1煤層，保有地質儲量645萬t。其2103工作面位于井田東翼，距主井250 m左右，設計工作面走向長330 m，傾向寬80 m，采用綜合機械化前進式采煤法開采，采高3 m。2103工作面二1煤層頂板基巖較薄，基巖以上為厚松散孔隙含水層，巖性為砂巖、砂礫石、砂卵石、半固結的砂礫巖和泥灰巖，是典型的華北型煤田地質構造。該工作面煤層傾角18°，平均厚度為4.5 m，煤層底板標高為-65～-110 m，煤層上覆巖層厚200～243 m（其中頂板基巖厚4～20 m，其余為第四系、新近系半固結狀黃土與礫石互層）。因井田基巖層遭受不同程度風化，裂隙發育、隔水性差，若不采取有效加固和維護措施，不僅降低煤炭回收率、無法保證支架初撐力，而且很容易發生工作面頂板冒落后松散層水、砂、泥潰入礦井等事故。該礦2000年6月首采，2001年10月首采改造工作面，2006年12月原2103工作面開采期間曾發生3次新近系底礫石含水層突水淹井事故（3次新近系底礫石含水層突水量分別為1 000，1 200，1 600 m3／h），針對此問題，認為注漿加固技術是提高松散巖體整體性、受力性能和降低富水性能的有效途徑［5-7］。

目前我國主要有以下注漿措施：模袋法分段注漿［8］、深部巷道破碎圍巖注漿［9］和帷幕注漿［10］等。這些傳統的注漿加固方法，大多用于隧道和地鐵站施工，并且往往受到現場施工條件限制，無法預期完成，滿足不了煤礦施工防治水要求［11］。針對煤層工作面底板注漿加固的研究成果較多［5，12-13］，也取得了較好的防治水效果，但關于礦井工作面頂板含水層的注漿加固研究較少［14］，加上頂板含水層巖石成分復雜、富水狀態變化大，頂板含水層注漿改造施工目前還沒有成熟的技術。

本文以洛陽鄭興宿煤煤業有限公司2103工作面二1煤層頂板含水層注漿改造工程為例，將煤層工作面底板注漿加固技術首次引入煤層工作面頂板薄基巖含水層注漿改造，優化注漿鉆孔結構和鉆孔平面布置形式，改良注漿材料配方，研究采煤工作面頂板含水層注漿改造施工的鉆孔注漿段高度、鉆孔注漿壓力控制、漿液擴散半徑、注漿覆蓋范圍等，以期為類似煤層頂板含水層注漿改造施工提供借鑒和參考。

1 礦區地質和水文地質概況

洛陽鄭興宿煤煤業有限公司礦區的地層由老至新為：寒武系，奧陶系，石炭系，二疊系，新近系和第四系。全區被第四系覆蓋。其中，寒武系上統崮山組（∈3g）為灰色厚層狀白云質灰巖，上部含燧石條帶，夾薄層泥灰巖，厚約170 m。奧陶系中統馬家溝組（O2m）為灰、深灰色厚層狀石灰巖，頂底部夾有薄層泥灰巖，下部為角礫狀灰巖，厚0～116 m，平均45.84 m，與下伏寒武系上統崮山組為平行不整合接觸。區內僅有上統（C2）沉積，平行不整合于奧陶系中統馬家溝組灰巖之上，厚37.48～62.83 m，平均52.55 m，與下伏本溪組整合接觸。區內二疊系地層保存不全，僅一個鉆孔見山西組保存完整，下石盒子組僅有下部，厚度2～84.93 m，平均40.6 m。新近系全區廣泛分布，不整合于其前地層之上，底部普遍有一層半固結卵石層及砂礫巖層，厚約20 m。中部及下部均為黏土夾礫石，偶見砂層。區內鉆孔揭露厚度為178～245.80 m。第四系全區廣泛分布，主要為黃土，含少量姜結石，中部含2～3層卵石層、砂礫石層及砂層。區內鉆孔揭露厚度31.50～74.70 m，一般為65 m。

礦區屬嵩山背斜北翼單斜構造水文地質單元，佛光、龍門水文地質亞單元。該區東部發育的馬澗河、鐵窯河與沙溝河為季節性水流，由南向北注入伊河，屬黃河水系。區域地下水流向北西，向伊河排泄。地下水補給主要為大氣降水。依據礦區地層巖性特征、富水性、導水性和埋藏條件，并結合區域地質資料，可將其劃分為寒武系上統崮山組灰巖巖溶含水層、奧陶系中統馬家溝組石灰巖巖溶含水層、太原組石灰巖含水層、山西組砂巖裂隙含水層和新近系、第四系孔隙-裂隙含水層。其中，新近系孔隙-裂隙含水層厚度達209.30～320.50 m，含砂礫石及砂礫巖層3～15層，厚度為24.32～81.40 m。據區域資料，單位涌水量為0.14～22.271 L／（s·m），滲透系數為0.19 m／d，水位埋深5～20 m，水位標高150～180 m，礦化度小于0.37 g／L，含水層富水性強，對礦井煤層開采威脅大。

現場地質勘察資料顯示，2103工作面二1煤層頂板基巖較薄，其上分布著厚松散孔隙含水層，巖性為砂巖、砂礫石、砂卵石、半固結的砂礫巖和泥灰巖等，煤層頂板基巖有不同程度風化，具有高孔隙比、高含水量、高滲透性、裂隙發育、隔水性差等性質。

2 工作面頂板含水層注漿改造方案

根據該井田地質和水文地質條件，二1煤層開采前必須對新近系下部礫石含水層富水區進行注漿加固處理，將工作面頂板薄基巖上部礫石層富水區改造成弱含水層，提高松散巖體的整體性和受力性能，以便起到加固和治水作用，實現煤炭安全開采。施工方法為地面鉆孔和地面造漿。通過對新近系下部礫石層富水區進行高壓注漿充填、加固，消除新近系孔隙水對2103工作面回采威脅。

為有效查明二1煤層頂板含水層富水異常區，開展瞬變電磁勘探，瞬變電磁勘探采用大定源回線裝置。該裝置勘探深度大、施工效率高。根據測區目標層埋深及地質任務要求，結合地質條件和構造走向，發射線框采用520 m×520 m布設，使用專用探頭接收。全區實際完成工作量為：瞬變電磁勘探測線60條，坐標點2 093個；質量檢測點105個，試驗點20個，共2 218個，實際控制面積1.613 km2。收集整理該區地質與水文地質資料收集整理，結合瞬變電磁勘探資料進行綜合分析，撰寫瞬變電磁勘探文字報告，繪制成果圖和參數圖。

對瞬變電磁勘探查出的二1煤層頂板薄基巖上部含水層富水異常區進行注漿改造室內數值模擬和現場鉆孔注漿試驗。由于沒有煤層頂板薄基巖上部含水層注漿改造方案可借鑒，鉆孔布置方案按前期注漿試驗鉆孔取得的參數（漿液擴散半徑30 m）進行設計。鉆孔注漿段高、注漿覆蓋范圍參照《煤礦防治水細則》附錄六防隔水煤（巖）柱的尺寸要求和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》附錄4近水體采煤的安全煤（巖）柱設計方法，并結合數值模擬參數綜合確定：鉆孔注漿段高為煤層頂板以上100 m層段，即對二1煤層頂板以上100 m范圍內的富水含水層進行注漿改造；注漿改造覆蓋范圍為從工作面開始外推80 m以內。據此，研究區共布置鉆孔21個，其中注漿加固鉆孔15個，注漿效果檢查鉆孔6個，鉆孔位置坐標見表1，平面布置圖如圖1所示。注漿壓力控制的設計參照文獻［12］及《河南省煤礦防治水管理辦法》中注漿終孔壓力不小于含水層靜水壓力的1.5倍，結合前期現場注漿試驗鉆孔取得的注漿壓力控制參數，2103工作面注漿壓力控制為（孔口）不小于2.5 MPa且不大于3.5 MPa，終孔注漿量設計參照文獻［12］及《河南省煤礦防治水管理辦法》，小于35 L／min，并持續30 min以上。

圖1 注漿孔位平面布置圖Fig.1 Layout chart of grouting boreholes

表1 鉆孔位置坐標Tab.1 Coordinate of borehole position

鉆孔布設和注漿順序：按照鉆孔編號順序，依次鉆孔、注漿和封孔，鉆孔與注漿的時間間隔3～5 d，并依據煤層頂板基巖鉆孔取心檢驗資料確定鉆孔深度（終孔層位要進入基巖5 m）；鉆孔內設置注漿篩管，每個鉆孔進行多次透孔、延伸、注漿施工，以便使注入的漿液滲透均勻。

3 注漿施工工藝

各鉆孔設計參數及地層巖性如表2所示。具體施工過程中參照文獻［14］進行優化，每個鉆孔自上而下分3段鉆進，3段鉆孔的孔徑也依次減小?？讖浇Y構分布：0～53 m段孔徑為152 mm，53～174 m段孔徑為133 mm，174 m～終孔孔徑為114 mm。每段鉆孔深度達到指定位置后，下入套管，管外用水泥封閉固管止水并檢查止水效果，檢查合格后，進行下一管段鉆孔。套管管徑0～53 m為φ146 mm，53～174 m為φ127 mm。注漿加固段優化，增加φ108 mm篩管，以94 mm孔徑進行多次透孔、延伸、注漿施工。鉆孔施工至終孔深度，且終孔注漿壓力達到注漿結束標準后，用相對密度不小于1.5的純水泥漿進行封孔。注漿工程使用TXB-1600鉆機4臺，配套NBB250／6泥漿泵4臺。

表2 各鉆孔設計參數及地層巖性Tab.2 Design parameters and stratigraphic lithology of each borehole

按照價格低廉、來源廣泛、就地取材的原則，注漿材料選用黏土／水泥，按質量比配制，注漿后期適當加大水泥用量，注漿結束時用純水泥漿壓注封孔。水泥采用425號早凝水泥，黏土采用本地優質紅色黏土，塑性指數為16，膠體率80%以上［12］。根據以往注漿經驗，黏土漿相對密度控制在1.1～1.24，黏土-水泥漿的相對密度控制在1.18～1.4，按由稀到濃再到稀的原則［15］，分檔控制。注漿材料配方參照文獻［12，15］，結合實驗室測試數據進行改良，將黏土∶水泥的質量比由2∶1逐漸調整為4∶1，大幅降低材料成本，配制的漿液具有顆粒細、漿液黏度低、流動性好、可注性強、充填效果好等特點。

漿液采用兩次攪拌，第一次加黏土攪拌，第二次加水泥攪拌，然后用注漿泵加壓輸送至受注巖層段?？?-1注漿共進行3次，前兩次注漿過程中，均出現了距鉆孔10 m處的地面冒漿，停注?？?-7進行4輪注漿，第1次注漿孔深184.6 m（礫石層），距鉆孔12 m處的地面冒漿，停注；第2次注漿，孔深194.15 m（礫石層），距鉆孔15 m處的地面冒漿，停注；第3和4次注漿，孔深均為226.7 m（終孔），其中第4次注漿結束時，孔口壓力2.7 MPa、流量35 L／min并持續30 min以上。鉆孔注漿施工參數如表3所示。每個鉆孔的注漿次數和時間間隔根據現場實際施工狀況和檢測結果確定。按注漿工藝要求，在注漿過程中及時調節壓力、相對密度、流量等參數，保證注漿質量。注漿結束時，孔口壓力≥2.5 MPa、流量≤35 L／min，持續時間超過30 min。

表3 各鉆孔注漿施工參數Tab.3 Grouting parameters of each borehole

4 注漿改造效果分析

本次工程施工的15個注漿鉆孔終孔均達到二1煤層頂板基巖層位，通過對二1煤層頂板新近系下部礫石含水層逐層反復高壓注漿改造，終孔注漿結束時，孔口壓力均≥2.5 MPa，吸漿量均≤35 L／min，持續時間均≥30 min，各鉆孔均進行多次透孔、延伸、注漿施工，實際注漿材料量大于設計注漿材料量，保證了注漿質量。施工的6個注漿效果檢查鉆孔終孔均達到二1煤層頂板基巖層位，鉆孔揭露新近系下部受注段礫石含水層孔隙充填密實。2103工作面運輸巷鉆場施工的2個煤層頂板驗證放水孔揭露新近系下部礫石含水層后僅有微量滴水。結合注漿鉆孔的注漿參數、總注漿材料量、注漿檢查孔鉆取的巖心樣、井下煤層頂板驗證放水孔的放水量綜合分析，本次注漿工程取得了良好的注漿效果，達到了將新近系下部礫石含水層改造成弱含水層的目的。

續表3

5 結 語

洛陽鄭興宿煤煤業有限公司2103工作面頂板含水層注漿改造工程共施工注漿鉆孔15個，注漿效果檢查鉆孔6個，鉆孔總進尺11 558.37 m，總注漿量71 926.66 t?，F在2103工作面已安全回采結束，沒有發生頂板突水和頂板潰砂、潰泥事故。

結果表明，煤層頂板含水層注漿改造施工技術較好地消除了煤層頂板含水層水災威脅，注漿加固和治水效果明顯，工程質量合格，達到了本次工程預期目的。采用煤層頂板含水層注漿改造技術將煤層頂板薄基巖開采厚度縮減到5 m，為同類型煤層頂板薄基巖條件下的煤炭開采提供了一種行之有效的方法。