王永飞
(山西焦煤能源集团股份有限公司， 山西 太原 030006)
煤矿突水是指大量含水层水突然涌入井巷。在某些带压严重矿井的采掘过程中，一旦揭穿导水构造(断层、陷落柱等)，极有可能造成水害事故。目前，突水的工程防治措施很多，其原理都是尽可能地保持固有地质体及其水文地质的平衡状态，强化抗突能力，削弱突水条件。注浆堵水是将水泥浆或化学浆通过管道压入岩层空隙、裂隙中，使其扩散、凝固和硬化，使围岩具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源和加固地层的作用，是矿井防治水害的重要手段之一。干河矿在F14断层附近回采时发生过出水，出水量最大400 m3/h. 为了多回收导水断层防隔水煤柱资源，需对工作面北部F14断层进行注浆治理，在断层两侧和垂向上形成注浆隔水层，确保矿井工作面不受水害威胁，最大限度地回收煤炭资源。
1.1 地质、水文地质情况
干河矿2#煤层厚度0.20～5.35 m，平均2.11 m. 顶板岩性以泥岩为主,局部为中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩及砂质泥岩,底板岩性以粉砂岩为主，局部为细粒砂岩、泥岩和砂质泥岩。煤层底板标高在-20～370 m. 太原组石灰岩溶隙含水层水位标高为469.40～518.37 m. 奥灰峰峰组石灰岩溶隙含水层水位标高为505.00～523.80 m. K2灰岩顶到2#煤底板隔水层厚度在72～94 m，突水系数0.036～0.081 L/(s·m).
研究工作面注浆区域2#煤层开采突水系数介于0.061～0.076 MPa/m，大于临界值0.06 MPa/m[1]，导水构造存在的条件下，底板发生突水的几率较大，局部区域奥灰水通过垂直构造越流补给K2灰岩含水层。主要开采煤层和主要含水层空间关系示意图见图1.
图1 主要开采煤层和主要含水层空间关系示意图
影响工作面的主要水源为下部太原组石灰岩(K2)和奥陶系峰峰组石灰岩(O2)溶隙含水层。从补勘钻孔岩层对比分析，两勘探孔之间有一断距为80 m的断层，推断断层走向北东。通过综合分析，断层可能导致K2灰岩含水层和2#煤层顶板砂岩含水层发生水力联系，K2灰岩水可能通过该断层导水补给砂岩含水层。
1.2 断层及工作面情况
工作面位于F14断层东南侧(上盘)，东北侧60 m为某采空区，西北侧均为采区3条系统大巷，东南侧为某采空区。F14 断层走向N55°～65°E，倾向SE，倾角40°～70°，断距11～80 m，长度约3 640 m. F14断层剖面图见图2.
图2 F14断层剖面图
根据突水系数计算公式及工作面带压情况，主要针对F14断层、底板垂向80 m范围内的K2灰岩含水层进行注浆加固处理[2]. 依据《煤矿防治水细则》第四十三条，布置探放水钻孔的有关规定及现场地质条件，注浆扩散半径按20 m计，有效注浆范围在平面上F14断层外偏30 m，施工12处钻场，每个钻场布置6个水平孔，共布置72个钻孔。在剖面上左右以F14断层破碎带两侧30 m为界，上下以K2含水层顶面为界30 m范围，每组剖面上共需布置9个钻孔，共需布置钻孔216个，预计进尺约17 224.8 m，检查孔进尺按施工孔进尺20%计，则总进尺约20 669.7 m. 有效注浆范围在平面上F14断层左翼探查治理巷两端向外延伸60 m；
在剖面上左右以F14断层破碎带两侧30 m为界，上以K2含水层顶向上40 m左右为界，下以K2含水层底板向下30 m左右为界。注浆钻孔剖面布置示意图见图3.
图3 注浆钻孔剖面布置示意图
1) 成孔方式。普通钻机钻进+随钻测量修正，便于精准测量钻孔轨迹，无芯钻进。
2) 钻场选择。钻场设置在F14断层左翼探查治理巷内，每66 m一个钻场(与断层探查钻孔共用钻场)，共设12个钻场，钻场规格要求宽4 m，深4 m，高3.8 m，锚网支护。
3) 钻孔间距。注浆钻孔的扩散半径、钻孔间距应在工程实施前进行现场试验，参照经验公式及邻近矿区经验计算；
研究工作面按钻孔注浆扩散半径20 m的经验值计算，正常区域终孔间距34 m，物探异常区、构造带钻孔间距加密控制。因岩体孔隙率、岩体渗透系数及浆液的黏度等均对浆液扩散半径有较大影响，需在第一次钻孔注浆过程中，进行扩散半径试验，完成对具体参数的试验取值。
4) 终孔层位。注浆钻孔至F14断层破碎带外偏30 m及K2含水层顶面上下30 m左右，具体注浆位置根据勘探钻孔探查的断层产状进行分析及设计钻孔参数。
1) 注浆孔的施工顺序为：定位→开孔口→下一路孔口管→下二路保护管→注浆→压力达到注浆标准或孔内不进浆→结束。
2) 采用单管埋设：使用d127 mm钻头开孔21 m，置入d89 mm套管20 m(壁厚≥4 mm)，凝固4 h后(快速水泥)，耐压试验需达到8.4 MPa，稳定时间大于30 min；
采用d75 mm钻头前进式分段注浆。
4.1 注浆站设计
注浆站位置：在F14断层左翼探查治理巷附近选择围岩稳定地段施工一硐室5 m×4 m×3 m，设置井下制浆站[3].
注浆设备：配备泥浆泵2台(一用一备)，双液注浆泵一台。
储浆池尺寸[4]：d1.8 m×挖深1.6 m. 吸浆口尺寸：长0.5 m×宽0.5 m×深2.1 m,吸浆口池底比储浆池池底深0.3 m. 储浆池及吸浆口挖好后,用钢筋混凝土铺底厚0.2 m；
池壁用钢筋混凝土立模浇筑，厚度为0.2 m；
开挖口外沿用混凝土砌高0.2 m(高于硐室底板)，强度不低于C20.
池顶横担两根20b工字钢(200 mm×102 mm×9 mm)，工字钢顶面与池顶平齐,以便安装搅拌器。搅拌器型号为：BLD-5-71-5.5.
注浆管路：2趟2英寸管路送浆，使用高压软管连接。
4.2 主要注浆设备及注浆材料
1) ZYWL-4000型、ZDY-3200 s型煤矿用液压钻机各一台。
2) 钻探用泥浆泵，两用一备；
要求排量150～320 L/min(NBB390型、NBB260型)；
压力不小于8 MPa.
3) 矿用真空防爆开关3台。
4) 地质钻杆d50 mm，钻头使用d127 mm或d75 mm.
5) 高压注浆管d50 mm和U型卡子。
6) 2英寸和4英寸高压闸阀等。
7) 矿用525#水泥及辅助材料。
4.3 注浆参数
压力控制：压力选取实测静水压力的2-4倍，应根据现场试验，绘制注浆扩散半径与注浆压力相关曲线，确定注浆压力最大值[5]. 根据现场实测静水压力，注浆孔口压力8.4 MPa，扩散半径20 m为准。
浓度控制：1) 充填阶段：孔口压力在0～4.2 MPa时，进行多泵联合注浆，增加注浆量，注入高浓度单液水泥浆。2) 稳压阶段：孔口压力在4.2～8.4 MPa时，单泵小流量长时间注浆，增加扩散距离，注入低浓度水泥单液浆。
起始控制：钻孔出水量大于5 m3/h，立即停止钻进，进行注浆。当注浆压力增大时，水泥浆注不进去，立即停止注浆。应实施透孔，透孔至原出水点；
出水量还是大于3 m3/h，停止透孔再进行注浆，如果出水量较小，可继续钻进到下一出水点再进行注浆，循环至终孔位置。
结束及封孔标准：建议孔口压力超过8.4 MPa，注浆量急剧减少时，逐次换档降低泵量，并维持20 min.
单孔注浆量：注浆量由面积决定，注浆段由K2石灰岩、砂岩及砂岩组成，裂隙率0.1%，浆液结石率85%，岩溶裂隙充填率90%，浆液流失系数1.2，则注浆量计算如下：
Q=T·ζ·η·ε/μ
式中，Q为总注浆量，m3；
T为注浆范围，m，按照平面面积约100 158 m2；
注浆垂向宽度按80 m计；
η为岩溶裂隙率，取0.1%；
μ为浆液结石率，取85%；
ζ为充填率，取90%；
ε为浆液损耗系数，取1.2.
计算注浆总量为10 181 m3，本区域共需布置216个钻孔，因此单孔注浆量需47.2 m3.
1) 施工流程。
固管注浆根据现场实际情况选取单液水泥浆或双液浆。底板加固采用单液水泥浆。水泥质量应符合相关标准。水泥浆的密度应控制在1.2～1.3 kg/m3.
浆液输送：注浆站→注浆管路→井下临时注浆点→孔内(注浆前必须进行压水试验)。
2) 施工注意事项。
a) 钻孔施工完毕后应进行清水冲洗，注浆前要先压清水，然后注单液浆。
b) 浆液浓度应根据压水试验结果确定，密度选取1.2～1.6 kg/m3. 首先用稀浆进行试注，记录吃浆量及孔口压力情况，对临孔是否串浆等情况进行观测，及时调整浆液浓度。
若钻孔出水量大于5 m3/h，立即起钻注浆，结束后均要向孔内压水，压水量为管路与孔内体积之和的两倍，之后及时下钻具扫孔至孔底。
c) 单孔注浆量大于50 m3仍不上压时，停止注浆，利用专门加工的料管进行投料，封堵裂隙，投料时骨料粒径采用先小后大的原则。
d) 注浆时加强各排水点观测，是否有出浆现象。如有需立即进行投料堵漏。
1) 利用矿用本安型瞬变电磁动态成像仪对注浆效果进行探测，并对前后两次物探成果进行验证。
2) 通过取芯孔来判定F14断层破碎带、充填物、底板岩性及底板隔水层厚度，通过钻孔水压、水量变化及岩层裂隙充填情况来检查注浆效果。
3) 检查孔：钻孔注浆后应施工验证孔对注浆效果进行检验。正常区每隔120 m布置一组检查孔，物探异常区、构造带、钻孔出水量大于5 m3/h地段，每隔30 m布置一组检查孔，检查孔出水量大于3 m3/h地段，重新布置钻孔加固[5].
4) 检验孔：不少于注浆孔数量的20%.
通过注浆治理，在断层两侧形成约60 m的注浆隔水层，在垂向上形成80 m左右的注浆隔水层，有效起到隔水效果，能够满足安全回采。现工作面已基本形成，治理后基本无水，表明注浆治理可以有效起到隔水效果。
在注浆治理过程中，应严格落实物探、钻探等必要的探查和防治水措施。通过对该断层治理，进一步保证了工作面不受水害影响，最大限度地回收煤炭资源，原工作面留设煤柱在110 m以上，治理工程完成后，按照留设50 m的保安煤柱计算，约缩减煤柱60 m，解放煤炭储量41万t，经济效益显著。
Study on Grouting Treatment Technology and Effect on Fault Fracture Zone of F14 in Ganhe Coal Mine
WANG Yongfei
AbstractIn order to reasonably reserve waterproof coal pillars and liberate coal resources affected by water disasters, according to the occurrence conditions of coal seams in the fault fracture zone of F14 in Ganhe Coal mine, including water-proof layer conditions, geological and hydrogeological conditions, and previous measured data, theoretical analysis and field measurement methods are adopted to put forward grouting reinforcement treatment technology and transform the mining conditions of F14 fault. The grouting water barrier layer is formed on both sides of the fault and vertically. The field construction shows that the grouting treatment has an effective effect of water separation and can be safely mined.
KeywordsFault fracture zone; Limestone aquifer; Grouting; Water output
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