礦井水災防治第十一章

煤層底板注漿加固技術第一節概述華北及華東地區二疊紀下統山西組的二1煤普遍發育，煤層賦存穩定，厚度大，儲量豐富，煤質好，經濟價值高，開采條件好，是許多礦區的主要開采煤層之一。太原組上段L7~8灰巖，下段L1~4灰巖。L7~8灰巖水是開采二1煤的直接充水水源，巖溶裂隙發育，含水豐富，如果沒有其他水源補充，L7~8灰巖突水量一般在300m3/h左右。L1~4灰巖中間夾有一1、一2、一3、一4四個薄煤層，煤層和灰巖頂板直接接觸。幾層灰巖厚度相對較大，巖溶裂隙發育，含水豐富，是開采二1煤的第一間接充水水源。如果與L7~8灰巖之間有水力聯系，可以直接補充L7~8水，突水量一般在500~1000m3/h之間。奧陶系灰巖厚度大，溶隙、溶槽、溶洞發育，富水性強，是開采二1煤的第二間接充水水源。一旦遇到斷裂構造，與L1~4灰巖、L7~8灰巖及二1煤層之間發生水力聯系，突水量可高達1000~10000m3/h。由于灰巖水的補給屬側向補給，補給范圍很廣，所以二1煤底板水屬于動儲量，一旦發生突水，水量大、水壓高，難以疏排，輕者給煤礦造成經濟損失，重者造成重大的人身傷亡事故。寒武系灰巖的含水性相對較弱，以溶洞水為主。華北部分地區缺失奧陶系地層，寒武系白云質灰巖直接與本溪群、太原群地層呈不整合接觸，開采過程中偶爾發生溶洞突水，突水量最高達30000m3/h。二1煤下部地層有幾個含水性很強的灰巖巖溶含水層：太原組薄層灰巖含水層奧陶系灰巖含水層寒武系灰巖含水層在二1煤層與幾個含水層之間有幾個良好的隔水層，發揮了很好的隔水作用。１）二1煤底板至太原組灰巖之間的海相泥巖和砂質泥巖隔水層巖性致密均勻，隔水性能好，華北和華東地區普遍發育。海相泥巖的厚度和致密程度決定其隔水性能，河南鄭州礦區海相泥巖厚度為8~12m，焦作礦區20~23m，鶴壁礦區30~40m，永城礦區50m，海相泥巖越厚，隔水性能越好。３）本溪組地層主要是鋁土質泥巖、砂質泥巖、泥巖，夾有煤線和黃鐵礦、赤鐵礦薄層，如果本溪組地層較厚，可有效阻隔奧陶系與L1~4灰巖之間的水力聯系。２）太原組中段的砂質泥巖隔水層它起到了阻隔L1~4灰巖與L7~8灰巖之間水力聯系的作用。人們希望三個良好的隔水層能有效地阻隔二1煤底板突水，但這僅是個美好的愿望，在煤礦生產建設過程中，二1煤底板突水事故不斷發生。尤其是回采工作面底板突水及工作面后方采空區底板滯后突水，水量大、水壓高，輕者淹沒工作面，重者淹沒整個采區，給礦井安全生產帶來很大影響。近年來，回采工作面底板突水事故呈上升趨勢，究其原因有以下幾點：①二1煤底板海相泥巖地層太薄，不足于抵抗底板突水壓力。②回采工作面前后方煤層底板受礦山壓力擾動，破壞了底板隔水層的完整性，降低其強度，弱化其隔水性能。③煤層底板巖層中存在有裂隙、溶隙、斷層、陷落柱等，溝通了含水層與二1煤層之間的水力聯系。④開采深度越來越大，承擔的水壓越來越高，突水的概率增高，突水量也相對增大。⑤采煤方法不正確，巷道布置不合理，回采工藝不對路，不利于底板水的防治。⑥水文地質工作不到位，防治水措施不得力，沒有認真貫徹執行“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方針。⑦防治水安全投入不夠，礦井排水能力不足，防治水工程不完善。2001年肥城礦區首先提出對二1煤底板進行注漿加固的方案：在回采工作面上、下順槽及開切眼準備出來之后，先用直流電法儀或瞬變電磁儀對回采工作面圈定范圍內煤層底板含水層進行超前探測，找出可能發生突水的局部區域（低阻區）在上、下順槽向低阻區上方海相泥巖打鉆在地面建立注漿站，通過輸漿管路與鉆孔孔口管上的高壓閘閥連接，注漿加固海相泥巖，充填其涌水通道，防止開采期間回采工作面及其后方采空區底板突水。近幾年來，焦作礦區、永城礦區、鄭州礦區也相繼采用了這一技術，并取得了成功，這一技術有著廣泛的推廣應用前景。第二節

注漿加固層位的確定①巖層厚度應大于由于礦山壓力向底板中傳播所形成的破碎帶厚度。②加固地層可注性強，漿液可在地層中大面積擴散，在高壓注漿條件下不跑漿，漿液利用率高。③加固以后可有效改變底板巖層的物理力學性質，提高其強度和隔水性能，有效防止底板突水。④在井下布置鉆場方便，輔助工程量小，注漿鉆孔鉆進工程量小。為了保證注漿加固煤層底板的防治水效果，必須首先確定加固哪一個層位。如果加固層位距離煤層太近，在注漿過程中可能會出現大量跑漿，浪費注漿材料，達不到加固目的；加固層位距離煤層太遠，鉆孔工程量大，技術經濟不合理；加固層位太薄，加固后其強度仍然不足以抵抗水的壓力；加固層位太厚，可能會消耗更多的注漿材料，費工費時，影響回采進度。合理的加固層位應該是：一、回采引起底板巖層形成破碎帶厚度的確定（一）理論計算法（二）巷道觀測（三）鉆孔透視法（四）鉆孔電視法二、注漿加固底板層位的確定二1煤底板海相泥巖底與太原組地層呈整合接觸，是注漿加固煤層底板的首選層位。選擇這一層位需要考慮以下幾個方面的因素：1.二1煤底板海相泥巖的厚度通過計算和礦壓觀測，支承壓力對底板的強烈擾動深度為20~30m。因此，海相泥巖厚度大于30m才能選擇加固這一層位，否則即使海相泥巖得到了加固，也不能實現阻止底板突水的效果。2.加固區域是否有采空區注漿加固煤層底板施工時注漿站是在地面設置，由于注漿站與受注地點高差比較大，漿柱壓力很高，一般屬高壓注漿。如果加固區域有采空區，漿液就有可能向采空區擴散。盡管消耗了大量的注漿材料，仍然達不到注漿加固的預期效果。3.采空區與注漿加固區域的相對位置如果采空區與注漿加固區域距離較遠，可以不考慮采空區的影響。（一）加固二1煤底板海相泥巖（二）加固太原組上段薄層灰巖如果二1煤底板泥巖的厚度太薄，應選擇加固太原組上段薄層灰巖。與加固泥巖底板相比，有其明顯的優越性，主要表現在以下幾個方面：①直接充填薄層灰巖巖溶裂隙，從根本上治理薄層灰巖突水。②可以將太原組上段薄層灰巖由含水層變為隔水層，增加了二1太原組上段薄層灰巖煤底板隔水層的厚度，增強抵抗L1~4灰巖和奧陶系灰巖突水的能力。③巖溶裂隙發育，可注性強，容易實現預期的注漿加固效果。④灰巖強度較大，能夠承受較高的注漿壓力，注漿過程中失漿量少，不易發生底鼓現象。（三）加固太原組中段隔水層選擇注漿加固太原組中段隔水層的主要是鄭州礦區。該礦區二1煤泥巖底板厚度僅有8~12m，太原組上段L7~8灰巖厚度8~10m。如果加固L7~8灰巖，由于距離煤層太近，注漿壓力又比較大，注漿過程中跑漿現象嚴重，局部出現底鼓，達不到預期的加固效果。將鉆孔打到L5~6灰巖，增加止漿層厚度和強度，可有效控制跑漿，提高漿液利用率。第三節

底板注漿加固方案的確定一、注漿加固時機與順序的選擇選擇加固底板的時機必須貫徹“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，注漿加固底板的時機應選擇在回采工作面上、下順槽和開切眼掘進完成之后進行。先用直流電法或瞬變電磁法對煤層底板進行一次全面的水文地質物理探測，圈定回采工作面推進范圍內的低阻區，然后根據低阻區的分布進行注漿加固方案設計。二、煤層底板水文地質預測預報煤層底板水文地質預測預報的目的：查明推進范圍內煤層底板的水文地質情況，找出發生底板突水的可疑區，然后針對可疑區采取有效措施。由于水是良好的導電體，電阻率很低，多數巖石是半導體，電阻率很高，所以目前采用最多的預測預報方法是直流電法和瞬變電磁法。（一）采用直流電法儀進行煤層底板水文地質預測預報直流電法儀運用直流電法儀采用三極交匯法進行掘進工作面超前水文地質預測預報，同樣也可以運用直流電法儀，采用四極對稱法進行回采工作面超前水文地質預測預報。采用四極對稱法可以探測煤層底板60~100m范圍內的水文地質情況，這一深度對華北多數礦區來說，均可以了解到L7~8灰巖的富水情況，有些地區二1煤底板泥巖較薄，可以探測到L1~4灰巖甚至于奧陶系灰巖的富水情況。四極對稱法：圖11-1某礦28031（B）工作面煤層底板36m以深直流電法探測結果平面圖（二）采用瞬變電磁儀進行煤層底板水文地質預測預報1.瞬變電磁儀工作原理瞬變電磁法：利用不接地回線向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次渦流場，從而探測介質電阻率。探測原理：當發射回線中電流突然斷開后，地下介質激勵起感應渦流場以維持在斷開電流以前存在的磁場，此二次渦流場呈多個層殼的“環帶”型，隨著時間的延長在發射回線附近介質逐步向下及向外擴展，不同時間到達不同深度和范圍。二次渦流場極大值沿著與發射回線平面成30°傾角的錐形斜面向下、向外傳播，感應渦流場在探測面引起的磁場為整個“環帶”各個渦流層的總效應，此效應可以簡單的用不同時間逐步向外及向下擴散和電流環（稱之為“煙圈”）相等效，“煙圈”沿47°傾斜錐面擴展。二次渦流場的表現與地下介質的電性有關，所以通過觀測二次渦流場就可以了解地下介質的電阻率分布情況。圖11-2瞬變電磁半空間探測原理示意圖接收線圈發射圈觀測面T1T2T3高校采用TEM47HP型瞬變電磁井下探水系統，并獲得了成功應用。TEM47HP是加拿大Geonics公司專門生產的井下探水瞬變電磁系統，也叫PROTEM47HP。其組成包括：圖11-3TEM47HP井下探水系統的組成TEM47HP發射機高頻接收線圈接收機可調節角度的井下多匝發射線圈同步電纜①PROTEM數字接收機②TEM47HP發射機③高頻接收線圈④可調節角度的井下多匝發射線圈⑤TEMB全空間正、反演軟件設備的工作原理:根據探測目標將井下多匝發射線圈安置在合適的位置上，將高頻接收線圈安置在距發射線圈5～10m的位置上，TEM47HP發射機向多匝發射線圈發送脈沖電流（頻率可選）產生一次場。該一次場向探測目標體擴散，當遇到探測目標體時則產生二次場，即瞬變電磁場。該瞬變電磁場在高頻接收線圈中產生感應電壓并由PROTEM數字接收機接收和進行初步處理。

TEMB全空間正、反演軟件是對數字接收機接收到的瞬變電磁場數據進行全面處理和反演解釋，并給出探測目標體的位置、形狀和電阻率等參數。（1）TEM47HP井下探水系統的組成（2）井下瞬變電磁法的裝置結構①重疊回線裝置②中心裝置③共面偶極裝置④共軸偶極裝置圖11-4剖面探測裝置方式TxRx③共面偶極裝置TxRx④共軸線偶極裝置TxRx②中心裝置左側幫探測方向>5m巷道掘進頭右側幫Tx發射線圈Rx接收線圈圖11-5巷道掘進頭TEM超前探測裝置方式右側幫左側幫θ2θ1正前方β1β2圖11-6巷道掘進頭超前探測方式與探測范圍θi－探測方向為前方偏左θi角度；βi－探測方向為前方偏右βi角度（3）技術指標2.巷道掘進頭超前探測應用實例圖11-7第一次初探結果圖11-8第二次初探結果圖11-9第三次初探結果圖11-10第四次初探結果圖11-11第五次初探結果（1）對巷道掘進頭的超前探測（2）在巷道內探測采區煤層底板儲水構造圖11-12傾向探測導水斷層圖11-13圈定工作面回采時易突水地段圖11-14圈定放水（疏水降壓）孔位置圖11-15煤層底板含水層注漿改造前、后效果對比（3）探測巷道下方儲水構造圖11-16偶極方式圖11-17偶極方式圖11-18儲水構造成像三、注漿加固方案注漿系統注漿方式注漿材料注漿參數注漿順序注漿技術措施等。工作面概況工作面底板巖層水文地質分析鉆場布置鉆孔結構鉆孔施工順序鉆孔施工技術要求回采工作面底板注漿加固方案設計的主要內容包括：（一）工作面概況說明：回采工作面位置、技術參數煤層賦存特征底板巖性采煤方法煤層底板標高地面標高及相關生產系統等情況。（二）工作面底板巖層水文地質分析①說明煤層底板直接充水含水層、間接充水含水層的巖性、強度、厚度、節理裂隙發育程度、含水性、導水性、水頭高度、水壓、補給水源、補給與季節的關系及其與煤層之間的相對位置。②說明煤層底板直接隔水層、間接隔水層的巖性、厚度、節理裂隙發育程度、強度、隔水性能及與煤層之間的相對位置。③說明回采范圍內的地質構造，分析斷層、裂隙的含導水性，各含水層之間的水力聯系等。④介紹煤層底板水文地質預測預報的主要結論，結合本礦在過去生產中水災事故特點，分析有可能發生底板突水的主要區域，突水強度、突水量預測等。（三）注漿加固范圍及加固層位的確定分析注漿加固、改造底板隔水層的必要性，確定注漿加固總體方案，包括：加固范圍和加固層位、加固工程量、輔助工程量、輔助工程位置、需要的鉆場數量、鉆孔數目、注漿系統、工程工期、工程進度、施工組織等。根據高壓注漿堵水加固工作原理，選用先進合理的技術路線，以“堵源截流、阻堵結合、加固底板”為原則，采用先簡單、后復雜，先骨料后單液，最后采用雙液漿的注漿順序，保證注漿加固，改造底板的目的。（四）鉆場布置鉆場位置應選擇頂板較完整的地段，盡可能不影響工作面上下順槽中的設備運行。合理設計鉆場巷道斷面，為了避免鉆場巷道斷面過大，鉆場內鉆孔可全部設計為斜孔。鉆巷斷面規格一般為：長×寬×高=5m×3m×3m鉆巷的支護錨網支護、金屬棚子支護。盡量減少鉆場數量，合理安排鉆孔施工順序。（五）注漿孔布置原則①根據低阻區分布范圍合理設計鉆孔的位置和數目，鉆孔的孔徑一般要大于Φ75mm，漿液擴散半徑按30m計算。②盡量增加鉆孔揭露含水層的面積，確保注漿效果。③鉆孔設計方向要盡可能多的穿越斷層帶和裂隙，使鉆孔能大面積地揭露含水層。④在斷層交叉、尖滅、拐彎處、工作面初次來壓、周期來壓顯現地段、煤柱、以及褶皺軸都要盡量多布置鉆孔。⑤鉆場內注漿孔多為傘狀布置，根據鉆機的最大鉆進深度，調整鉆孔的方位，均勻布置鉆孔。⑥同一個鉆場要盡可能多布置鉆孔，以減少鉆場數量，減少鉆場輔助工程量。⑦鉆場內鉆孔位置、傾角及方位的選擇要考慮到方便鉆機架設、方便鉆進施工。⑧各鉆孔要按照設計施工次序編號。（六）鉆孔結構注漿鉆孔選用Φ135mm鉆頭開孔，下入Φ108mm、長6～10m的無縫鋼管作孔口管，然后換用Φ90mm鉆頭鉆進，直至終孔位置。如果二1煤底板破碎，為防止注漿過程中從孔口附近漏漿，可選用Φ155mm鉆頭開孔，下入Φ146mm、長6～10m孔口管，然后換用Φ130mm鉆頭鉆進，穿過L7灰后，下入Φ108mm二級套管，最后換用中Φ90mm鉆頭鉆進直至終孔位置。兩級套管均要注漿封閉，封閉套管時注CS雙液漿，待雙液漿充分凝固后，掃孔注水，進行耐壓試驗。耐壓實驗壓力不低于設計注漿終壓時的孔口壓力，持續時間不少于30min。（七）鉆孔施工順序為加快工程進度，可安排2~3個鉆場同時施工，配備足夠的鉆孔與注漿設備，多工種、多工序平行作業。為保證注漿加固效果，注漿孔要分三遍注漿：

先施工第一序次鉆個數不低于鉆孔總數的50%。完成一序次后再施工第二序次鉆孔，二序次的鉆孔個數不得低于總孔數的30%，一、二序次完成后再施工第三序次的檢查孔，檢查孔的個數一般為總孔數的20%。（八）鉆孔施工技術要求①必須嚴格按照設計標定的鉆孔方位、傾角。②必須使用防噴反壓裝置，以免鉆具被高壓水頂出傷人。③孔口管要進行耐壓試驗，壓力不小于注漿終孔孔口壓力，持續耐壓時間不少于30分鐘。④及時、準確、完整、清晰、準確記錄鉆孔進入各隔水層、含水層的初始水量、最大水量、穩定水量、出水壓力、巖層層位、換層深度、進入含水層前有無“導高”、進入含水層后巖溶發育程度等簡易水文觀測資料。⑤防止鉆孔偏斜，制定切實可行的鉆孔防斜措施。（九）注漿材料1.粘土-水泥-水玻璃漿液2.粉煤灰-水泥漿液3．單液水泥漿4．CS雙液漿（十）注漿系統注漿系統組成由:地面制漿系統注漿泵送料孔井下注漿管路井下注漿孔地面制漿系統組成:粘土制漿機水泥添加器攪拌機其它輔助設施粘土制漿機采用肥城礦業集團的NL12型制漿機，如圖11-22所示。圖11-22粘土-水泥漿注漿系統及工藝流程圖（十一）泵量與泵壓采用：NBB－250/6型泥漿泵泵量為150～250L/min水玻璃泵泵量為80～250L/min（十二）注漿方式采用全段連續注漿方式，分孔分序次連續注漿，達到注漿終壓為止。以最大量注入，最大范圍擴散，最大限度的充填巖溶裂隙為目的。對注漿孔初始水量大于100m3/h的鉆孔，可采取分段注漿，穿透含水層后最終達到注漿終孔位置。相鄰鉆孔在含水層段間距小于50m時，不得同時穿透含水層，以免串漿。（十三）注漿參數1.漿液的比重2.漿液的粘度3.單孔注漿結束標準（十四）注漿施工技術要求①注漿前要對注漿管路進行檢查，確保管路暢通，然后對注漿管路進行耐壓試驗，試驗壓力不低于6MPa，持續時間不得低于20分鐘，合格后方可注漿。②注漿前要觀測其水量和水壓，并進行單孔放水，放水時間不小于10分鐘。③要嚴格漿液配比標準，并認真做好記錄。④注漿過程中要根據注漿壓力和跑漿情況，及時調整注漿泵泵量和各種漿液的比重。⑤注雙液漿時，應首先開啟水泥漿泵，水泥漿進入注漿孔10分鐘后按開動水玻璃泵。達到注漿壓力要求時，停止注漿，先停水玻璃泵后停水泥漿泵。⑥要嚴格注漿順序、注漿方式、注漿結束標準。⑦如發現鉆孔串漿、堵塞或鉆孔進漿量明顯較少時，要重新掃孔或補打檢查孔注漿。⑧當達到注漿結束標準后，應及時關閉孔口閥門，卸下孔口高壓膠管。⑨注漿結束后，要及時將管路和混合器沖洗干凈，以備再用。（十五）注漿效果檢查1．鉆探檢查2．物探檢查3．綜合水動態分析第四節底板加固注漿工程實例一、礦井概況某礦位于焦作煤田東北部，開拓方式為立井暗斜井多水平開拓，采煤方法為走向長壁采煤法。井田內構造以高角度的正斷層為主，煤系地層呈現單斜構造形態，局部存在褶曲構造。井田西部邊界為二1煤層露頭，東部邊界附近為開放性的九里山斷層，南部邊界為北升南降、落差200m左右的正斷層，北部邊界為南升北降、落差65m的F4斷層。開采深度100～740m，開采煤層為二疊系山西組二1煤層，煤厚1.5～7.5m。歷史上曾多次發生突水事故，其中最大突水量4200m3/h。礦井正常涌水量2280m3/h，涌水水源主要來自二1煤層底板的L8灰巖含水層。二、23071工作面水文地質條件23071工作面位于井田南部二水平23采區的底部，走向長640m，煤厚4.4～5.2m，工作面運輸巷和回風巷均沿煤層頂板布置。工作面水文地質條件比較復雜，L8灰巖含水層厚6～8m，水位-90m，煤層底板隔水層厚38～44m。在其上部的23051工作面回采過程中涌水量達450m3/h，右上部的20071工作面回采過程中涌水量達780m3/h，23051和20071工作面涌水水源均來自二1煤層底板的L8灰巖含水層。三、突水原因分析及加固技術的可行性在構造破碎帶區域，二1煤層隔水底板的穩定性減弱，抗壓強度小于4MPa，隔水底板失去隔水功能，位于煤系地層下部的L8含水層的高壓水沿構造破碎帶涌人礦井。在煤層回采前預先對其破碎的隔水底板注漿加固，對位于煤層底板的L8灰巖含水層含水溶洞進行注漿充填，把二1煤層破碎的隔水底板變成堅固的整體，將L8灰巖含水層改造成隔水層。這樣，在工作面回采過程中，就能避免突水事故發生。四、注漿加固方案設計（一）鉆場布置及設備1.鉆場硐室鉆場硐室在運輸巷上幫布置，與運輸巷走向垂直，其規格為5×3×2.4m，8個硐室，間距60m。2.鉆機鉆機為SGZ-MA300，注漿泵型號NBB-260，額定注漿量為260L/min；注漿壓力為7MPa。（二）注漿鉆孔每個鉆場布置3-4個注漿釓孔，每個鉆孔設計為二級孔口固定裝置。孔徑146mm，長8～10m；采用Φ108mm，δ=4.5mm的鋼管；用