浅埋煤层薄基岩巷道顶板涌水注浆封堵方法_高彬.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-24修回日期 2020-04-24 第一作者简介 高彬 （1979-） ， 男 （汉族） ， 陕西绥德人， 工程师， 现从事煤矿开采技术管理与研究工作。 浅埋煤层薄基岩巷道顶板涌水注浆封堵方法 高彬*， 李军， 杨帆， 张池， 任智智， 王文涛 （陕煤集团神木张家峁矿业有限公司， 陕西 神木 719316） 摘要 针对采区开拓大巷顶板长期涌水的问题， 结合其地质及水文地质条件， 分析了出水水源及出 水通道， 提出了动水条件下浅埋煤层薄基岩巷道顶板涌水注浆封堵方法， 以出水条件分析、 钻探揭露 探查、 引流注浆和现场数据监测为基础， 结合注浆过程中的实时信息反馈， 不断优化调整注浆方案， 通过人工引流， 分区注浆的方式， 成功封堵巷道集中出水段， 整体堵水率达98， 为矿方节约大量排 水费用， 并对类似的巷道出水治理提供可行的技术方案和支护建议。 关键词 动水条件； 薄基岩； 顶板涌水； 注浆封堵 中图分类号 TP741 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0124-04 在煤矿井巷的水害治理中， 动水条件下的基岩裂 隙涌水的注浆封堵治理一直是难以突破的技术难题。 多年来国内外学者在注浆材料、 注浆工艺等方面进行 研究和实践， 取得了一系列成果[1-2]。在注浆材料中， 有 学者研制了VCH新型注浆材料和水泥基-玻璃纤维 浆液， 并进行材料相关参数测试及工程实践[3-4]； 在注浆 工艺中， 有学者对动水条件下的控制注浆技术及细骨 料截流技术进行了详细探讨[5-6]。煤矿井巷水害注浆封 堵治理时， 不仅涉及注浆材料和注浆工艺， 更与现场地 质与水文地质条件紧密结合[7]， 因工作面回采巷道底板 岩溶裂隙涌突水危害大、 事故多， 学者多将其作为注浆 封堵研究对象[8-10]， 而针对采区开拓巷道顶板涌水注浆 研究相对较少。 针对生态环境脆弱的陕北神府矿区， 由于煤层埋 藏浅、 顶板基岩薄， 开拓巷道掘进时常出现顶板淋滴水 现象。受地表起伏、 沟谷切割、 支护方式等因素影响， 局部开拓巷道顶板出现大面积集中出水， 且水量较 大。而开拓巷道服务年限长， 一般超过10年， 长期排水 费用高， 对区域环境破坏强， 亟需采取有效手段对该类 顶板涌水进行治理。本文针对上述问题， 结合神府矿 区张家峁煤矿4-2煤南部集中辅运巷顶板集中出水段进 行研究， 提出并实施注浆封堵方案， 以期为巷道顶板涌 水注浆封堵提供新的思路和方法。 1研究区概况 1.1矿井水文地质条件 张家峁煤矿位于陕北侏罗纪煤田神府矿区南部， 含煤地层为侏罗系中统延安组， 主采2-2、 3-1、 4-2、 5-2煤 层， 除露头区外煤层埋藏最浅处仅为14m。地表黄土 丘陵沟壑区较多， 地表起伏较大且侵蚀强烈， 沟谷切割 深度大， 造成局部地区煤层被剥蚀、 部分自燃形成大面 积火烧区， 使得煤层开采主要受顶板第四系松散层孔 隙水、 直罗组风化基岩裂隙水及烧变岩水影响， 各含水 层富水性差异较大。总体上， 矿井水文地质条件主要 表现为煤层埋藏浅、 顶板基岩薄、 含水层类型多、 富水 性差异大的特点。 1.2巷道出水情况 出水巷道为4-2煤南部集中辅运巷， 此巷道为连接 一盘区南北4-2煤各工作面的辅助运输大巷， 巷道掘进 采用锚、 网、 喷联合支护工艺， 锚杆孔深2.5m， 锚索孔深 5m， 喷浆厚度为100mm。于巷道3680～3750m里程段 施工锚索孔时顶板出水， 锚索经树脂锚固后， 锚索与孔 壁间的环状间隙中仍有出水， 且部分锚杆孔也存在涌 水， 整个出水段水量为60m3/h， 于3714～3717m里程段 集中出水。 而与该出水巷道向东相距仅30m的南部集中回风 巷， 地质条件和水文地质条件相似， 仅支护方式有所调 整， 未采用孔深较大的锚索支护， 整个巷道无集中出水 点， 仅少部分锚杆孔有少量滴水。两巷道东西向剖面 图如图1所示。 2注浆封堵方法 124 2020年第10期西部探矿工程 针对顶板基岩较薄， 注浆易造成顶板变形， 以及补 给充沛、 径流条件较好的水文地质特征， 确定了以出水 条件分析、 钻探揭露探查、 引流注浆和现场数据监测4 项技术手段为注浆封堵提供基础数据， 结合注浆过程 中的实时信息反馈和方案动态调整， 提出动水条件下 薄基岩巷道顶板涌水注浆封堵方法。 首先通过出水条件分析， 确定出水水源和导水通 道， 以此建立出水区域的水文地质概化模型， 并结合附 近水文观测孔， 分析出水含水层的地下水流场和总体 径流方向； 其次结合钻探情况， 分析顶板岩性、 隔水层 厚度， 钻孔出水时的孔深及出水量， 并绘制出水含水层 底板等高线图； 因顶板基岩薄， 无法利用高压进行注 浆， 因此需结合地下水流动进行引流注浆， 可分为自然 引流和人工引流两种， 自然引流是注浆浆液随目标含 水层中的地下水流动自然扩散， 人工引流是结合出水 含水层底板等高线图， 在出水段目标含水层的最低处 施工钻孔进行放水， 形成降落漏斗， 使注浆浆液向降落 漏斗的中心扩散； 最后是利用地面水文观测孔及井下 施工的钻孔对出水含水层水压进行观测， 并对出水段 的水量进行观测， 同时对两帮收敛量和顶板下沉量进 行观测。 3出水段注浆综合治理 3.1出水条件分析及钻孔探查 经水化学分析， 巷道出水水样的水化学类型与顶 板风化基岩含水层一致， 均为HCO3-CaMg型， 矿化 度在240～310mg/L间， 因此判别出水水源为风化基岩 含水层。 根据圆形巷道围岩塑性区计算公式计算巷道松动 圈厚度为3.27m。 R1R0 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ σ0C∙cotφ1-sinφ piC∙cotφ 1-sinφ 2sinφ 式中 R1围岩松动圈半径， m； R0巷道半径， m， 取3.5m； σ0原岩应力， MPa， 取14MPa； C粘聚力， MPa， 取10MPa； φ内摩擦角， 取34.5； pi支护阻力， MPa， 取0.3MPa。 区域内上覆2-2、 3-1煤层经剥蚀及烧变已缺失， 地 表沟谷切割深， 基岩风化带发育深度大。经巷道顶板 钻孔探查发现， 4-2煤顶板新鲜基岩较薄， 平均5.3m， 以 粉砂岩和砂质泥岩为主， 钻孔贯穿新鲜基岩后即出 水。而锚索孔均为5m， 部分区域锚索孔贯穿较薄的新 鲜基岩， 进入风化基岩含水层， 含水层水一部分通过锚 索孔直接进入巷道， 一部分进入巷道松动圈后经锚杆 孔流入巷道。由于该风化基岩含水层受地表水库补 给， 周边钻孔抽水试验时水位恢复迅速， 说明其补给水 源充沛， 地下水径流条件良好， 同时巷道竣工一年来涌 水段水量未衰减， 无疏干的可能性， 只能通过注浆进行 封堵。 同时钻孔探查时还发现风化基岩底面存在起伏， 钻探实测底面标高最低处为1129.7m， 位于该巷道 3716m里程段， 与巷道集中出水段位置相吻合。 3.2引流注浆 通过前期井下钻孔探查及集中出水段区域， 将本 次治理范围分为5个区， A、 B、 D、 E区风化基岩底面标 高相对较高， 出水量较小， 首先对其进行封堵。因出水 巷道范围内风化基岩含水层的水力梯度不大， A、 B、 D、 E区在注浆压力小于1MPa的情况下， 无法实现浆液大 面积扩散， 通过对锚索孔返浆情况进行观测， 单孔注浆 扩散范围仅1～2m。因此针对薄基岩无法高压注浆的 情况下， 水力梯度较小的自然引流对注浆封堵作用不 明显。由于C区钻孔水量均较大， 同时也位于风化基 岩含水层底面的低洼处， 放水可以形成水力梯度明显 的降落漏斗， 并通过阀门控制钻孔水量以达到人工引 流和控制注浆的效果， 见图2。 图2引流注浆示意图 图1沿巷道东西向地层剖面图 125 2020年第10期西部探矿工程 试验结果表明， A区注浆压力突增， 水泥浆液无法 有效进入风化基岩含水层， 而地下水却能从含水层中 流出， 说明水泥浆较含水层孔隙裂隙大， 无法有效注入 地层， 因此在该区域注浆时需采用颗粒较小的脲醛树 脂化学浆； 在人工引流作用下， B、 D区钻孔注浆C区均 有返浆现象且返浆时间较短， 说明在C区放水孔开至 最大时， B、 D区域注浆孔引流效果明显， 但由于返浆比 重比原浆液比重下降较多， 无法形成固结较好的结石 体， 对后续注浆封堵不利， 因此在B、 D区域注浆时需将C 区放水孔闸阀进行调整， 使C区返浆比重大于1.3g/cm3， 注浆材料选用水泥浆； E区注浆时C区长时间未返浆， 说明两孔间距较大， 人工引流产生的降落漏斗未能波 及至注浆孔的浆液扩散范围内， 因此E区需在无人工 引流下， 多施工注浆孔以封堵该区域出水点， 注浆材料 选用水泥浆； C区各处出水点较多， 注浆时跑浆严重， 若采用初凝时间较长的水泥浆则会造成大量浪费， 因 此选用速凝的水泥水玻璃双液浆 （C-S浆液） ， 初凝 时间1min， 可有效防止大量跑浆的现象。 3.3现场数据监测 在引流注浆封堵期间， 为及时掌握各类信息， 为注 浆方案的制定和调整提供参考依据， 利用井下钻孔压 力表对巷道顶部风化基岩含水层水位进行观测， 利用 数显收敛计对顶板下沉量进行观测， 利用手持超声波 流量计对巷道低洼处的排水沟水量进行观测， 观测数 据如图3所示 （顶板下沉量小于1cm未绘制图件） 。 初始水压为0.06MPa， 初始水量为60m3/h， 由于前 3日处于人工引流试验阶段， 放水孔出水量较大， 导致 该巷道实测总出水量增加， 水位有所下降， 随后正式注 浆封堵后水量逐渐减少， 水位逐渐上升。 3.4实施效果 注浆工程竣工后， 4- 2煤南部集中辅运巷 3680～ 3750m里程段出水量从原先60m3/h， 下降至1m3/h， 整体 堵水率达到98， 出水段注浆治理前后对比图如图4所 示。每年可节约排水及污水处理费用124万元， 经济效 益明显， 同时保护了陕北神府矿区宝贵的地下水资源。 a.治理前b.治理后 图4注浆治理实拍图 4结论 （1） 针对出水含水层径流条件较好， 巷道顶板基岩 较薄的特点， 提出以出水条件分析、 钻探揭露探查、 引 流注浆和现场数据监测为手段的顶板涌水注浆封堵治 理方案， 并根据人工引流试验情况， 对注浆区域进行划 分并采用不同注浆材料；（下转第129页） 区域 A B D E 孔深m 5.9 4.5 4.8 5.6 与放水孔距离m 19 8 11 30 返浆时间min - 13 19 - 返浆比重g/cm3 - 1.15 1.1 - 备注 压力突增， 停止注浆 注浆3h， C区未返浆， 停止注浆 表1引流返浆情况表 图3水压与水量实测曲线图 为了测定在人工引流作用下各区域间风化基岩含 水层的连通性， 对A、 B、 D、 E各区域间的钻孔进行压注 P.O.42.5普通硅酸盐水泥浆， 注浆压力均为1MPa， 浆 液比重均为1.5g/cm3， 同时将位于3715m里程处的C 区放水孔打开至最大， 出水量为8m3/h， 观测返浆时间 及返浆比重， 如表1所示。 126 2020年第10期西部探矿工程 3.3矿石化学成分 矿石经过基本分析、 光谱全分析、 化学全分析、 组 合分析结果表明， 矿石中有用组分主要为铁。大部分 赋存在各种铁矿石之中， 少量赋存于镁铁闪石、 绿泥石 等铁硅酸盐矿物和黄铁矿、 磁黄铁矿等硫化物中。 铁矿石全区平均品位TFe 30.28， mFe 14.08； 低品位矿石全区平均品位TFe 22.13， mFe 4.80。 氧化带中FeO含量为0.33～14.60， 个别样品含量 高达20.14， 原生带中FeO含量为11.56～29.27。 矿石中化学成分， 除Fe元素外， 尚有Si、 Ca、 Mg、 Ti、 Mn、 K、 Na、 S、 P等元素， 组成了相应的氧化物、 硫化物 及硅酸盐。 3.4矿石类型 矿区内矿石自然类型主要为石英型假象赤铁矿、 石英型磁铁矿、 砾岩型铁矿。石英型磁铁矿又分为绿 泥石英磁铁矿和绿泥石英磁铁矿。 矿区铁矿石全铁 （TFe） 小于50， 属于需选铁矿石 工业类型。从选矿工艺要求出发， 根据磁性铁 （mFe） 对全铁 （TFe） 的占有率， 将其划分为磁性铁矿石和弱 磁性铁矿石， 由于区内矿石矿物成分复杂， 且矿石中硅 酸铁 （siFe） 、 硫化铁 （sfFe） 和碳酸铁 （cFe） 的质量分数 大于3， 或者三者之和大于3， ω （mFe） ／ω （TFe- siFeωsfFeωcFe） 比值为1.32～85， 个别矿体局部比 值可达为92.61， 故本矿区内矿石工业类型为需选弱 磁性铁矿石。 3.5矿体围岩和夹石 矿体的顶、 底板围岩主要为绿泥片岩、（斜长） 角闪 片岩， 其次为绢云绿泥片岩、 绿泥石英片岩、 钠长绿泥 片岩， 少量石英脉。矿体与围岩产状一致， 界线基本清 楚， 少量围岩含有含量小于10的含磁铁绿泥石英片 岩、 含磁铁绿泥片岩。另有以石英脉为主的脉体穿插 破坏矿体。 矿体内夹石岩性主要为绿泥片岩、 含铁绿泥片岩 及石英脉。主要分布于矿体顶部或底部， 矿体内夹石 层数多为1层， 个别矿体3层。多数夹石真厚度大于 1m， 可以剔除， 延伸较短， 对矿体完整性影响较小。 4矿床成因类型浅析 根据矿床的地质特征， 认为矿床成因类型为沉积 变质铁硅建造铁矿床。袁家村组变质原岩下部以含炭 质泥岩为主， 中间夹有数层分选性较好的席状砂体； 上 部为含铁建造。变质岩石组合为绢云绿泥片岩、 石英 片岩、 角闪片岩夹磁铁石英岩。由于区域中低温变质 作用， 岩石中片、 粒状矿物具有定向排列和拉长重结晶 作用， 加上后期混合岩化作用较为普遍， 造成的物质渗 透、 交代、 矿物重结晶等对矿体铁质的富集而使矿石相 对富化。因此， 进一步对原岩的岩相、 变质岩的变质 相、 混合岩化作用等研究， 对深入了解该区磁铁矿床赋 存规律大有益处。 参考文献 [1]山西省岚县草城铁矿普查地质报告[R].2015. （上接第126页） （2） 注浆效果明显， 整体堵水率达到98， 达到预 期效果， 降低了排水费用且保护了水资源； 同时建议陕 北浅埋煤层薄基岩地区巷道掘进时， 在保障施工安全 的前提下， 支护方式尽量避免选择锚索支护， 以免风化 基岩水通过锚索孔进入巷道。 参考文献 [1]李术才，张霄，张庆松，等.地下工程涌突水注浆止水浆液扩散 机制和封堵方法研究[J].岩石力学与工程学报，2011，3012 2377-2396. 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