马兰煤矿主斜井底水仓底板加固防治水方法_郭盛彬.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY close spacing; floor water inrush; grouting reinforcement; reinforced concrete cover 我国华北型煤田在开采石炭系太原组煤层时主 要的水害隐患是底板岩溶承压水， 注浆加固是目前降 低底板岩溶含水层水害威胁常用方法之一。 注浆加固 是利用地面或井下钻孔把水泥和化学浆液注入相对 隔水层内并使之扩散， 从而达到封堵出水通道和加固 隔水层的目的。 自 20 世纪 80 年代以来， 国内外学者 对把注浆加固用于煤矿防治水之中做了大量的研究 和实践。苗永新等[1]对井下盘区水仓底板的注浆加固 技术做了大量的理论研究和实践。许延春等[2]综合分 析了焦作矿区 8 起注浆加固工作面的突水案例， 总结 了注浆加固突水影响因素。田成东等[3]结合相对隔水 层分布和底板含水层富水性分区， 分析确定了掘进工 作面底板注浆加固技术的层位和改造厚度等参数。 但 对于底板隔水层很薄， 且含水层富水性好的奥灰岩溶 含水层， 如何进行注浆加固才能取得安全理想的效果 尚需进一步研究。 笔者以山西太原古交矿区马兰煤矿 为例， 在水仓底板岩石变形特征数值模拟分析的基础 上， 探索出一种适合于近间距、 强富水奥灰含水层的 新型注浆加固方法， 并运用此方法对水仓底板成功进 行了注浆加固。 1 主斜井底疏水降压水仓工程概况 太原古交矿区马兰煤矿属于典型的华北型煤 田，为了便于太原组最下一层煤的开采运输，马兰 ChaoXing 第 1 期 郭盛彬等 马兰煤矿主斜井底水仓底板加固防治水方法 91 矿主斜井落底于奥陶系峰峰组， 井底标高 837.74 m， 此处奥灰顶面标高约 870.13 m，主斜井底进入奥灰 深度约 32.39 m。此处峰峰组富水性好，为了疏水降 压保证主斜井底安全，在井底峰峰组岩层内布置了 疏水降压水仓。其设计充分利用了华北地区奥陶系 顶界面向下 30～50 m 内普遍存在的隔水关键层[4-5] 作为疏水降压水仓底板。据井田内水文孔资料，主 斜井底附近峰峰组水位标高约 900 m，水仓底板标 高 830.59 m，底板带压约 0.71 MPa。根据水仓内疏 水降压孔资料表 1， 钻孔在水仓底板垂直向下钻进 4.17 m 即大量出水，此处隔水层厚度非常薄，含水 层水量丰富。随着时间的推移，水仓底板在水压和 矿压的共同作用下已出现底鼓变形，且新出现了两 条裂隙出水量约 2 m3/h，为了防止奥灰的滞后突 水，保证马兰矿安全生产，决定对水仓底板进行堵 水加固。 表 1 中央水仓底板疏水降压孔一览表 Table 1 The central water warehouse floor of hydrophobic and depressurization drilling 孔号 孔口标高/m 倾角/ 钻孔垂深/m 孔径/mm 出水量/m3h-1 孔口压力/MPa 补2 830.59 35 40.96 113 100 0.66 补3 830.59 35 52.02 113 176 0.72 补4 830.59 50 4.17 150 500 因水量大后封堵 补5 830.59 50 32.46 113 60 0.68 2 矿井水文地质条件分析 马兰矿地处西山煤田古交矿区。地势西南高东 北低，井田总体上为一向北东突起的弧形地下水流 场。井田西北部、西部及西南部碳酸盐岩裸露区为 岩溶水提供了接受大气降水补给的条件，岩溶水由 西、西北向东、东南流动，为晋祠岩溶水系统的径 流带。 奥陶系灰岩为煤层底板最主要的充水含水层。 奥陶系峰峰组分为上、下两段。下段为角砾状泥灰 岩、灰岩及石膏，由于泥质含量高，岩溶裂隙不发 育；上段主要由石灰岩、泥灰岩组成，裂隙充填泥 土较多，影响岩溶发育，由于所处位置不同，受影 响的程度也不同，因此使得其富水性差异较大。井 田内峰峰组水位标高 880～920 m，单位涌水量 0.005～2.388 L/sm，渗透系数 0.002 4～3.32 m/d，水 质类型大都为 SO4CaMg 型。 3 水仓底板岩石变形机理 运用 FLAC3D数值模拟软件，以水仓为研究对 象，对底板有水和无水两种条件下水仓围岩垂直应 力分布进行数值模拟分析，并对灰岩底板变形机理 进行研究。图 1 为底板无水条件下水仓开挖前后数 值模拟图，图 2 为有水作用下水仓开挖前后数值模 拟图[1]。 图 1 无水条件下水仓开挖前后数值模拟结果 Fig.1 Numerical simulation results before and after water-free excavation of water sump ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 2 有水作用下水仓开挖前后数值模拟结果 Fig.2 Numerical simulation results before and after excavation of water sump when there existed water action 综合分析图 1 和图 2 得出①在底板无水影响 条件下，开挖前期与后期垂直应力的大小与分布变 化不大， 后期与前期比较垂直应力仅增加 0.32 MPa， 后期垂直应力集中在水仓底脚位置，未向围岩深部 扩展，后期水仓底板最大变形稳定在 21 mm。②底 板有水情况下加之水压力的共同作用，开挖后期与 前期相比垂直应力增加了近 1 倍，同时其向围岩深 部发展。底板应力较无水条件下发生了很大变化， 此时其承受的拉应力大于底板灰岩的抗拉强度，将 产生底鼓，底鼓量约 310 mm，且随着时间的延长其 后期形变持续增大。 因此，水仓底板灰岩产生底鼓的机理是在底 板奥灰承压水压力和矿压的共同作用下，水仓开挖 初期最大垂直应力分布在底板两底角，底板所受拉 应力小于灰岩的抗拉强度，初期出现的变形很小。 后期经水流长期浸泡，强度明显降低，致使岩石承 载垂直应力的能力下降，垂直应力逐渐向围岩深部 发展，当拉应力超过岩石的抗拉强度时，深部灰岩 发生破坏而出现裂隙，水通过裂隙进入岩石内部导 致其强度进一步降低并发生破坏，随后垂直应力继 续向深部扩展，并最终导致底板岩石发生持续性底 鼓，并与含水层沟通，发生突水。 4 注浆加固方案及注浆效果分析 4.1 传统注浆方案之不足 水仓底板长 12 m，宽 3.65 m，整体在奥陶系灰 岩顶部隔水层内，由于其距峰峰组含水层垂直距离 仅 4.17 m，距离近，水量大，且底板已出现裂隙裂 隙长约 1.5 m，宽约 2 cm并有持续出水现象，水质 化验结果其水源为奥陶系灰岩水。 传统注浆加固方 案主要是把水泥和化学浆等物质注入底板隔水层 中[7-8]，以实现对底板的堵水加固。本次底板加固初 期也曾采用同样的方法对水仓底板产生的两条裂隙 进行封堵。经过两次注浆后底板仍有两个出水点无 法封堵，出水量约 1 m3/h。 分析其原因是因为水泥虽然强度高，但析水率 大，凝固后伴有干缩现象，在孔四周产生了张应力， 对裂隙产生一定的拉张作用。加之此处含水层水量 大，隔水层很薄，注浆孔深度和压力均有限，造成 浆液在扩散上受到影响，对含水层不能起到很好的 封闭作用，注浆加固效果不理想。 4.2 注浆方案 针对距离含水层近、水压高、水量丰富等实际 情况，在前文模拟研究得出的底板破坏机理的基础 上，研究制定了如下注浆加固方案，①首先在水仓 底板上加 0.6 m 厚的钢筋混凝土盖层，一方面平衡 了底板的垂直应力，另一方面由于钢筋插入四周围 岩中增加了与围岩的整体性，使底板更加稳固，同 时钢筋混凝土盖也对浆液起到封闭作用，为下一步 的钻孔注浆创造了良好条件。②第二步是打钻孔注 浆加固，钻孔注浆采用浅孔低压注浆与深孔高压注 浆相结合。 4.2.1 水仓底板上加 0.6 m 厚钢筋混凝土盖层 先清理水仓全部沉积垃圾，露出坚硬的底板。 在底板上用钢筋及 C30 混凝土做 0.6 m 盖层，钢筋 用ϕ14 mm 螺纹钢，编织成 250 mm250 mm 网状， ChaoXing 第 1 期 郭盛彬等 马兰煤矿主斜井底水仓底板加固防治水方法 93 共分 3 层先铺设在水仓底板上图 3。 第一层钢筋网 距水仓底 15 cm，第二层与第一层间距 15 cm，第三 层与第二层间距也为 15 cm。第一、二、三层网编 制成整体后，用电钻向两侧洞壁打入深 250 mm，孔 径 30 mm 的孔洞，用ϕ20 mm 的螺纹钢与第三层网 相连做加强筋，插入洞壁上钻孔内，加强筋间距 1.5 m图 4。将直径ϕ60 mm，长 0.7 m 的 PVC 短管按 照注浆孔位置提前预埋防止施工注浆钻孔打到钢 筋上，然后用 C30 混凝土进行灌入，本次用 C30 混凝土 25 m3， 然后用风动振动泵进行振动， 等待凝 固周期且要留凝固样品 3 个进行测试检验，确保其 工程参数符合要求。 图 3 钢筋网编织结构图单位m Fig.3 Steel fabric weave structure 4.2.2 浅孔低压注浆及深孔高压注浆 考虑到隔水层厚度仅 4.17 m，施工注浆孔深有 限，不能打穿隔水层。综合注浆压力与扩散半径， 遂采用低高压交替注浆充填方式[7]。低压浅孔设计孔 深 2 m，注浆压力 1.5 MPa，高压深孔设计孔深 3 m， 注浆压力 3.0 MPa。深孔高压注浆使浆液扩散范围 变大，对裂隙起到更好的封堵作用，但是较高的注 浆压力对原本较薄的隔水层存在压裂的危险，两者 是相互矛盾的。所以本次注浆加固方案在传统方法 的基础上创新设计了钢筋混凝土盖层，其为浅孔封 堵浅部裂隙和深孔高压注浆创造了条件。 图 4 加强筋网与四周围岩连接平面结构图单位m Fig.4 Steel mesh and the surrounding rock around connected planar structure 综合考虑水仓底板空间和两条导水裂隙，2 m 深 注浆孔共设计 18 个， 3 m 深注浆孔共设计 28 个图 5。 每个孔下入ϕ5 mm 壁厚 4.5 mm 镀锌管 1.5 m， 底板上 端露出 0.1 m，每个管上端带 1 吋球阀，注入标号 425 的水泥浆液水、灰、水玻璃比为 1﹕0.5﹕0.002[9-10]。 注浆从水仓中部开始逐渐向外注， 共消耗水泥 14.25 t， 其中 2 m 深孔用 4.1 t，3 m 深孔用 10.15 t。 图 5 水仓底板注浆加固钻孔平面位置图 Fig.5 Water warehouse floor grouting strengthening drilling plane location map 4.3 注浆效果检验 注浆加固前水仓底板两条导水裂隙涌水量为1 m3/h， 注浆加固后现水仓底板已无涌水。通过施工水仓底 板检验孔，未发现底板隔水层内有水存在。施工 5 个月以来，加固的水仓底板无变形，整体稳定良好。 5 结 论 a. 煤矿建设生产在井下应避免揭露奥陶系灰 岩含水层，以前工程有揭露的，为防止奥灰含水层 滞后突水，应采取措施进行封堵加固。 b. 水仓底板灰岩的破坏机理是其在矿压和水压 的共同作用下，经水流长期溶蚀，强度降低。当拉应 力超过岩石的抗拉强度时，深部岩石发生破坏而出现 裂隙，水通过裂隙进入岩石内部导致其强度进一步降 低并发生破坏，随后垂直应力继续向深部扩展，并最 终导致岩石发生持续性底鼓破坏。 c. 由垂直应力分布图并结合水仓底板裂隙实 际发育情况说明，来压期间，应力比较集中的部位， 底板破坏较大，是突水的高发区域。 d. 马兰矿在距离含水层近、水压高、水量大的 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 45 卷 条件下进行水仓底板注浆加固，探索出一种新型注 浆加固方法，并应用于实践，取得了良好效果，为 类似水文地质条件的矿井提供了借鉴。 e. 注浆采用低高压交替注浆充填方式，低压浅 孔与高压深孔联合布置，浅部孔起到充填浅部裂隙 的作用，为深部孔高压注浆创造了良好的条件。 参考文献 [1] 苗永新，李吉昌，张兴文，等. 井下盘区水仓膨胀性泥岩底板 注浆加固技术[J]. 煤炭科学技术，2014，421251-53. 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