底礫含水層特大突水災(zāi)害的封蓋治理技術(shù)

1問(wèn)題的提出

2001年11月24日，皖北煤電集團(tuán)公司祁東煤礦東翼-420m水平試采3₂22傾斜長(zhǎng)壁工作面，在推進(jìn)48m時(shí)，發(fā)生了第四系底部礫石含水層1570m³/h特大突水淹井災(zāi)害，給國(guó)家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)“四含”水文長(zhǎng)觀孔水位觀測(cè)，突水后水溫變化特點(diǎn)、水質(zhì)化驗(yàn)資料和防水煤巖柱構(gòu)成，分析出水水源為第四系底“四含”水；導(dǎo)水通道可能為采動(dòng)裂隙溝通風(fēng)化網(wǎng)絡(luò)裂隙；或工作面中部存在有垂向?qū)芽p帶，使四含水下瀉所致。

2工作面概況

首采的3₂22工作面位于一平二采區(qū)，起止標(biāo)高為-420~-540m，長(zhǎng)800m，寬150m。為傾斜條帶綜采工作面，煤巖柱高度63~73m。煤層厚度平均2.5m，平均傾角

10°左右。第四系松散層厚370m，其底界標(biāo)高為-358m。3₂煤層直接頂為泥巖，厚度1.83 ～2.41m；老頂為砂巖，厚0.89～10.41m；底板巖性為粉細(xì)砂巖為主，厚度28.82m；底板巖性粉細(xì)砂巖，厚度約15m左右。

3突水災(zāi)害的封蓋治理

3.1治理目標(biāo)與技術(shù)難點(diǎn)

治理目標(biāo)是要把“四含”水進(jìn)入煤系地層和工作面的主要導(dǎo)水通道予以徹底封堵，消除隱患，保障安全生產(chǎn)。經(jīng)分析認(rèn)為上述導(dǎo)水通道大體有兩種：一是“四含”與基巖直接接觸部位的風(fēng)化網(wǎng)絡(luò)裂隙滲透補(bǔ)給通道；二是存在于上部基巖段中，不規(guī)則的垂向?qū)ǖ溃ò?gòu)造裂等）及其與采動(dòng)冒裂帶的延伸與結(jié)合。其治理的主要技術(shù)難點(diǎn)是：

（1）如何正確分析判斷突水來(lái)水通道的隱伏部位和如何通過(guò)少量鉆孔進(jìn)行有效、有控制的注漿封堵。

（2）如何正確確定冒裂帶的上部邊界和通過(guò)少量鉆孔實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)和冒裂帶充分的充填灌注，并使固體的硬度達(dá)到最適宜的程度。

（3）如何盡可能擴(kuò)大本次注漿的有效充填范圍，并使各孔之間的“注入體”實(shí)現(xiàn)有效的連接和盡可能地向周邊地區(qū)延展，以改善其相鄰采區(qū)、工作面的生產(chǎn)條件，盡可能防止?jié){液的無(wú)效擴(kuò)散。

（4）如何通過(guò)漿液配比的調(diào)控，使早期注入的漿體、中期注入的漿體以及晚期注入的漿體，通過(guò)加壓脫水大體上達(dá)到同期凝結(jié)的目的，并使注漿壓力和單位時(shí)間注入量等達(dá)到可隨機(jī)調(diào)整、控制使每一次注漿的有效性和合理性得到提高。

（5）根據(jù)注漿的特點(diǎn)和專(zhuān)門(mén)要求，在注漿的配套設(shè)備和工藝、技術(shù)方面必須克服和解決以下難點(diǎn)；①粘土水泥漿的日造漿、注漿能力不小于300m³/d；②純高稠度水泥漿的造漿能力不小于25m³/h，單孔最大注漿能力不小于800L/min，最小注入量不大于80L/min；整個(gè)造漿注漿系統(tǒng)具有連續(xù)配制漿液和能高壓（20MPa）壓注比重高達(dá)1.9的高稠度漿的能力。

3.2封水層厚度的計(jì)算

封水層由所投砂石子和其后注入水泥漿膠結(jié)形成的壓漿混凝土構(gòu)成，起到止水“加蓋”的作用，必須有一定的厚度和強(qiáng)度才能阻隔上部“四含水”的涌入，見(jiàn)圖1。



圖1 3₂22工作面治理工程布置平剖面圖

據(jù)推突水時(shí)的水壓為4.6MPa，按抗剪強(qiáng)度校核其厚度B₂為：

B₂=DР/4[t] (1)

式中B₂——混凝土封水層的厚度；

D——封水層的直徑；取30m；

Р——靜水壓力，MPa；

[t]——抗剪強(qiáng)度MPa，取200^#混凝土的1/5。

由上述校核公式算得B₂=8.7m。

3.3充填固結(jié)段注漿壓力的計(jì)算與注漿材料的配方選擇

采空區(qū)、冒裂帶得到基本充填之后，必須經(jīng)過(guò)“加壓”、“脫水”而使已注入的粘土泥漿固結(jié)使之達(dá)到必要的強(qiáng)度和保持一定的“可塑性”。通過(guò)分析與反復(fù)試驗(yàn)，各孔的注漿壓力Y為：

Y=ρ h+a (2)

Y——注漿壓力，MPa;

ρ——漿液密度，kg/m³；

h——受注點(diǎn)深度，m；

a——孔口壓力MPa，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)取2.7～4.4MPa,見(jiàn)表1和表2。

充填固結(jié)段的堵水材料必須具有膠凝封水的特性和有一定的塑性，在地層巖移沿未穩(wěn)定的條件下，膠凝后的漿液不致由于巖層的移動(dòng)而受破壞，失去隔水性能，因此漿液在膠凝后仍應(yīng)具有一定的塑性，能隨著巖移的變形而變形，不破壞其隔水性能。經(jīng)反復(fù)論證，決定選用粘土水泥復(fù)合漿液。這種漿液每立方米膠凝材料中粘土約占體積的80%，水泥約10%，其它為改性添加劑，漿液的成本較單純的水泥漿液要低廉，是適合于大空間注漿使用的漿液。注漿工藝如圖2。

表1 3₂22工作面突水災(zāi)害治理工程上部基巖封水注漿情況簡(jiǎn)表



表2 3₂22工作面采空區(qū)、冒裂帶加壓脫水注漿達(dá)標(biāo)情況簡(jiǎn)表





圖2注漿工藝系統(tǒng)圖

4堵水質(zhì)量評(píng)價(jià)

本項(xiàng)工程共注入粘土泥漿41717.4m³，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到《堵水設(shè)計(jì)》的要求，多個(gè)鉆孔取芯檢查和孔內(nèi)水位（放水量）的檢測(cè)證實(shí)，可以認(rèn)定：治理已取得了成功。主要依據(jù)如下：

（1）3₂22工作面采出空間和閘內(nèi)巷道的容積，以及由此引發(fā)的采動(dòng)冒裂帶可供導(dǎo)水、存水的總?cè)莘e不足2萬(wàn)m³，而實(shí)際注入的漿液總量為4.17萬(wàn)m³，以最大的縮小、壓實(shí)系數(shù)70%計(jì)算，其固化后的總體積至少應(yīng)有3.0萬(wàn)m³，這從數(shù)量上表明，不僅上述儲(chǔ)水導(dǎo)水空間可以得到充分的充填，而且還有足夠的富余能力去充填基巖冒裂帶以上的層間裂隙并向兩側(cè)巖體充填、擴(kuò)散。

（2）各孔充填注漿的最終注漿壓力、單位時(shí)間注入量和閉漿穩(wěn)壓時(shí)間等均已嚴(yán)格達(dá)到《堵水設(shè)計(jì)》的要求，而用升壓的條件和過(guò)程明確、清楚。

5治理效果

祁東煤礦底礫含水層突水災(zāi)害堵水治理工程歷時(shí)2個(gè)多月，共施工鉆孔8個(gè)，采用靜水注漿技術(shù)，底礫含水層和基巖風(fēng)化帶封蓋堵水；采空區(qū)和冒裂帶充填固結(jié)的治理思路，形成了縱橫交錯(cuò)的注漿帷幕封堵蓋，堵水率達(dá)100%，效果良好，不僅消除水害隱患，而且節(jié)省了排水開(kāi)支，安全地撤出綜采設(shè)備，保護(hù)了地下水資源，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。