滑动构造及隐伏断层地质下注浆堵水加固技术运用,地质工程论文

　　1 矿井地质及水文地质特征分析

　　1． 1 矿井地质
　　老君堂煤矿开采二叠系山西组二1煤层，煤层平均倾角 35°，由于受区域构造运动发育的影响，煤系地层位于全区滑动构造及其下断层与褶曲构造体中，属华北板块嵩箕构造区。井田内芦 F1滑动构造位于颖阳—芦店向斜东段，西起玉皇庙断层，经东瓦店断层东延至新密煤田，南北两侧滑动面翘出地表。

　　受其影响，井田内二1煤层顶板山西组地层多被滑动构造铲失，多为二叠系土门组、三叠系圈门组地层，砂岩所占比例较高，单层厚度较大，为 50 ～100 m，在井田中北部反倾伏于煤层之上。

　　1． 2 水文地质
　　由于区内三叠系地层广泛出露，补给面积大，井田内动态和静态水储量都非常大，煤系地层上部砂岩含水层富水性较强，是矿井顶板涌水的主要来源。

　　受芦 F1滑动构造的影响，矿井煤层底板隔水层产生了次级滑动构造，造成局部区域隔水层变薄，隔水强度降低，突水危险性增大。同时，由于断裂构造较发育，破坏了煤系地层的整体性和连续性，使无水力联系的含水层互相对接而发生水力联系，极易引起底板高水头岩溶水底鼓突水。

　　2 21081 下巷突水原因分析

　　21081 下巷为留窄小煤柱沿空掘巷，底板标高约94 m，右侧 2 m 外为采空区，巷道开挖后破碎圈较大，围岩冒落严重。当巷道掘进至275 m 处时，迎头后方1 ～ 3 m 巷道左帮发生突水，最大突水量为 220 m3/ h，经水质化验并结合矿井水文地质条件对突水原因进行分析，认为 21081 下巷存在一条隐伏断裂构造，底板完整性遭到破坏。随着矿井 21101 工作面的回采和21081 下巷的掘进，底板断面经历采空区周边剪切破坏，底板裂隙增多，并进一步活化了原采动裂隙，使之与新生裂隙导通，底板 L1 － 4灰岩溶裂隙沟通下部灰岩含水层，导致突水，并伴有少量顶板砂岩水。

　　3 注浆堵水加固技术

　　3． 1 注浆方案
　　利用斯列沙夫公式计算二1煤层底板安全隔水层厚度【1】
论文摘要
　　
　　式中，h 为安全隔水厚度，m; l 为采掘工作面底板最大宽度，70 m; r 为隔水层岩石容重，为 2. 626 t/m3;kp为隔水层岩石抗拉强度，为 107 t/m2; H 为隔水层底板承受的水头压力，t/m2。

　　根据矿井地质报告，21081 工作面二1煤层开采标高为 +50 ～－ 150 m，O2灰岩长观孔静止水位标高为 +132 m，附近 15001 孔 L1 － 4灰与二1煤底板的平均距离 28. 25 m。所以当开采深度到－ 150 m 水平时，式( 1) 中的 H =310. 25 m。

　　计算得出 21081 工作面二1煤层底板的安全隔水厚度为 59． 47 m。

　　由于受芦 F1滑动构造的影响，21081 工作面二1煤层底板距 L1 － 4灰隔水厚度平均仅为 28. 25 m，远小于计算出的安全隔水厚度，极易发生突水。

　　在注浆堵水过程中，由于隔水层厚度不够，如果采取动态高压注浆，容易在突水点附近诱发新的次级出水点，甚至把出水点逼至巷道右侧采空区，分散水量，给堵水带来更大的困难。分析后采取动静结合、变动为静的方法进行堵水，即用水泥浇灌，上部无缝钢管注浆，利用注浆泵的压力使出水点以下至L1 － 4灰顶部以上的隔水层裂隙充分充填，使该段隔水层成为一个整体。

　　3． 2 施工过程分析

　　3． 2． 1 导水
　　为防止突水点转移到右侧采空区，在掘进工作面后方17 m 处向左侧施工一条长度 10 m 的水平辅助巷道，然后向右侧转90°，与21081 工作面下巷平行掘进，最终施工层位为 L7 － 8灰岩。掘进12 m 后，找出突水通道，用1 根 203. 2 mm 无缝钢管插入突水孔洞，深度约1. 5 m，外端安装配套高压闸阀，上部用水泥砌实，将所有突水从导水管导出，高压闸阀保持常开状态。出水从引水管全部引出后，将辅助巷道和下巷迎头外23 m 全部用料石填实后并进行注浆充填，保证两巷没有空隙。导水管平面位置如图1 所示。【图1】
论文摘要
　　
　　3． 2． 2 打放水孔
　　在 21081 下巷停掘位置向下 33 m 上帮开口做一个二1煤层及底板 L8灰岩中钻场( 如图 2 所示) ，在下巷钻场内先打 1#放水孔，孔深 70 m，涌水量最大 120 m3/ h，经疏放后稳定在 100 m3/ h 左右; 随后打 3#放水孔，孔深 63. 8 m，水量最大达到 30 m3/ h，随后稳定在 10 m3/ h 左右，2 个钻孔终孔层位均在出水点下方 L1 － 4灰内，使上部出水点的水压全部释放出来，并把上部出水点水量大部上从钻孔引出，以达到注浆条件。【图2】
论文摘要

　　3． 2． 3 注浆堵水
　　从上部 203 mm 无缝钢管内注浆，利用注浆泵的压力使出水点以下到 L1 － 4灰段岩层裂隙用水泥充分充填，共计注进水泥46t，压力达到4. 5MPa时，基本上把出水点以上及顶板充实。然后在 21081 下副巷钻场设计 4 个底板注浆堵水钻孔。钻场内钻孔呈扇形布置，施工顺序为: 先注 1#放水孔和 3#放水孔，再施工 1#～ 4#验证钻孔。由于本区二1煤层顶板受芦 F1滑动构造影响，二1煤层直接顶底板岩石破碎，节理、裂隙发育，稍触即碎，给钻探施工带来了一定的困难。21081 下副巷水压约 2． 3 MPa，相对较大，因此要求采取多级套管的方法，先下入146 mm套管护住孔口不塌孔，然后再下入 108 mm 套管15 m，保证套管的承压能力。在下一级套管时采取跟管钻进的方法，下 108 m 套管采取人工和机械转动相结合的方法，保证了正常钻进。此次注浆堵水共施工底板孔 7 个，打钻进尺 309 m，透孔 8 次，注水泥 914 t，黄土 15 t。

　　3． 3 工程评价
　　按照标准对套管进行耐压试验，保证了工程质量。注浆终止压力不低于水压的 2. 5 倍，达到最大注浆量，最大范围内扩散充填岩溶裂隙通道，保证了钻孔的注浆质量。

　　对 L1 － 4灰注浆加固，切断了局部承压含水层的补给，阻断 L1 － 4灰含水层与 O2含水层的水力联系，降低深部承压水的威胁; 对 L1 － 4灰注浆改造，减弱了断层前局部 L1 － 4灰的富水性。结合物探资料分析，迎头前方60 m 范围内无低阻异常区，注浆加固效果良好，下副巷恢复掘进。

　　通过本次堵水注浆加固工程，21081 下副巷底板出水点完全堵住，矿井总涌水量下降 30%，缓解了矿井排水压力，为安全生产创造了条件。

　　4 结论

　　通过采取巷掘集水引出、打孔放压、自上往下注浆、变动为静的注浆方法，不仅解决了底板隔水层较薄、煤层顶底板强度低、破碎度较大、裂隙较多等不利条件下注浆堵水困难的问题，而且有效的控制了动水条件下注浆大量跑浆的现象，节约了注浆成本。该方法在郑煤集团尚属先例，对豫西煤田的“三软”煤层井下水害防治具有一定的指导意义。