煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的应用

摘 要：文章根据焦作矿区水文地质条件极其复杂、突水频繁、水害威胁严重的实际情况分析了煤层底板含水层注浆改造的必要性和可行性，阐述了实施煤层底板含水层注浆改造技术的基本内容及工程应用实践，取得显著经济效益和社会安全效益。
关键词：煤层底板；含水层；注浆改造；注浆材料
1 概 况
1．1 矿区概况
焦作矿区位于河南省西北部太行山南麓，为掩盖式石炭二叠纪煤田，北依太行山，东至修武、辉县，南抵武陟县，西达博爱县。东西走向长65km，南北倾斜宽20km，矿区总面积约1300km²。矿区主采煤层为山西组二，煤，煤层总厚6～9 m，埋深100～1000m，为优质无烟煤，地质储量28．5亿t。矿区现有8处生产矿井，生产能力350万t/a。
1．2 矿区地质构造
焦作煤田位于太行山复背斜东南翼，处于东西向构造段新华夏系构造的复合部位，区内广泛分布着燕山期以来新生成的各种构造形迹，以多期活动的高角度正断层为主，褶皱构造表现微弱，断裂构造按其展布方向可分为NW向、NE向和近EW向三组，近EW向张性断层和NE向压扭性断层控制着地下水的补给、径流和排泄。
1．3 矿区主要含水层情况
矿区发育有四个含水层(组)，自上而下分别是第四系(Q)砂砾石含水层；二叠系(P1)砂岩裂隙含水层；石炭系(C3)薄层灰岩岩溶含水层；奥陶系(02)巨厚层灰岩岩溶含水层，其中后两个含水层(组)对矿井安全生产威胁最大。石炭系(C3)薄层灰岩岩溶含水层主要有八层灰岩含水层(L8)和二层灰岩含水层(L2)，八层石灰岩层厚6一10 m，上距二煤层18～40m，一般20m，该含水层含水性较强，是二，煤层的直接充水水源，矿区曾经发生近千次八层灰岩突水，最大突水量达6300m³／h。该含水层一旦通过构造、矿压破坏等形式与“二灰”、“奥灰”沟通，常会造成淹没采区及矿井的灾害性突水事故，是矿井开采过程中重点治理对象。二层石灰岩层厚8～12m，上距二，煤层70m，下距“奥灰”顶面一般20m，该含水层岩溶裂隙发育，富水性强，水位变化基本与奥灰水位同步，是上覆各含水层的补给水源。当巷道与其接近或通过破碎带与之相通时，将可能造成突水淹井的毁灭性灾害。奥陶系灰岩含水层(02)为煤系地层之基底，厚400m，岩溶裂隙十分发育，富水性强，在太行山区直接接受大气降水及地表水的大量补给，然后转为地下径流，向东南运移进入矿区深部，成为焦作矿区各含水层间接的强大补给水源。
1．4 矿区水害威胁状况
焦作矿区是全国著名的大水矿区，历史上曾发生多次突水事故，截止2003年底集团公司所属矿井共发生60m3／h以上突水600余次，最大一次突水量为19200m³/h，因突水造成淹井17次，淹采区14次，造成的直接经济损失达3亿元之多，少出煤炭近千万吨，生产矿井的正常涌水量最高达30000m³／h以上。
如此巨大的矿井涌水量，加上频繁的突水，迫使工作面不得不进行改造，使得煤炭生产难以正常进行，无法使用综采等先进采煤工艺来提高矿井生产能力。
2 煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的必要性
2．1 水害压煤
焦作矿区所属各生产矿井均为水文地质条件复杂矿井，主要充水水源为二煤层底板石炭系太原组薄层灰岩岩溶裂隙水。随着开采水平的不断延深和开采范围的不断扩大，水压逐渐升高，水文地质条件变得愈来愈复杂，突水威胁愈加严重，矿区受水严重威胁储量高达14．5亿t。如不采取有效措施解决水患威胁，将导致矿区可采储量减少，矿区年产量逐年下降，直接影响到矿区的长远发展。
2．2 矿井经常性涌水量过大
焦作矿区每采一吨煤要排50～60t水，是全国平均水平的5～6倍，仅排水费用每年就高达6000余万元，吨煤排水费用占吨煤成本20％，造成企业经济效益低下。也造成排水泵房设备老化，矿井抗灾能力大大降低。
2．3 突水频繁突水量大
焦作矿区突水之频繁，突水量之大，经济损失之惊人，都达到了极其严重的程度。近几年来，随着矿井开采水平的不断延深，水文地质条件变得愈加复杂，虽然开展了八层灰岩含水层疏水降压等多项综合防治水工作，但对一些水文地质条件复杂含水层富水性强的地区效果不明显，而且巨额的排水费用矿井也难以接受。
综上所述，在焦作矿区应用煤层底板含水层注浆改造这一新技术不仅是十分必要的，也是十分迫切的。
3 煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的可行性
煤层底板含水层注浆改造技术就是沿工作面下顺槽大面积布置注浆钻孔，通过注浆钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而大大减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层被改造为不含水或弱含水层，同时亦增强了煤层底板隔水层的强度，实现工作面不突水开采。
3．1 泣浆开采有成熟的技术和成功的经验
注浆改造含水层进行开采源于1984年，经过20年来的发展，经历了地面打孔、地面注浆和井下打孔、井下注浆两个发展阶段后，现已实现了井下大面积打孔地面连续注浆的新工艺，已经积累了成熟的注浆改造技术和丰富的经验。
3．2 各矿井水文地质条件已经查明，有利于注浆改造技术的实施
国家级工业性试验项目《华北型煤田奥灰岩深水综合防治工业性试验》，历经“七五”、“八五”两期工业性试验阶段，通过钻探、物探等多种探测手段，焦作矿区各矿井水文地质条件已经基本查明，为防治水工作奠定了基础。
3．3 新型注浆材料确保了注浆改造开采既可行又经济
随着注浆技术的发展，注浆材料也经历了从单液水泥浆到水泥、粘土、水玻璃等多元材料的发展过程，水泥粘土浆不但注浆成本低，材料来源广，而且浆液流动性好，充填效果佳，改造质量高，确保经济可行。
3．4 新型物探手段有助于注浆改造技术成功应用
直流电流物探等新型物探手段在焦作矿区已经推广应用多年，通过对数十个工作面进行探测，证实对探测L8灰岩富水带和岩溶发育带比较准确。通过物探技术探测，一方面可以了解底板含水层裂隙分布情况，确定富水地段，指导注浆孔的合理布置，另一方面为检验注浆效果提供了探测手段，有利于注浆改造技术的应用。
通过以上的综合分析，我们认为在焦作矿区实施煤层底板注浆改造含水层技术是可行性，可以解决长期以来被动防水的难题。
4 煤层底板注浆改造技术的主要内容
煤层底板注浆改造工程主要包括地面造浆站、井下工作面打注浆钻孔、井下连续注浆等工程。
地面造浆站由储土棚、粗浆池、精浆池、一搅池、二搅池、注浆棚、清水池等设施组成。主要设备有制浆机、搅拌机、杂污泵、泥浆泵、空压机等。根据浆液的扩散半径以及16灰岩含水层的富水性，在工作面下顺槽每隔一定距离施工一个钻窝，每个钻窝内施工3～4个注浆钻孔，具体参数根据被改造含水层具体水文地质条件确定。注浆钻孔要分三个序次施工，全部注浆结束后，视钻孔涌水量和进浆情况确定补打检验孔。制好的粘土水泥浆由泥浆泵→输浆钻孔→输浆管路→注浆钻孔→含水层。注浆压力一般为水压的2～3，倍，浆液扩散范围较大，注浆后可封堵含水到煤层的导水裂隙，加固煤层底板隔水层；也可改变L8灰岩富水性，变强含水层为弱含水层或隔水层，同时亦可切断底板L8含水层与L2灰岩及O2灰岩含水层的水力联系，从而达到安全开采之目的。
5 煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的效果
5．1 九里山矿14041等工作面
九里山矿西翼采区水文地质条件极为复杂，一四采区首采面14021在开采中曾发生两次突水，水量分别为840m³／h和360m³／h，造成工作面停产。通过实施该技术，不仅没有发生突水而且由于浆液大范围扩散充填了水源补给通道，封堵了14021工作面老突水点水量360m³／h，一二采区涌水量也减少600m³／h，仅此一项每年就可节约排水费用320万元，取得了显著的经济效益，又相对增强了井底泵房的抗灾能力，对矿井安全生产起到了重要作用。
继14041工作面进行了煤层底板含水层注浆改造实现了开采不突水后，为了推进高产高效矿井的建设，2001年集团公司决定在14061工作面进行首个综采试验。通过应用该技术保证了第一个综采工作面的顺利回采，并安全采出煤炭53万t。而
14051综采工作面实施了煤层底板含水层注浆改造，也安全采出煤炭38万t，该矿2003年矿井产量首次达产，突破100万t。
5.2 演马庄矿25081工作面
演马庄矿25081工作面下风道位于一条H＝5m的断层附近，通过物探手段探测显示为低阻带，极有底板突水可能。因此对25081工作面也实施了该技术，重点对下风道和断层之间的破碎带进行加固。回采期间也未发生大的突水，安全采出煤炭20万t。
该技术在九里山矿和演马庄矿成功应用后，又相继在朱村矿、韩王矿和古汉山矿等三对矿井进行了推广应用；截至目前已安全采出煤炭240余万t，不仅避免了大的突水事故的发生，并且实现了综采，为集团公司高产高效矿井的建设打下了良好的基础。与此同时，九里山矿等五对矿井利用底板含水层注浆改造系统封堵了井下多处突水点，减少矿井涌水量3000m³／h，年节约排水费用l275万元，取得了显著的经济效益和社会效益，对大水矿区的水害治理具有重要的技术指导作用。
6 结 论
通过煤层底板含水层改造技术在焦作矿区的成功应用，我们认为该技术是解决底板突水威胁的有效途径之一，能够消除重大突水隐患，实现矿井安全生产；有利于提高煤炭资源回收率；缓解矿井水平接替紧张局面；增加产量，降低成本；为集团公司高产高效矿井的建设创造良好条件，具有明显的经济效益和社会效益，可在河南省及华北地区大水矿区推广应用。