底砾含水层特大突水灾害的封盖治理技术

1问题的提出

2001年11月24日，皖北煤电集团公司祁东煤矿东翼-420m水平试采3₂22倾斜长壁工作面，在推进48m时，发生了第四系底部砾石含水层1570m³/h特大突水淹井灾害，给国家和企业造成了巨大的经济损失。根据“四含”水文长观孔水位观测，突水后水温变化特点、水质化验资料和防水煤岩柱构成，分析出水水源为第四系底“四含”水；导水通道可能为采动裂隙沟通风化网络裂隙；或工作面中部存在有垂向导水裂缝带，使四含水下泻所致。

2工作面概况

首采的3₂22工作面位于一平二采区，起止标高为-420~-540m，长800m，宽150m。为倾斜条带综采工作面，煤岩柱高度63~73m。煤层厚度平均2.5m，平均倾角

10°左右。第四系松散层厚370m，其底界标高为-358m。3₂煤层直接顶为泥岩，厚度1.83 ～2.41m；老顶为砂岩，厚0.89～10.41m；底板岩性为粉细砂岩为主，厚度28.82m；底板岩性粉细砂岩，厚度约15m左右。

3突水灾害的封盖治理

3.1治理目标与技术难点

治理目标是要把“四含”水进入煤系地层和工作面的主要导水通道予以彻底封堵，消除隐患，保障安全生产。经分析认为上述导水通道大体有两种：一是“四含”与基岩直接接触部位的风化网络裂隙渗透补给通道；二是存在于上部基岩段中，不规则的垂向导水通道（包括构造裂等）及其与采动冒裂带的延伸与结合。其治理的主要技术难点是：

（1）如何正确分析判断突水来水通道的隐伏部位和如何通过少量钻孔进行有效、有控制的注浆封堵。

（2）如何正确确定冒裂带的上部边界和通过少量钻孔实现对采空区和冒裂带充分的充填灌注，并使固体的硬度达到最适宜的程度。

（3）如何尽可能扩大本次注浆的有效充填范围，并使各孔之间的“注入体”实现有效的连接和尽可能地向周边地区延展，以改善其相邻采区、工作面的生产条件，尽可能防止浆液的无效扩散。

（4）如何通过浆液配比的调控，使早期注入的浆体、中期注入的浆体以及晚期注入的浆体，通过加压脱水大体上达到同期凝结的目的，并使注浆压力和单位时间注入量等达到可随机调整、控制使每一次注浆的有效性和合理性得到提高。

（5）根据注浆的特点和专门要求，在注浆的配套设备和工艺、技术方面必须克服和解决以下难点；①粘土水泥浆的日造浆、注浆能力不小于300m³/d；②纯高稠度水泥浆的造浆能力不小于25m³/h，单孔最大注浆能力不小于800L/min，最小注入量不大于80L/min；整个造浆注浆系统具有连续配制浆液和能高压（20MPa）压注比重高达1.9的高稠度浆的能力。

3.2封水层厚度的计算

封水层由所投砂石子和其后注入水泥浆胶结形成的压浆混凝土构成，起到止水“加盖”的作用，必须有一定的厚度和强度才能阻隔上部“四含水”的涌入，见图1。



图1 3₂22工作面治理工程布置平剖面图

据推突水时的水压为4.6MPa，按抗剪强度校核其厚度B₂为：

B₂=DР/4[t] (1)

式中B₂——混凝土封水层的厚度；

D——封水层的直径；取30m；

Р——静水压力，MPa；

[t]——抗剪强度MPa，取200^#混凝土的1/5。

由上述校核公式算得B₂=8.7m。

3.3充填固结段注浆压力的计算与注浆材料的配方选择

采空区、冒裂带得到基本充填之后，必须经过“加压”、“脱水”而使已注入的粘土泥浆固结使之达到必要的强度和保持一定的“可塑性”。通过分析与反复试验，各孔的注浆压力Y为：

Y=ρ h+a (2)

Y——注浆压力，MPa;

ρ——浆液密度，kg/m³；

h——受注点深度，m；

a——孔口压力MPa，经反复试验取2.7～4.4MPa,见表1和表2。

充填固结段的堵水材料必须具有胶凝封水的特性和有一定的塑性，在地层岩移沿未稳定的条件下，胶凝后的浆液不致由于岩层的移动而受破坏，失去隔水性能，因此浆液在胶凝后仍应具有一定的塑性，能随着岩移的变形而变形，不破坏其隔水性能。经反复论证，决定选用粘土水泥复合浆液。这种浆液每立方米胶凝材料中粘土约占体积的80%，水泥约10%，其它为改性添加剂，浆液的成本较单纯的水泥浆液要低廉，是适合于大空间注浆使用的浆液。注浆工艺如图2。

表1 3₂22工作面突水灾害治理工程上部基岩封水注浆情况简表



表2 3₂22工作面采空区、冒裂带加压脱水注浆达标情况简表





图2注浆工艺系统图

4堵水质量评价

本项工程共注入粘土泥浆41717.4m³，各项技术指标均已达到《堵水设计》的要求，多个钻孔取芯检查和孔内水位（放水量）的检测证实，可以认定：治理已取得了成功。主要依据如下：

（1）3₂22工作面采出空间和闸内巷道的容积，以及由此引发的采动冒裂带可供导水、存水的总容积不足2万m³，而实际注入的浆液总量为4.17万m³，以最大的缩小、压实系数70%计算，其固化后的总体积至少应有3.0万m³，这从数量上表明，不仅上述储水导水空间可以得到充分的充填，而且还有足够的富余能力去充填基岩冒裂带以上的层间裂隙并向两侧岩体充填、扩散。

（2）各孔充填注浆的最终注浆压力、单位时间注入量和闭浆稳压时间等均已严格达到《堵水设计》的要求，而用升压的条件和过程明确、清楚。

5治理效果

祁东煤矿底砾含水层突水灾害堵水治理工程历时2个多月，共施工钻孔8个，采用静水注浆技术，底砾含水层和基岩风化带封盖堵水；采空区和冒裂带充填固结的治理思路，形成了纵横交错的注浆帷幕封堵盖，堵水率达100%，效果良好，不仅消除水害隐患，而且节省了排水开支，安全地撤出综采设备，保护了地下水资源，取得了良好的社会经济效益。