防治水补充——底板注浆加固

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1、第十一章 煤层底板注浆加固技术第一节 概 述在我国华北及华东地区，二叠纪下统山西 的二1煤普遍发育，煤层赋存稳定，厚度大，储 量丰富，煤质好，经济价值高，开采条件好， 是许多矿区的主要开采煤层之一。但是煤下部 地层水文地质条件比较复杂，赋存有几个含水 性很强的灰岩岩溶含水层，主要是太原组810 层薄层灰岩含水层、奥陶系灰岩含水层、寒武 系白云质灰岩含水层。太原组薄层灰岩分上、 下两段含水层，上段是L78灰岩，下段为L14灰 岩。 其中，L78灰岩水是开采二1煤的直接充水水 源，岩溶裂隙发育，含水丰富，如果没有其他水 源补充，L78灰岩突水量一般在300m3/h左右。 L14灰岩中间夹有一1、一

2、2、一3、一4四个薄煤层 ，煤层和灰岩顶板直接接触。几层灰岩厚度相对 较大，岩溶裂隙发育，含水丰富，是开采二1 煤 的第一间接充水水源。如果与L78灰岩之间有水 力联系，可以直接补充L78水，突水量一般在 5001000m3/h之间。奥陶系灰岩厚度大，溶隙 、溶槽、溶洞发育，富水性强，是开采二1煤的 第二间接充水水源。一旦遇到断裂构造，与L14 灰岩、L78灰岩及二1煤层之间发生水力联系，突 水量可高达100010000m3/h。 由于灰岩水的补给属侧向补给，补给范围很 广，所以二1煤底板水属于动储量，一旦发生突 水，水量大、水压高，难以疏排，轻者给煤矿造 成经济损失，重者造成重大的人身伤亡事

3、故。寒 武系白云质灰岩含水层的含水性比奥陶系灰岩含 水层的含水性相对较弱，岩溶发育极不均匀，以 溶洞水为主。华北部分地区缺失奥陶系地层，寒 武系白云质灰岩直接与本溪群、太原群地层呈不 整合接触，开采过程中偶尔发生溶洞突水，突水 量最高达30000m3/h。在二1煤层与几个含水层之间有几个良好的隔水层，发挥了很好的隔水作用。其一是二1煤底 板至太原组灰岩之间的海相泥岩和砂质泥岩隔水 层，岩性致密均匀，隔水性能好，在华北和华东 地区普遍发育。其二是太原组中段的砂质泥岩隔 水层，它起到了阻隔L14灰岩与L78灰岩之间水力联系的作用。其三是本溪组地层，主要是铝土 质泥岩、砂质泥岩、泥岩，夹有煤线和黄铁

4、矿、 赤铁矿薄层，如果本溪组地层较厚，可有效阻隔 奥陶系与L14灰岩之间的水力联系。 人们希望3个良好的隔水层能有效地阻隔二1 煤底板突水，但这仅是个美好的愿望，在煤矿生 产建设过程中，二1煤底板突水事故不断发生， 尤其是采煤工作面底板突水及工作面后方采空区 底板滞后突水，水量大、水压高，轻者淹没工作 面，重者淹没整个采区，给矿井安全生产带来很 大影响。近年来，采煤工作面底板突水事故呈上 升趋势，究其原因有以下几点: 有些地区二1煤底板海相泥岩地层太薄，其强度 不足以抵抗含水层的突水压力。 采煤工作面前后方受矿山支承压力影响，煤层底板受 矿山压力强烈扰动，破坏了底板隔水层的完整性，降低 其强度

5、，弱化其水性能。 煤层底板岩层中存在裂隙、溶隙、断层、陷落柱等， 沟通了含水层与二1煤层之间的水力联系。 随着近几年煤矿开采强度不断增大，开采深度越来越 大，开采过程申承担的水压越来越高，突水的概率增高 ，突水量也相对增大。 一些矿区开采二1煤的方法不正确，巷道布置不合理， 回采工艺不对路，不利于底板水的防治。 水文地质工作不到位，防治水措施不得力,没有认真贯 彻执行“预测预报、有疑必探、 先探后掘、先治后采”的防治水方针。 防治水安全投入不够，矿井排水能力不足，防治水工 程不完善。针对二1煤采煤工作面及其后方采空区底板突 水问题，煤炭企业、科研院所和大专院校科研人 员进行了艰苦的探索。 由于

6、注浆加固底板技术充分体现了“预测预 报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水 方针，有效地控制了底板突水事故的发生，降低 了矿井排水量，目前许多矿区已经把注浆加固煤 层底板作为矿井防治水的必备措施之一，随着开 采深度的增加，这一技术有着广泛的推广应用前 景。 第二节 注浆加固层位的确定为了保证注浆加固煤层底板的防治水效果， 必须首先确定需加固的层位。如果加固层位距离 煤层太近，在注浆过程中可能会出现大量跑浆， 浪费注浆材料，达不到加固的目的;如果加固层 位距离煤层太远，钻孔工程量大，技术经济不合 理;如果加固层位太薄，加固后其强度仍然不足 以抵抗水的压力;如果加固层位太厚，可能会消 耗更多的

7、注浆材料，费工费时，影响回采进度。 合理的加固层位应该有如下规定:（1）岩层厚度应大于由于矿山压力向底板传播所 形成的破碎带厚度。 （2）加固地层可注性强，浆液可在地层中大面积 扩散，在高压注浆条件下不跑浆，浆液利用率高 。 （3）加固以后可有效改变底板岩层的物理力学性 质，提高其强度和隔水性能，有效防止突水。 （4）在井下布置钻场方便，辅助工程量小，注浆 钻孔钻迸工程量小。 一、回采引起底板岩层形成破碎带厚度的确定目前采用的方法有理论计算法、巷道观测法 、钻孔透视法、钻孔电视法等。 (一)理论计算法利用矿山压力在底板中的传播理论，计算底 板受回采影响带的厚度。目前我国在矿山压力及 其控制的研

8、究方面处于国际领先水平，理论系统 完善，可操作性强。关于回采引起煤层顶、底板 破坏的研究成果已经成熟，并己经过大量的实践 证明。确定底板注浆加固层位可以利用矿山压力 在底板中的传播范围和传播强度的计算公式计算 出底板破碎带的厚度。计时要注意各种参数的选 取，如岩石的容重、弹性模量、变形模量、泊松 比、单向抗压强度、单抗拉强度等，如果这些参 数选取合适，计算结果则是正确的，参数选取不 当，计算结果显然正确。为了安全起见，理论数 值计算出来后，往往要取1.21.4的系数。(二)巷道观测为了比较直观地了解回采引起的煤层底板破 坏的全部过程和最终状况，可以在合适的位置向 底板开掘专门巷道或利用已有的巷

9、道进行直接观 测，从而确定底板注浆加固层位。在回采工作开 始之前，向煤层底板开掘一条专门的观测巷道， 在巷道内设置观测点和观测仪器，对回采引起的 底板岩层移动、变形和破坏的全过程及最终状况 直接地用仪器测量。采用这种方法能够获得比较 真实可靠的第一手材料，但影响观测效果的因素 很多，如观测仪器的精度和可靠性、观测人员的 素质和责任心、数据分析处理方法等。还必须注 意，向底板岩层开掘巷道要慎重，必须采取有效 措施防止底板突水。如果有条件，最好利用现成 的生产巷进行观测，也同样能收到良好的效果。(三)钻孔透视法钻孔透视法的实质是在合适的位置向煤层底板打两 个钻孔，一个孔内放置无线电发射机，另一个孔

10、内放置 接收机。无线电波在不同介质中或在受破坏的均质体中 传播时受到不程度的衰减，衰减的大小决定于介质的电 阻率。当岩层中构造、裂隙、溶洞或有用矿体等质异常 体与周围岩层的电阻率有明显差异时，无线电波穿透这 些低电阻的异常体时就易于衰减。根据这种原理，可测 试和分辨岩层受采动破坏的界面，从而确定注浆加固层 位。实践证明，这种方法是可行的。(四)钻孔电视法钻孔电视法的实质是在钻孔中悬挂探头(电视摄像部 分)作360o旋转，观测孔壁受采动破 坏情况，并直接由 电缆传送到架在钻孔上部的接受屏幕上。实际应用中常 对分界面上、下5m处进行钻孔电视重点观测，其他位 置作一般观测。观测的内容主要是由于采动引

11、起的石裂 缝的位置、大小、条数和方向等。二、注浆加固底板层位的确定（一）加固二1煤底板海相泥岩 二1煤底板海相泥岩底与太原组地层呈整合接触，是 注浆加固煤层底板的首选层位。选择这一层位需要考虑以下几个方面的因素: 1二1煤底板海相泥岩的厚度通过理论计算和大量的矿压观测数据证明，回采期 间矿山支承压力对煤层底板的强扰动深度一般为 2030m。因此，海相泥岩厚度大于30m时才能选择加 固这一层位，否则即使海相泥岩得到了充分加固，也不 能实现阻止底板突水的效果。我国华东地区 二1 煤板海 相泥岩厚度一般大于40m，可以选择直接加固这一层位 。例如，肥城、永城矿区加固“相泥岩单孔注浆量一般 在3005

12、00m3，个别达到3000m3,浆液利用率较高，取 得了良好的加固效果。如果二1煤底板海相泥岩厚度太 薄，在注浆过程中有可能发生底鼓现象，给全生产带来 很大影响。2加固区域是否有采区 注浆加固煤层底板施工时，注浆站是在地面 设置的，由于注浆站与受注地点高差比较大，浆 柱压力很高，一般属于高压注浆。如果加固区域 有采空区，浆液就有可能向采空区扩散。尽管消 耗了大量的注浆材料，仍然达不到注浆加固的预 期效果。近年来有些矿井在回采期间工作面发生 底板突水后，为了在不停产的条件下治理水患， 采用动水注浆技术，响层底板打钻注浆，水在高 压状态下，沿涌水通道向采空区流动，浆液如不 能及时凝固，也随着水流向

13、采空区流动，浆液损 失大，很难有效地封堵突水。3采空区与注浆加固区域的相对位置如果采空区与注浆加固区域距离较远，可以 不考虑采空区的影响。注浆时可以通过控制浆液 的凝胶时间控制浆液的流程。浆液凝胶太快，不 利于浆液的充分扩散，影响注浆效果；凝胶太慢 ，浆液流程远，可能向采空区扩散。因此，注浆 施工前应认真做好浆液凝胰验，在浆液主剂中加 人适量添加剂，使浆液有一个合理的凝胶时间， 从而控制浆液流程，既保证注浆效果，又可避免 浆液向采空区扩散。(二)加固太原组上段薄层灰岩 如果二1煤底板海相泥岩的厚度太薄，仅加固泥岩底板 不能满足阻水要求，应选择加固太原组上段薄层灰岩。 与加固泥岩底板相比，有其明

14、显的优越性，主要表现在 以下几个方面:(1) 直接充填薄层灰岩岩溶裂隙，从根本上治理薄层灰 岩突水。(2) 可以将太原组上段薄层灰岩由含水层变为隔水层， 增加了二1太原组上段薄层灰岩煤底板隔水层的厚度， 提高隔水层的整体强度，增强抵抗下部L14灰岩和奥陶 系灰岩突水的能力。 （3）岩溶裂隙发育，可注性强，容易实现预期的注浆加 固效果。永城矿区煤底板海泥岩厚度50m左右，近年来 一直选择加固太原组上段的屿L89灰岩，效果很好。(4) 太原组上段薄层灰岩强度较大，能够承受较高的注 浆压力，注浆过程中失浆量少，易发生底鼓现象。(三) 加固太原组中段隔水层选择注浆加固太原组中段隔水层的主要是郑 州矿区

15、，该矿区煤泥岩底板厚度仅有812m， 太原组上段L78灰岩厚度为810m。如果加固 L78灰岩，由于距离煤层太近，浆压力又比较大 ，注浆过程中跑浆现象严重，局部出现底鼓， 达不到预期的加固效果。将孔打到L56灰岩，增 加止浆层厚度和强度，可有效控制跑浆，提高 浆液利用率。郑州矿煤底板突水水源主要是L14 灰岩水和奥陶系灰岩水。尽管L78灰岩岩溶发育 ，但由厚度有限，涌水量不会太大，一旦L14灰 岩和奥陶系灰岩通过断层、陷落柱等地质构造 与采煤系统发生水力联系，就有可能发生重大 突水事故，多年来的生产实践充分证明了这一 结论。注浆加固煤底板的主要目的是防治L14灰岩 水和奥陶系灰岩水，尤其是防治

16、奥陶岩水。加固 太原组中段隔水层需要考虑该地层节理裂隙的发 育程度，如果节理裂隙不发育，浆液注不进去， 同样达不到注浆效果。应考虑进一步加深钻孔， 加固L14灰岩。L14可注性强，注浆效果好，但 注浆孔钻进工程量大，注浆材料消耗多，施工工 期长，成本高，在充分论证的基础上慎重确定。第三节 底板注浆加固方案的确定 一、注浆加固时机与顺序的选择在生产实践中，底板突水事故多发生在采煤工作面 及其后方采空区，这是因为底板岩层中的各种节理、裂 隙或断层沟通了含水层与采煤系统之间的水力联系所致 。选择加固底板机必须贯彻落实“预测预报、有疑必探 、先探后掘、先治后采”的防治水原则，在回采工作前 ，通过向底板岩层大量注浆，使注浆材料充分充填各种 涌水通道，切断含水层与采煤之间的水力联系，从而避 免在采煤工作面推进过程中底板突水事故的发生。因此 ，注浆底板的时机应选择在采煤工作面上、下顺槽和开 切眼掘进完成并顺利贯通之后进行。工作面生产系统