索咏旭

(冀中能源股份有限公司邯郸郭二庄矿，河北 邯郸 056000)

受奥陶系地质变化影响，我国华北平原大多数煤层均会受到奥灰水的威胁。并且随着开采深度的增加，底板水压越来越大，所面临的突水风险也随之增大，严重制约了深部煤层的开采。郭二庄矿是一座具有70年开采历史的老矿，其浅层可采储量已基本枯竭，为了延续生产和进一步挖掘可采储量，郭二庄矿对9#煤层下组煤进行了开采，确定四采区为二采区的接替采区。下组煤开采防治奥灰水是关键，需在矿井水文地质监测系统基础上加强下组煤水文地质研究工作，采取合理的防治水措施和带压开采措施，才能确保下组煤的安全顺利开采。本文结合郭二庄矿9#煤层奥灰水防治实践，对下组煤突水风险评价及注浆防水技术进行了探讨。

1 郭二庄矿9#煤层四采区水文地质条件概况

郭二庄煤矿位于河北省武安市西北约13km处，行政隶属主要位于武安市矿山镇辖区。井田西邻S222省级邢都公路、中部和南端分别有近东西向的东午支线铁路，另外有连接各村镇的村村通公路，纵横遍布，交通便利。其中二坑属郭二庄矿井田西北9#煤埋藏深度较浅的块段，作为生产接续的四采区位于井田东部。采区南部以午汲铁路为界；北至郭二庄井田北部边界，西至-100m煤层底板等高线及南沟村保护煤柱线，东至-300m煤层底板等高线。采区南北走向长330m～1 700m，东西倾向长690m～2 300m，面积约3.59km2。采区资源储量丰富，开采技术条件相对简单，设计自-100m大巷开口向下至-300m布置采区下山生产系统，建立完善的运输、通风、排水等系统。二坑井田范围内，第四系普遍发育。根据区内钻探揭露资料，地层由老至新依次为：奥陶系中统、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组、二叠系上统上石盒子组1～4段以及第四系。其中奥陶系中统(O2f2)为主要的含水层，总厚约为600m，为强岩溶裂隙承压含水层，是9#煤层下组煤开采时防范突水的主要对象。按照岩性特点和沉积旋回，该含水层可分为三组八段。峰峰组二段(O2f2)，即第七段：厚度83.16m～113.16m，出露在郭二庄井田西部，为深灰色巨厚层灰岩及花斑灰岩，裂隙岩溶发育，为强含水层。峰峰组三段(O2f3)，即第八段：平均厚度30.00m，以角砾状灰岩为主，裂隙多被方解石充填，裂隙面见褐黄色水蚀痕迹。

2 下组9#煤层突水风险的分析与评价

为了给下组9#煤层带压开采和突水防治提供必要的理论和数据支持，我们利用传统的突水系数法和模糊神经网络法对井田突水风险率和风险度进行了计算和评价。通过对奥灰水观测孔数据的采集发现9#煤层底板隔水层下赋存有大量高承压奥灰水。在煤层未开前，岩水间力学关系处于平衡状态；煤层开采之后，隔水层岩体结构就会遭到破坏，隔水底板岩层的完整性和承压性能显著下降。在水压和矿压的多重作用力下，隔水底板上原有的闭合裂隙会再次活化，抑或是会出现新的破裂面。当裂隙沟通含水层或是与其相临近时，含水层水体便会由裂隙和隔水层薄弱处涌出，形成突水事故淹没矿井。数据分析认为，下组煤9#煤层开采时，底板突水的风险与威胁程度较大。需要在充分认识水文地质条件的前提下，科学设计开采方案，做好超前探测，客观评价水情水患；对存在突水隐患的底板薄弱区域进行注浆加固，同时合理利用隔水层隔水性能，才能防范矿井突水事故，确保下组煤安全带压开采。

3 岩体注浆防水机理

岩体注浆防水是通过将防水材料填充注入隔水层裂隙、含水层和断裂破碎带等部位，利用材料的胶结性、隔水性使之与围岩密切结合，形成更具整体稳定性的隔水层，从而增强岩石强度和隔水性能，起到堵塞过水通道、防止水层突出的作用；防水浆料同时还具有隔绝空气，防止围岩风化的作用，使围岩稳定性得到改善。实践证明，在做好超前探测和水情预测的基础上，通过对突水隐患部位进行超前注浆加固，可有效封堵和阻隔可能的过水通道，变含水层为隔水层，从而预防矿井突水事故，减少矿井排水量。

4 预注浆防水施工方案及相关技术要求

4.1 注浆防水施工方案

为了防范可能出现的隐伏突水点突水，超前预注浆技术在掘进施工前即对隔水层薄弱部位进行注浆封堵，采用注浆与掘进循环作业的方式向前推进。超前预注浆每向前85m，允许掘进面向前推进60m，注浆作业始终保持25m以上的超前距离，从而确保掘进施工的安全。通过对超前探查孔、注浆引流孔、预注浆孔等钻孔间连通情况，以及对钻孔施工过程中出水部位及水压、水量的分析，判断巷道掘进前方出水水源主要是砂岩裂隙水。结合裂隙分布、裂隙连通性等岩性特征，采取了分阶段预注浆的策略，并制定了不同的施工方案。

4.2 注浆施工技术要求

根据注浆扩散半径和超前距离，每个循环施工注浆钻孔4个～5个。注浆钻孔开孔直径168mm，钻进6.5m后沿孔下入159mm孔径的孔口管6m，用水泥填充钻孔与孔口管间隙，待水泥干涸孔管稳固后，清扫孔管并通水进行耐压试验。通水试压30min以上，保持压力不小于4MPa，观察孔管周围有无跑冒水现象，如有则需要重新固管后再次做耐压实验，直到孔管四周无跑冒水后方视为各格。159mm孔口管固管完成后，更换127mm钻头钻进，施工25.5m后，下入108mm孔口管25m。按照前述流程再次注浆固管、扫孔和进行耐压试验，试验压力8MPa以上，稳压30min以上，钻孔四周无跑冒水方视为各格。108mm孔口管下设好后，首先在孔口安装与管径相符合的10MPa高压阀门，然后用90mm孔径钻进至设计孔深，取出孔底岩芯；安设测量装置测量钻孔出水量和水压，探明水情后，沿注浆孔注入水泥浆，即完成注浆加固施工。整个施工过程可概括为：钻孔→下管→固管→耐压试验→扫孔钻进→测量水量、水压。在钻孔钻进的过程中应注意，遇到含水层和孔内冒水现象时，应立即停止钻进，并进行注浆封堵。浆液应按照一定比例拌和成纯水泥稀浆，使泥浆具有较强的流动性，以增大水泥浆的扩散范围。待注浆结束后2d凝固后，在继续扫孔钻进。

5 结束语

分段超前预注浆技术在郭二庄9#下组煤开采中得到成功的应用，成为下组煤带压开采中防治奥灰水的关键性技术，有效提高了底板的隔水性能，避免了因巷道掘进直接揭露含水层而导致的突水事故，保证了巷道的安全掘进，同时也降低了井下排水量，体现出良好的经济效益。