张飞虹

（晋能控股煤业集团沁秀煤业有限公司，山西 晋城 048007）

我国煤矿注浆技术经过数十年的发展已成为加固软弱煤岩层、井下防治水的一种重要技术手段。尤其对破碎或薄弱的煤层区域，通过注浆加固不仅可以消除事故隐患，还可以释放大量受水害威胁的煤炭资源［1-2］。但在进行注浆加固前需要对所注区域的可注性进行试注检测，从而判断煤岩层的隔水性能。根据实际经验发现，煤层赋存及水文地质条件不同，单一的浆液进行钻孔试注往往存在可靠性差的缺陷，为此，提出了多种浆液复合试注的方法，使用粉煤灰、水泥粉煤灰、黏土粉煤灰等浆液，进行室内配比试验后，多角度地对煤层底板与奥灰顶部薄弱区域的隔水性进行了试验分析与比较［3］。

1 工程概况

岳城煤矿隶属于晋煤控股沁秀集团，目前主采15#煤层，全井田带压，煤层底板与奥灰顶部间距为12.73～39.92 m，底板承受的水头压力值介于1.38～2.70 MPa之间，突水系数为0.083～0.205 MPa/m。考虑到峰峰组顶部35 m的相对隔水层，岳城矿15#煤底板奥灰水突水系数为0.045～0.062 MPa/m。当采掘工作面揭露隐伏导水构造（断层和陷落柱等）时，奥灰水将通过导水构造裂隙突入采掘工作面造成水害事故。为防治奥灰突水事故，需要对岳城矿15#煤采掘过程中探明的构造发育区及隔水层薄弱区进行底板注浆试验。

2 注浆试验方案

2.1 试验地点

岳城煤矿15#煤东回风大巷4横川和5号横川南部的YC-117钻孔实际揭露层的煤层底板与奥灰顶部间距为16.59 m，根据地质钻孔资料显示该区域具备作为隔水层薄弱区试验条件。结合注浆管路铺设长度及井下实际条件，确定在该位置处再向南部施工钻孔进行注浆试验。

2.2 注浆层位

考虑底板破坏深度的突水系数计算，见式（1）：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为奥灰水头压力，MPa；M为15#煤底板至奥灰顶界层间距，m；C为底板破坏深度，m。式中M为注浆层位选择关键参数。

根据《煤矿防治水细则》附录五，为确保安全，需使注浆改造后的隔水层上覆煤层底板突水系数达到0.06 MPa/m，即式中T=0.06 MPa/m。钻孔资料显示，15#煤回采工作面底板采动破坏深度值为13.72～19.57 m。试验按极大值处理取整数C=20 m。

根据岳城矿水文地质资料分析，试验区域奥灰水位为+492～+494 m，该区15#煤层底板等高线为+280～+290 m，由此计算得知试验区奥灰水头压力为2.0～2.1 MPa。试验取P=2.1 MPa。将上述参数代入公式得：M=55 m，即为确保试验区煤层底板突水系数达0.06 MPa/m，需至少确保煤层底板以下20～55 m范围内的35 m厚的岩层稳定，该层位即为注浆改造区。

2.3 钻孔设计

钻孔设计如图1所示，于4号横川和5号横川分别布置两个钻场，每个钻场各布置4个钻孔，其中1-1～1-3及2-1～2-3号钻孔为浆液注浆孔，4号孔为清水检验孔，俯角设置为15°，并设置在距3号钻孔5 m处。当孔1-3注浆完毕后，注入清水进行注浆效果的检验。各钻孔参数如表1所示。

图1 试验钻孔设计布置

表1 注浆试验钻孔设计参数

图2 注钻孔结构

如图2所示，所有钻孔在钻场合适位置布置，沿煤层底板基岩开孔。首先采用直径94 mm的钻头钻进至23 m，然后用直径159 mm钻头扩孔至23 m，接着下入20 m直径127 mm壁厚6 mm的止水套管，并在井下对孔口管进行了固定，进行耐压试验，压力达到5 MPa，并稳定30 min。之后采用直径94 mm的钻头继续钻进至110.87 m。

3 注浆流程

3.1 注浆顺序

各钻场按钻孔编号依次施钻，一个钻孔注浆试验完毕，浆液凝固24 h后，另一钻孔开始施工，以防止钻孔注浆时浆液压力对另一钻孔造成破坏［4］。

3.2 注浆流程

钻孔施工完毕后，利用井下注浆泵向孔内注入清水，冲洗钻孔30 min，排除孔内岩屑；然后利用地面注浆泵向钻孔泵入浆液（清水），注浆泵升压至5 MPa，稳定10 min后停止注浆。最后利用井下注浆泵进行封孔。

3.3 单孔注浆结束标准

一般情况下，注浆压力为含水层最大静水压力的1.5～2倍时，即可认为注浆达到压力结束标准。试验区奥灰水头压力为2～2.1 MPa，注浆终压应为（1.5～2）×2.1 MPa=3.15～4.2 MPa，试验注浆压力为5 MPa，并稳压10 min。每种浆液试验完毕后，必须对管路用清水清洗至出水口无浆液，以确保注浆管内残浆全部清除［5］。

4 实验结果

4.1 4横川处注浆试验

（1）粉煤灰浆液试验结果

首先在地面注浆站制取比重为1.27 t/m3的粉煤灰浆液，然后启动注浆泵往注浆管路泵入粉煤灰浆液，启动10 min后，注浆管路压力表开始升压，压力由0～4.8 MPa用时约28 s，之后压力表读数急速上升至6.8 MPa，为防止注浆压力破坏钻孔止水套管，造成安全事故，遂停止注浆。对比注浆站粉煤灰浆液储浆池液面标高，未见显著变化，由此可知，该钻孔内地层裂隙不发育，粉煤灰浆液可注性差。

（2）水泥粉煤灰浆液试验结果

首先在地面注浆站制取比重为1.27 t/m3的水泥粉煤灰浆液，然后启动注浆泵往注浆管路泵入水泥粉煤灰浆液，启动12 min后，注浆管路压力表开始升压，压力由0～4.6 MPa用时约25 s，之后压力表读数急速上升至7 MPa，为防止注浆压力破坏钻孔止水套管，造成安全事故，遂停止注浆。对比注浆站水泥粉煤灰浆液储浆池液面标高，未见显著变化，由此可知，该钻孔内地层裂隙不发育，水泥粉煤灰浆液可注性差。

（3）黏土粉煤灰浆液试验结果

首先在地面注浆站制取比重为1.28 t/m3的黏土粉煤灰浆液，然后启动注浆泵往注浆管路泵入黏土粉煤灰浆液，启动11 min后，注浆管路压力表开始升压，压力由0～4.7 MPa用时约28 s，之后压力表读数急速上升至6.9 MPa，为防止注浆压力破坏钻孔止水套管，造成安全事故，遂停止注浆。对比注浆站黏土粉煤灰浆液储浆池液面标高，未见显著变化，由此可知，该钻孔内地层裂隙不发育，黏土粉煤灰浆液可注性差。

4.2 5横川处注浆试验

（1）黏土浆液试验结果

首先在地面注浆站制取比重为1.12 t/m3的黏土浆液，然后启动注浆泵往注浆管路泵入黏土浆液，启动9 min后，注浆管路压力表开始升压，压力由0～4.6 MPa用时约30 s，之后压力表读数急速上升至7 MPa，为防止注浆压力破坏钻孔止水套管，造成安全事故，遂停止注浆。对比注浆站精浆池黏土浆液液面标高，未见显著变化，由此可知，该钻孔内地层裂隙不发育，黏土浆液可注性差。

（2）水泥浆液试验结果

首先在地面注浆站制取比重为1.15 t/m3的水泥浆液，然后启动注浆泵往注浆管路泵入黏土浆液，启动8 min后，注浆管路压力表开始升压，压力由0～4.5 MPa用时约20 s，之后压力表读数急速上升至6.6 MPa，为防止注浆压力破坏钻孔止水套管，造成安全事故，遂停止注浆。对比注浆站水泥浆液储浆池液面标高，未见显著变化。由此可知，该钻孔内地层裂隙不发育，水泥浆液可注性差。

（3）水泥粘土浆液试验结果

首先在地面注浆站制取比重为1.15 t/m3的水泥粘土浆液，然后启动注浆泵往注浆管路泵入黏土浆液，启动7.5 min后，注浆管路压力表开始升压，压力0～4.6 MPa用时约30 s，之后压力表读数急速上升至7 MPa，为防止注浆压力破坏钻孔止水套管，造成安全事故，遂停止注浆。对比注浆站水泥粘土浆液储浆池液面标高，未见显著变化，由此可知，该钻孔内地层裂隙不发育，水泥粘土浆液可注性差。

4.3 试验结果及检验

可以看出，4、5横川共计6处钻孔，注浆结果大体相同，分别在压力6.6～7 MPa之间时注浆量达到最大值，随即停止注浆。并在对比注浆站水泥粘土浆液储浆池液面标高后，未见显著变化。所有注浆材料均显示出了较差的可注性，由此可知该钻孔内地层裂隙不发育。

由于注浆属于隐蔽工程，为了检测注浆准确性，将在上述钻孔封孔72小时后，各浆液充分凝固后对两处横川进行4号钻孔的清水孔检测试验。注浆泵启动11 min后，注浆管路压力表开始升压，压力由0～4.7 MPa用时约26 s，之后压力表读数急速上升至7.0 MPa，此时停止注浆。通过清水孔的检验，一方面说明3种注浆钻孔试验有效，注浆数据与清水检测孔揭露地层抗压能力达到了7.0 MPa以上。并根据水力压裂原理，当压力大于3 MPa时，即可判断试验区段底板无异常情况，满足抗压要求；同时也进一步表明煤层基底奥陶系灰岩岩溶裂隙不发育，岩层受注性差，隔水性良好。

5 结语

采用多种注浆浆液在对岳城煤矿15#煤东回风大巷4横川和5横川南部煤系地层的注浆过程中均体现出了较差的可注性，分别在压力6.6～7 MPa之间时注浆量达到最大值。在随后的清水检验工作中也检测出煤层底板具有较强的抗压能力，再次表明了该钻孔内地层裂隙不发育，煤层底板奥陶系灰岩层受注性差，自身具备良好的隔水性。