煤層底板含水層注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)的應(yīng)用

1概況

1.1礦區(qū)概況

焦作礦區(qū)位于河南省西北部太行山南麓，為掩蓋式石炭二疊紀(jì)煤田，北依太行山，東至修武、輝縣，南抵武陟縣，西達(dá)博愛縣。東西走向長65km，南北傾斜寬20km，礦區(qū)總面積約1300km ²。礦區(qū)主采煤層為山西組二₁煤，煤層總厚6～9m，埋深100～1000m，為優(yōu)質(zhì)無煙煤，地質(zhì)儲量28.5億t。礦區(qū)現(xiàn)有8處生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力350萬t/a。

1.2礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

焦作煤田位于太行山復(fù)背斜東南翼，處于東西向構(gòu)造段新華夏系構(gòu)造的復(fù)合部位，區(qū)內(nèi)廣泛分布著燕山期以來新生成的各種構(gòu)造形跡，以多期活動的高角度正斷層為主，褶皺構(gòu)造表現(xiàn)微弱，斷裂構(gòu)造按其展布方向可分為NW向、NE向和近EW向三組，近EW向張性斷層和NE向壓扭性斷層控制著地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄。

1.3礦區(qū)主要含水層情況

礦區(qū)發(fā)育有四個含水層（組），自上而下分別是第四系（Q）砂礫石含水層；二疊系（P ₁）砂巖裂隙含水層；石炭系（C₃）薄層灰?guī)r巖溶含水層；奧陶系（O< sub>2）巨厚層灰?guī)r巖溶含水層，其中后兩個含水層（組）對礦井安全生產(chǎn)威脅最大。石炭系（C ₃）薄層灰?guī)r巖溶含水層主要有八層灰?guī)r含水層（L ₈）和二層灰?guī)r含水層（L₂）。八層石灰?guī)r層厚6～10m，上距二₁煤層18～40m，一般20m，該含水層水性較強(qiáng)，是二₁煤層的直接充水水源，礦區(qū)曾經(jīng)發(fā)生近千次八層灰?guī)r突水，最大突水量達(dá)6300m³/h。該含水層一旦通過構(gòu)造、礦壓破壞等形式與“二灰”、“奧灰”溝通，常會造成淹沒采區(qū)及礦井的災(zāi)害性突水事故，是礦井開采過程中重點治理對象。二層石灰?guī)r層厚8～12m，上距二₁煤層70m，下距“奧灰”頂面一般20m，該含水層巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，水位變化基本與奧灰水位同步，是上覆各含水層的補(bǔ)給水源。當(dāng)巷道與其接近或通過破碎帶與之相通時，將可能造成突水淹井的毀滅性災(zāi)害。奧陶系灰?guī)r含水層（O₂）為煤系地層之基底，厚400m，巖溶裂隙十分發(fā)育，富水性強(qiáng)，在太行山區(qū)直接接受大氣降水及地表水的大量補(bǔ)給，然后轉(zhuǎn)為地下徑流，向東南運移進(jìn)入礦區(qū)深部，成為焦作礦區(qū)各含水層間接的強(qiáng)大補(bǔ)給水源。

1.4礦區(qū)水害威脅狀況

焦作礦區(qū)是全國著名的大水礦區(qū)，歷史上曾發(fā)生多次突水事故，截止2003年底集團(tuán)公司所屬礦井共發(fā)生60m³/h以上突水600余次，最大一次突水量為19200m³/h，因突水造成淹井17次，淹采區(qū)14次，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3億元之多，少出煤炭近千萬噸，生產(chǎn)礦井的正常涌水量最高達(dá)30000m³以上。

如此巨大的礦井涌水量，加上頻繁的突水，迫使工作面不得不進(jìn)行改造，使得煤炭生產(chǎn)難以正常進(jìn)行，無法使用綜采等先進(jìn)采煤工藝來提高礦井生產(chǎn)能力。

2煤層底板注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)應(yīng)用的必要性

2.1水害壓煤

焦作礦區(qū)所屬各生產(chǎn)礦井均為水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，主要充水水源為二₁煤層底板石炭系太原組薄層灰?guī)r巖溶裂隙水。隨著開采水平的不斷延深和開采范圍的不斷擴(kuò)大，水壓逐漸升高，水文地質(zhì)條件變得愈來愈復(fù)雜，突水威脅俞加嚴(yán)重，礦區(qū)受水嚴(yán)重威脅儲量高達(dá)14.5億t。如不采取有效措施解決水患威脅，將導(dǎo)致礦區(qū)可采儲量減少，礦區(qū)年產(chǎn)量逐年下降，直接影響到礦區(qū)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

2.2礦井經(jīng)常性涌水量過大

焦作礦區(qū)每采一噸煤要排50～60t水，是全國平均水平的5～6倍，僅排水費用每年就高達(dá)6000余萬元，噸煤排水費用占噸煤成本20％，造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益低下。也造成排水泵房設(shè)備老化，礦井抗災(zāi)能力大大降低。

2.3突水頻繁突水量大

焦作礦區(qū)突水之頻繁，突水量之大，經(jīng)濟(jì)損失之驚人，都達(dá)到了極其嚴(yán)重的程度。近幾年來，隨著礦井開采水平的不斷延深，水文地質(zhì)條件變得愈加復(fù)雜，雖然開展了八層灰?guī)r含水層疏水降壓等多項綜合防治水工作，但對一些水文地質(zhì)條件復(fù)雜含水層富水性強(qiáng)的地區(qū)效果不明顯，而且巨額排水費用礦井也難以接受。

綜上所述，在焦作礦區(qū)應(yīng)用煤層底板含水層注漿改造這一新技術(shù)不僅是十分必要的，也是十迫切的。

3煤層底板注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)應(yīng)用的可行性

煤層底板含水層注漿改造技術(shù)就是沿工作面下順槽大面積布置注漿鉆孔，通過注漿鉆孔注漿來充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層被改造為不含水或弱含水層，同時亦增強(qiáng)了煤層底板隔水層的強(qiáng)度，實現(xiàn)工作面不突水開采。

3.1注漿開采有成熟的技術(shù)和成功的經(jīng)驗

注漿改造含水層進(jìn)行開采源于1984年，經(jīng)過20年來的發(fā)展，經(jīng)歷了地面打孔、地面注漿和井下打孔、井下注漿兩個發(fā)展階段后，現(xiàn)已實現(xiàn)了井下大面積打孔地面連續(xù)注漿的新工藝，已經(jīng)積累了成熟的注漿改造技術(shù)和豐富的經(jīng)驗。

3.2各礦井水文地質(zhì)條件已經(jīng)查明，有利于注漿改造技術(shù)的實施

國家級工業(yè)性試驗項目《華北型煤田奧灰?guī)r深水綜合防治工業(yè)性試驗》，歷經(jīng)“七五”、“八五”兩期工業(yè)性試驗階段，通過鉆探、物探等多種探測手段，焦作礦區(qū)各礦井水文地質(zhì)條件已經(jīng)基本查明，為防治水工作奠定了基礎(chǔ)。

3.3新型注漿材料確保了注漿改造開采既可行又經(jīng)濟(jì)

隨著注漿技術(shù)的發(fā)展，注漿材料也經(jīng)歷了從單液水泥漿到水泥、粘土、水玻璃等多元材料的發(fā)展過程，水泥粘土漿不但注漿成本低，材料來源廣，而且漿液流動性好，充填效果佳，改造質(zhì)量高，確保經(jīng)濟(jì)可行。

3.4新型物探手段有助于注漿改造技術(shù)成功應(yīng)用

直流電流物探等新型物探手段的焦作礦區(qū)已經(jīng)推廣應(yīng)用多年，通過對數(shù)十個工作面進(jìn)行探測，證實對探測L₈灰?guī)r富水帶和巖溶發(fā)育帶比較準(zhǔn)確。通過物探技術(shù)探測，一方面可以了解底板含水層裂隙分面情況，確定富水地段，指導(dǎo)注漿孔的合理布置，另一方面為檢驗注漿效果提供了控測手段，有利于注漿改造技術(shù)的應(yīng)用。

通過以上的綜合分析，我們認(rèn)為在焦作礦區(qū)實施煤層底板注漿改造含水層技術(shù)是可行性，可以解決長期以來被動防水的難題。

4煤層底板注漿改造技術(shù)的主要內(nèi)容

煤層底板注漿改造工程主要包括地面造漿站、井下工作面打注漿鉆孔、井下連續(xù)注漿等工程。

地面造漿站由儲土棚、粗漿池、精漿池、一攪池、二攪池、注漿棚、清水池等設(shè)施組成。主要設(shè)備有制漿機(jī)、攪拌機(jī)、雜污泵、泥漿泵、空壓機(jī)等。根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑以及L₈ 灰?guī)r含水層的富水性，在工作面下順槽每隔一定距離施工一個鉆窩，每個鉆窩內(nèi)施工3～4個注漿鉆孔，具體參數(shù)根據(jù)被改造含水層具體水文地質(zhì)條件確定。注漿鉆孔要分三個序次施工，全部注漿結(jié)束后，視鉆孔涌水量和進(jìn)漿情況確定補(bǔ)打檢驗孔。制好的粘土水泥漿由泥漿泵→輸漿鉆孔→輸漿管路→注漿鉆孔→含水層。注漿壓力一般為水壓的2～3倍，漿液擴(kuò)散范圍較大，注漿后可封堵含水到煤層的導(dǎo)水裂隙，加固煤層底板隔水層；也可改變L₈灰?guī)r富水性，變強(qiáng)含水層為弱含水層或隔水層，同時亦可切斷底板L₈含水層與L₂灰?guī)r及O₂灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，從而達(dá)到安全開采之目的。

5煤層底板注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)應(yīng)用的效果

5.1九里山礦14041等工作面

九里山礦西翼采區(qū)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，一四采區(qū)首采面14021在開采中曾發(fā)生兩次突水，水量分別為840m³/h，和360m³/h,造成工作面停產(chǎn)。通過實施該技術(shù)，不僅沒有發(fā)生突水而且由于漿液大范圍擴(kuò)散充填了水源補(bǔ)給通道，封堵了14021工作面老突水點水量360m³/h，一二采區(qū)涌水量也減少600m³/h，僅此一項每年就可節(jié)約排水費用320萬元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，又相對增強(qiáng)了井底泵房的抗災(zāi)能力，對礦井安全生產(chǎn)起到了重要作用。

繼14041工作面進(jìn)行了煤層底板含水層注漿改造實現(xiàn)了開采水突水后，為了推進(jìn)高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，2001年集團(tuán)公司決定在14061工作面進(jìn)行首個綜采試驗。通過應(yīng)用該技術(shù)保證了第一個綜采工作面的順利回采，并安全采出煤炭53萬t。而14051綜采工作面實施了煤層底板含水層注漿改造，也安全采出煤炭38萬t，該礦2003年礦井產(chǎn)量首次達(dá)產(chǎn)，突破100萬t。

5.2演馬莊礦25081工作面

演馬莊礦25081工作面下風(fēng)道位于一條H=5m的斷層附近，通過物探手段探測顯示為抵阻帶，極有底板突水可能。因此對25081工作面也實施了該技術(shù)，重點對下風(fēng)道和斷層之間的破碎帶進(jìn)行加固?；夭善陂g也未發(fā)生大的突水，安全采出煤炭20萬t。

該技術(shù)在九里山礦和演馬莊礦成功應(yīng)用后，又相繼在朱村礦、韓王礦和古漢山礦等三對礦井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，截至目前已安全采出煤炭240余萬t，不僅了大的突水事故的發(fā)生，并且實現(xiàn)了綜采，為集團(tuán)公司高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。與此同時，九里山礦等五對礦井利用底板含水層注漿改造系

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