桃园煤矿II 1042工作面煤层底板注浆量与富水性研究

Study on the Amount of Coal Floor Grouting and Water Enrichment in II 1042 Working Face at Taoyuan Colliery

摘要: 桃园煤矿II 4采区主要充水含水层为二叠系主采煤层顶、底板砂岩裂隙含水层，以煤层底板注浆组钻孔数据为基础，研究煤层底板注浆量与富水性的规律。结果表明：II 4采区注浆量大的主要原因是灰岩溶隙、裂隙发育，水力联系畅通，注浆量大的区域与漏失点多、漏失量大的区域一致。

Abstract: Taoyuan coal mine II 4 main water filling mining aquifer for Permian extracting seam roof and floor sandstone fissure aquifer, based on the coal floor grouting group of borehole data, studies the law of coal floor grouting volume and water content. The results show that the grouting II 4 mining area is the main reason of the large amount of ash karst gap, fracture, the hydraulic connection unimpeded, grouting quantity more than large area and the leakage points, a large quantity of leakage area.

1. 引言

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，国内许多矿井相继转入深部和下组煤的开采 [1]。从突水灾害方面来说，深部煤炭开采面临着较为复杂的水文地质条件，突水机理也比浅部复杂，水害问题直接威胁着人民的生命安全和矿井的正常发展 [2] [3] [4] [5] [6]。近年来，有学者利用分形理论的富水性指数法来对含水层富水性进行评价 [7]，该方法在水文地质勘察程度较低的情况下对所研究的含水层进行了合理准确的评价；与此同时，也有学者利用LBA-BP的矿井瞬变电磁法对岩层富水性进行定量预测研究，该方法提高了矿井瞬变电磁法的解释精度 [8]；为了进一步确定影响含水层富水性主控因素基础上，武强等人运用线性或非线性信息融合方法，提出了基于GIS的多元信息融合的“富水性指数法”，该方法在矿井含水层富水性评价中得到广泛运用 [9]；通过对突水工作面含水层注浆过程中钻孔涌水量、注浆量及钻孔串浆情况的研究和分析，得出富水性相对强的区域涌水量大注浆量也大的规律 [10]；本文以桃源煤矿II 1042工作面为例，通过钻孔注浆量来研究含水层的富水性之间的关系。

2. 研究区概况

II 1042工作面右翼位于II 4采区一阶段，上区段为1066采空区，左至II 4采区回风上山，右至F2-1 (H = 10~12 m)断层，开采标高−487.9~−624.2 m，走向长800 m，倾斜宽182 m，跨上山走向长壁式开采，左翼巷道正在准备。

3. 工作面地质构造概况

该工作面10煤层属二叠系山西组，煤层厚为2.5~6.8 m，平均3.6 m，局部含有一层夹矸，厚0~0.4 m，平均0.2 m；煤层倾角15˚~43˚，平均36˚。该工作面整体为一倾向东的单斜构造，工作面内褶皱发育，煤层走向及倾向上有一定的波状起伏。工作面发育23条断层，3条逆断层，其余断层为正断层，且均为斜交断层，F3、F17、F18、F24-11、F24-16、F24-17六条断层落差 ≥ 2 m，其中F24-10、F24-11、F24-16、F24-17为1066轨道巷及机巷揭露。

4. 工作面水文地质概况

根据井下放水孔、地面补勘钻孔及II 4采区地面定向钻孔资料，10煤层底板至一灰法距42~57 m，煤层直接底以下0~10 m为泥岩和粉细砂岩，10~20 m为泥岩，20~40 m为粉砂岩和细砂岩，40 m到一灰顶板为一层海相泥岩。泥岩和粉砂岩多为块状发育，结构较为完整，隔水性性能较好；一灰层厚2.6~2.8 m，一灰至二灰间距4.4~5.3 m，二灰层厚3.7~4.8 m，二灰至三灰间距1.4~3.7 m，三灰层厚10.3~13.1 m，三灰至四灰间距2.7 m，四灰平均层厚12.7 m。II 4采区开展了一~四灰放水试验，区域内太灰上段一灰、二灰富水性弱；三灰、四灰灰岩岩溶发育，含水丰富。区域内无明显的奥灰垂向补给通道。放水试验求得区域内的太灰导水系数T = 58.1~72.1 m²/d，平均68.6 m²/d；渗透系数K = 2.07~2.73 m/d，平均2.45 m/d。由于断裂构造等因素的影响，采区内的不同块段水文地质参数呈现非均一性，总体为中等至强透水岩层，导水性较好。灰岩水压较大，水量丰沛，易通过导水断层、采动裂隙涌入采掘空间形成水害，威胁安全生产，是II 1042工作面外段水害防治的主要对象。

5. 注浆工程分析

1) 钻井液漏失情况

在钻进过程中遇到钻井液大漏或者消耗较大的区段，即提钻注浆，钻孔三开施工过程中发生119次钻井液漏失，其中65次漏失量大于50 m³/h，13次漏失量30~50 m³/h，13次漏失量10~30 m³/h，28次漏失量小于10 m³/h，全漏点如表1所示。

综合区域分析，冲洗液漏失次数和漏失量从南向北、由深向浅逐渐增大，且漏失点多分布在断层附近及地层倾角有变化的区域，与地层发育规律相吻合，即靠近F2 (H ≥ 420 m)断层附近地层完整性较差；南部地层倾角相对较小(平均30˚)，北部地层倾角较大(平均38˚)，地层起伏变化较大处，溶隙、裂隙发育，漏失点较多。

Table 1. The total leakage position statistics of each hole group

表1. 各孔组全漏位置统计表

2) 注浆情况

II 4采区10煤层底板灰岩水地面定向钻区域治理工程共施工9个孔组，完成主孔9个、分支孔71个，累计完成钻探工程量45,824.82 m，其中顺三灰层段35,034.45 m，平均跟层率87.2%；累计注水泥251,913 t、粉煤灰13,928 t，合计265,841 t。各孔组最大注浆情况如表2所示。通过注浆最大程度上充填了三灰含水层裂隙，有效的改造了三灰含水层；注浆量大的区域与漏失点多、漏失量大的区域一致，工作面南翼注浆量明显小于北翼。

Table 2. Grouting situation of each hole group

表2. 各孔组注浆情况表

工作面外段孔组施工过程中，除5#孔组因灰岩岩溶溶隙极其发育，进浆量大且不起压，终孔压力调整为6 MPa外，剩余孔组终孔压力均不小于8 MPa。对5#孔组覆盖范围补充施工了检查孔组，进行强化、验证，检查孔终孔压力均大于10 MPa，满足设计要求。地面定向钻孔注浆情况如表3所示。

Table 3. Analysis table of grouting situation of ground directional drilling

表3. 地面定向钻孔注浆情况分析表

各孔注浆结束后，进行了压水试验，求得单位吸水率为9.81E−05~1.04E−03 L/min∙m∙m，远小于设计不大于0.01 L/min∙m∙m，符合设计要求。

6. 富水性分析

II 4采区注浆量总体呈北部高、南部低的规律，4#、5#、6#孔组单位面积注浆量明显大于2#、3#孔组，单位注浆统计见表4。与相邻的II 2采区相比较，II 4采区单位面积注浆量0.287 t/m²，远大于II 2采区的0.143 t/m²，推算II 4采区的岩溶裂隙率为3.0%，而II 2采区仅为0.6%。因此，灰岩溶隙、裂隙发育，水力联系畅通，是II 4采区注浆量大的主要原因。

Table 4. Statistic Table of Drilling Unit Grouting Volume

表4. 钻孔单位注浆量统计表

7. 结论

1) 研究区冲洗液漏失次数和漏失量从南向北、由深向浅逐渐增大，且漏失点多分布在断层附近及地层倾角有变化的区域，与地层发育规律相吻合；

2) 灰岩溶隙、裂隙发育，水力联系畅通，是II 4采区注浆量大的主要原因。