帷幕注浆堵水在矿井防治水中的应用

帷幕注浆堵水在矿井防治水中的应用

安学东

（兖矿新疆矿业有限公司 硫磺沟煤矿，新疆 昌吉 831114）

摘要  矿井防治水是一项复杂的系统工程，特别是矿区受地面河流渗透影响的防治水治理工作更难。本文介绍的帷幕注浆工程在防止河水向井下渗透方面取得良好效果。首先采用现场踏勘、物探技术初步查明富水区，其次钻探验证富水区、老空区具体分布范围，查明河水与井下联系的主要涌水通道，最后采用帷幕注浆堵截联系通道，彻底堵注河水向井下渗透。

关键词 帷幕注浆；堵水；矿井；防治水；应用

硫磺沟煤矿矿区近邻头屯河流域，由于浅部煤层受小窑长年采挖，加之有个别矿井盗挖露头煤，打通了河水与矿井采空区的水力联系通道，造成矿井深受水害影响，矿井经过多年不懈地对水害的治理，最终通过帷幕注浆工程，切断了河水向井下渗透的水力联系通道，彻底解决了矿井面临的多年水害。

1 概况

1.1矿井地理位置情况

矿井位于乌鲁木齐市西部准南煤田头屯河区，头屯河中游西侧。头屯河为区域性地表水系，由南西流向北东，流经井田东部边缘，该河水流量随季节变化较大。由于硫磺沟煤矿东侧为煤层露头，东侧一带浅部有10多个曾经开采的小煤窑，目前这些煤矿虽均已关闭，但由于巷道、采空区与头屯河的水力联系仍影响矿井安全。矿井位置见图1。

图1：硫磺沟煤矿位置示意图

1.2矿井涌水量情况

2007年10月～2010年7月，矿井+943m密闭处老空区涌水量一直在400m3/d左右，矿井正常涌水量约500m3/d，这期间矿井涌水量小且稳定。后来因在矿井头屯河对岸泰河通达煤矿采挖露头煤原因，2010年7月，头屯河河床下老空区出现大面积垮落，河水溃入，致使头屯河断流2小时，河对岸采挖坑被淹，同时硫磺沟煤矿井下采空区涌水量逐渐增大，老采空区涌水量增大至1296m3/d。2010年～2012年，河床又多次出现塌陷，每次塌陷后矿井采空区涌水量就显著增大。2012年8月11日老空区涌水量已增大至14756m³/d，全矿井涌水量增大至15394m³/d。矿井面临河水溃入，造成突水淹井的重大隐患。

2 前期防治水情况（2010年~2018年）

面对头屯河河水向井下渗透水害的威胁，自2010年以来，矿井积极采取物探、钻探注浆、河道治理、注浆封堵井下采空区等措施进行治理。

2.1回填露头煤采挖坑

矿井积极将对岸泰河通达煤矿采挖露头煤造成井下老采空区涌水量突然增大的情况报告至地方政府，由政府督促泰河通达煤矿回填采坑，并夯实。采挖坑回填见图2。

图2：硫磺沟煤矿河对岸露头煤采挖坑回填图

2.2修筑临时导流河堤

矿在头屯河河道内矿井侧修建了一道约700m长的临时导流河堤，导流河堤为梯形断面，顶宽5m，底宽7m，高3m，动用土石方12600m³，消耗菱形网9000m2，绑丝500kg。修筑过程中使用机械车辆带配重进行反复碾压，迎水面铺设菱形网，网片链接生扣，绑丝固结，局部挂石笼，石笼采用菱形网包裹鹅卵石，挂于已铺好的菱形网上，防水流冲击，使头屯河河道远离矿区范围。同时对靠近矿井范围内的河道塌陷处使用覆盖黄土的方式进行防渗处理。导流河堤见图3。

图3：临时导流河堤

2.3加固井下采空区老巷道

矿井水害的主要补给源为头屯河，河水经第四系松散含水层及老空塌陷区、老巷道渗透到井下，在水压作用下存在冲垮老采空区密闭，涌入矿井生产系统，造成重大人员伤亡情况，对此矿上对井下可能存在突水的10处采空区老巷道逐一排查，并打开施工混凝土挡墙进行加固。见图4。

图4：井下采空区老巷道加固位置示意图

3 帷幕注浆防治水工程

矿井经过多年的地面、井下防治水治理，取得较大的成效，2018年枯水期老空区涌水量降至4532 m3/d，丰水期降至最大9134m3/d，但没有从根本上消除突水淹井隐患。为了彻底解决矿井水患，经过多方调研、比较防治水方法，最终确定沿矿区头屯河河道采用帷幕注浆堵截联系通道，减少河水补给，防止河水突然溃入井下，实现矿井长治久安。

3.1物探确定富水区

矿井委托吉林大学采用瞬变电磁勘探法和井地ERT探测法对头屯河西侧靠近矿界位置的富水异常区进行探测，确定强富水区和弱富水区范围（强富水区域见图5）。又委托北京探创资源科技有限公司在拟帷幕注浆堵水地段进行了高密度电阻率法物探探查富水异常区，采用温纳和斯伦贝格测试分析，探查了多个富水异常区（低阻异常区）和高阻异常区，实现核实复合验证，进一步确定帷幕注浆主要治理区域。

图5：瞬变电磁勘探富水异常区（蓝色填充区域）

3.2工程设计

帷幕堵截区域按施工先后顺序共划分为两期工程，全长300m。一期工程全长200m，在保证堵水效果的基础上，又分为T1、T2两条探查治理线路。T1线共设计施工钻孔125个，其中探查孔72个，投料孔43个，检查孔10个；T2线设计施工钻孔70个，其中探查孔（注双液浆）48个，投料孔（注混凝土）18个，检查孔4个，钻孔数量根据具体情况进行微调。二期工程属一期工程基础上的延伸治理，全长100m，设计施工钻孔64个，其中探查孔（注双液浆）42个，投料孔（注混凝土）18个，检查孔4个。视一期工程治理情况，适时启动二期工程。详见图6。

图6：帷幕堵截工程设计平面图

3.3钻孔布置原则、目的

T1线实体煤岩层范围内布置两排钻孔。第一排钻孔基本平行于西堤方向，距西堤约25m，钻孔间距为4.0m。第二排钻孔与第一排钻孔平行布置，孔间距4.0m，排间距2.0m，靠近矿井一侧。两排钻孔呈三花形交错布置，终孔层位位于9-15煤层底板下0.5m。

T1线治理工程目的：在矿井边界外面形成一道长距离的隔水帷幕墙，将头屯河渗水阻隔在矿井边界之外。

T2线布置一排钻孔，前期钻孔间距设计为8m，后逐渐加密到4m，直至准确定位过水通道。揭露老空区或老巷道的钻孔范围，以已施工的一排探查钻孔为中心，左右各平移2m，形成三排钻孔布置形式，三排钻孔孔间距均为4m，呈三花形交错布置。前期施工的中间一排探查钻孔终孔层位位于9-15煤层底板下0.5m。左右两排加密钻孔（投料孔）终孔层位位于揭露老巷道或采空区底板下0.5m。

T2线治理工程目的：T2线区段确定为主要过水通道，进行重点灌浆封堵治理，确保水力联系通道被封堵严实。

3.4钻孔施工探查情况

T1线施工72个钻，揭露2个采空区，3个老巷；T2线共施工钻孔58个，揭露1个采空区，2个老巷。采空区、老巷的查明为进一步帷幕注浆堵漏工作奠定了基础。采空区、老巷揭露示意图见图7。

图7：揭露采空区、老巷示意图

3.5投料注浆

3.5.1注浆参数

①注浆材料：注浆浆液为42.5硅酸盐水泥浆，其水灰比为0.8:1～0.6:1。采用双液浆注浆时，应在浆液中掺加水泥重量3 %的速凝剂（水玻璃）；采用粗骨料混泥土充填老空区时，混凝土由水泥、细沙、石子混合而成，为了增加堵水效果，添加水玻璃，混凝土强度等级为C30。

② 注浆压力：钻孔注浆终压力设计2MPa，可根据现场具体情况进行微调。

③ 钻孔直径：探查孔与检验孔：表土段D=133 mm，基岩段D=91 mm；投料孔：表土段D=215 mm，基岩段D=133mm。

3.5.2投料（注浆投料钻孔平面示意见图8）

图8：注浆投料钻孔平面布置示意图

①按照一孔多用的原则，前期的探查孔由于孔径较小，后期主要作为注浆孔（注水泥双液浆）。投料孔属于探查基础上的加密钻孔，孔径较大主要用来投注粗骨料混凝土。

②揭露实体煤岩层钻孔只进行双液浆（水泥、水玻璃）注浆。水泥浆液可沿实体煤岩层中的裂隙或薄弱区充分扩散充填，增强抗渗性能。

③因煤岩层倾角较大，为确保揭露老巷或采空区治理效果（见图9），采用分排、分序、先低处后高处的施工顺序。在靠近矿区的第一排钻孔（煤层倾向西北）采用粗骨料混泥土充填，在下游形成一道挡墙、防止浆液大范围扩散，第三排钻孔继续充填混泥土粗骨料，并最终充满整个采空区或老巷，中间一排钻孔采用双液浆（水泥、水玻璃）进行加压充填注浆，最终形成一道密实的地下防渗墙。

图9：采空区、老巷充填示意图

4 帷幕注浆效果

自2019年5月15日开始注浆投料，至2019年9月1日工程结束，两期工程合计注浆投料7300.88m3，计15537.36t，共投资3091.72万元。治理工程完成后，老空区涌水量枯水期由4532m3/d最低下降至260m3/d，至2022年5月历经近3年时间，一直稳定在300m3/d左右，即使在夏季丰水期时井下老空区涌水量未出现增加迹象，说明帷幕注浆工程达到预期设计要求，堵水效果明显，彻底解决了矿井多年想解决而未解决的水害问题，为煤矿安全生产提供了保障。每年为矿节省外排水费用317.17万元，硫磺沟煤矿帷幕注浆防治水经验对类似矿井水害治理有很好的借鉴作用。

参考文献：

[1]《煤矿防治水细则》（2018年）

[2]《矿山帷幕注浆规范》（DZ/T 0285-2015）

[3]《煤矿地质工作规定》（2013年）

[4]《煤炭地质勘查钻孔质量标准》（MT/T1042-2007）

[5]《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）（2）；

作者简介：

安学东（1975-），男，山东肥城人，毕业于山东科技大学采矿工程，现任兖矿新疆硫磺沟煤矿安全总监。

(联系人：安学东 手机号：15769009091地址：新疆昌吉市硫磺沟镇兖矿硫磺沟煤矿 邮编：831114 邮箱：yzaxd@163.com  QQ:3463869783)