摘 要 焦作矿区面对水文地质条件复杂、突水频繁、水害严重的困难，采用煤层底板注浆技术，变被动堵水为主动治水。介绍了煤层底板注浆技术的理论研究成果，实验室分析和现场实施的情况。
关键词 煤层底板注浆 水害治理 焦作矿区
作者为焦作煤业集团公司董事长、党委书记
1 焦作矿区地质构造和主要含水层状况
焦作矿区为掩盖式石炭二叠纪煤田，北依太行山，东至修武、辉县，南抵武陟县，西达博爱县。东西走向长65km,南北倾斜宽20km，矿区总面积约1300km2。矿区主采煤层为山西组二1煤，煤层总厚6~9m，埋深100~1000m，为优质无烟煤，地质储量285亿t。
11 矿区地质构造
矿区处于东西向构造段新华夏系构造的复合部位，区内广泛分布着燕山期以来新生成的各种构造形迹，以多期活动的高角度正断层为主，褶皱构造表现微弱，断裂构造按其展布方向可分为NW向、NE向和近EW向3组，近EW向张性断层和NE向压扭性断层控制着地下水的补给、径流和排泄。
12 矿区主要含水层情况
矿区发育有4个含水层(组)，自上而下分别是第四系(Q)砂砾石含水层；二叠系(P1)砂岩裂隙含水层；石炭系(C3)薄层灰岩岩溶含水层；奥陶系(O2)巨厚层灰岩岩溶含水层，其中后两个含水层（组）对矿井安全生产威胁最大。石炭系(C3)薄层灰岩岩溶含水层主要有八层灰岩含水层（L8）和二层灰岩含水层(L2)，八层石灰岩层厚6~10m，上距二1煤层18~40m，一般20m，该含水层含水性较强，是二1煤层的直接充水水源，矿区曾经发生近千次八层灰岩突水，最大突水量达6300m3/h。该含水层一旦通过构造、矿压破坏等形式与“二灰”、“奥灰”沟通，常会造成淹没采区及矿井的灾害性突水事故，是矿井开采过程中重点治理对象。二层石灰岩层厚8~12m，上距二1煤层70m，下距“奥灰”顶面一般20m，该含水层岩溶裂隙发育，富水性强，水位变化基本与奥灰水位同步，是上覆各含水层的补给水源。当巷道与其接近或通过破碎带与之相通时，可能造成突水淹井事故。奥陶系灰岩含水层(O2)为煤系地层之基底，厚400m，岩溶裂隙十分发育，富水性强，在太行山区直接接受大气降水及地表水的大量补给，然后转为地下径流，向东南运移进入矿区深部，成为焦作矿区各含水层间接的强大补给水源。
2 对煤层底板进行注浆改造，从被动堵水向主动治水转变
面对焦作矿区水文地质条件复杂、突水频繁、水害威胁严重的困难，焦煤集团投入了大量的人力物力，采取了多种水害防治手段。通过长期的探索和实践逐步加深了对焦作矿区水文地质和水害防治客观规律的认识，在搞清水文地质条件的基础上，选择治水效果好、工程量小、投资少的煤层底板含水层注浆堵水技术解决焦作矿区的水害问题。
21 煤层底板注浆技术在焦作矿区应用必要性
(1)水害压煤问题突出。焦作矿区所属各生产矿井均为水文地质条件复杂矿井，主要充水源为二1煤层底板石炭系太原组薄层灰岩岩溶裂隙水。随着开采水平的不断延深和开采范围的不断扩大，水压逐渐升高，水文地质条件变得愈来愈复杂，突水威胁愈加严重，矿区受水患严重威胁储量高达145亿t。如不采取有效措施解决水患威胁，将导致矿区可采储量减少，矿区年产量逐年下降，直接影响到矿区的长远发展。
(2)矿井经常性涌水量过大。焦作矿区矿井经常性涌水量高达24000～30000 m3/h，每采1t煤要排50~60t水，是全国平均水平的5~6倍，仅排水费用每年就高达6000余万元，吨煤排水费达20～30元，占吨煤成本的20%左右，严重影响企业的经济效益，也造成排水泵房设备老化，矿井抗灾能力大大降低。
(3)突水频繁、突水量大。焦作矿区突水之频繁，突水量之大，经济损失之惊人，都达到了极其严重的程度。近几年来，随着矿井开采水平的不断延深，水文地质条件变得愈加复杂，虽然开展了八层灰岩含水层疏水降压等多项综合防治水工作，但对一些水文地质条件复杂、含水层富水性强的地区效果不明显，而且巨额的排水费用矿井也难以承受。
所以，在焦作矿区应用煤层底板含水层注浆改造这一新技术，不仅是十分必要的，也是十分迫切的。
22 煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的可行性
焦作矿区在与水害长期斗争的过程中，实施了一系列综合性水害防治技术，这些实验和研究，也为进一步的煤层底板注浆改造技术研究提供了技术支持。
(1)注浆开采有成熟的技术和成功的经验。注浆改造含水层技术开始于1984年，经过20年来的发展，经历了地面打孔、地面注浆和井下打孔、井下注浆两个发展阶段后，现已实现了井下大面积打孔地面连续注浆的新工艺，并且积累了成熟的注浆改造技术经验。
(2)各矿井水文地质条件已经查明，有利于注浆改造技术的实施。国家级工业性试验项目《华北型煤田奥灰岩溶水综合防治工业性试验》，历经“七五”、“八五”两期工业性试验阶段，通过钻探、物探等多种探测手段，焦作矿区各矿井水文地质条件已经基本查明，为防治水工作奠定了基础。
(3)新型注浆材料确保了注浆改造开采既可行又经济。随着注浆技术的发展，注浆材料也经历了从单液水泥浆到水泥、粘土、水玻璃等多元材料的发展过程，水泥粘土浆不但注浆成本低，材料来源广，而且浆液流动性好，充填效果佳，改造质量高，经济可行。
(4)新型物探手段有助于注浆改造技术成功应用。直流电法物探等新型物探手段在焦作矿区已经推广应用多年，通过对数十个工作面进行探测，证实对探测L8灰岩富水带和岩溶发育带比较准确。通过物探技术探测，一方面可以了解底板含水层裂隙分布情况，确定富水地段，指导注浆孔的合理布置；另一方面为检验注浆效果提供了探测手段，有利于注浆改造技术的应用。
综上所述，在焦作矿区实施煤层底板含水层注浆改造技术是可行的，可以解决长期以来被动防水的难题。
23 煤层底板注浆改造技术的基本原理
煤层底板注浆改造技术，即煤层底板含水层注浆改造技术，就是沿工作面巷道大面积布置注浆钻孔，通过注浆钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而大大减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层被改造为不含水或弱含水层，同时亦增强了煤层底板隔水层的强度，实现工作面不突水开采。
24 煤层底板注浆改造技术的主要内容
煤层底板注浆改造工程主要包括：地面造浆站、井下工作面打注浆钻孔、井下连续注浆等工程。
地面造浆站由储土棚、粗浆池、精浆池、一搅池、二搅池、注浆棚、清水池等设施组成。主要设备有制浆机、搅拌机、杂污泵、泥浆泵、空压机等。根据浆液的扩散半径以及L8灰岩含水层的富水性，在工作面每隔一定距离施工一个钻窝，每个钻窝内施工3~4个注浆钻孔，具体参数根据被改造含水层具体水文地质条件确定。注浆钻孔要分3个序次施工，全部注浆结束后，视钻孔涌水量和进浆情况确定补打检查孔。注浆路线为泥浆泵→输浆钻孔→输浆管路→注浆钻孔→含水层。注浆压力一般为水压的2~3倍，浆液扩散范围较大，注浆后可封堵含水层到煤层的导水裂隙，加固煤层底板隔水层，也可改变L8灰岩富水性，变强含水层为弱含水层或隔水层，同时亦可切断底板L8含水层与L2灰岩及O2灰岩含水层的水力联系，从而达到安全开采之目的。
3 煤层底板注浆改造技术在焦作矿区的应用成果
煤层底板注浆改造技术从1999年10月开始在焦作矿区试验，首先在九里山矿14041等工作面进行。
九里山矿西翼采区水文地质条件极为复杂，一四采区首采面14021在开采中曾发生两次突水，水量分别为840m3/h和360m3/h，造成工作面停产。通过实施该技术，不仅没有发生突水，而且由于浆液大范围扩散充填了水源补给通道，封堵了14021工作面老突水点水量360m3/h，一二采区涌水量也减少600m3/h，仅此一项每年就可节约排水费用320万元，又相对增强了井底泵房的抗灾能力，对矿井安全生产起到了重要作用。
继14041工作面进行了煤层底板含水层注浆改造，实现了开采不突水后，为了推进高产高效矿井的建设，2002年集团公司决定在九里山矿进行首个综采试验。通过应用该技术保证了综采工作面的顺利回采，当年该矿煤炭产量突破90万t，投产近20年来首次实现达产，焦作矿区机械化采煤技术也因此实现了重大突破。2003~2004年该矿连续两年煤炭产量突破100万t，得益于煤层底板含水层注浆改造等关键技术的应用。
该技术在九里山矿成功应用后，又相继在演马庄矿、朱村矿、韩王矿和古汉山矿等矿井进行了推广，不仅避免了大的突水事故的发生，减少矿井涌水量3000 m3/h，年节约排水费用1275万元，取得了显著的经济效益和社会效益，而且为集团公司高产高效矿井的建设打下了良好的基础。
通过对该技术的理论研究、实验室分析和现场实施，取得了以下主要成果：（1）在涌水量和突水量预测方面进行了有益的理论探索。（2）利用地下水渗流场分析法、水文地球化学特征组分法和逐步聚类分析法，判别分析了突水的水源及可能通道，为注浆孔布置提供了科学依据。（3）研制开发了本地粘土和水泥的混合注浆材料，既保证了注浆效果，又降低了工程费用。（4）研制开发了系列井下钻孔高压止水器，解决了注浆钻孔提前出水止水的难题。（5）研制开发了注浆孔固料添加器和柔性阻水材料，解决了在井下封堵突水点时注固料的困难，拓宽了注浆改造技术的应用范围。(6)解决了注浆钻孔在高压水条件下钻进遇到的一系列技术难题。(7)解决了高压情况下注浆时发生的跑浆、底鼓等难题。(8)成功利用该系统封堵井下突水点，减少了涌水量，节约了排水费。
通过煤层底板含水层改造技术的成功应用，焦作矿区实现了水害防治由被动防水向主动治水的战略转变，为综采等先进采煤技术在焦作矿区的应用和推广打下了坚实的基础，具有重要的理论意义和现实意义。该技术2003年被评为河南省煤炭工业科技进步特等奖，2004年荣获河南省科学技术进步奖二等奖。
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