鑫峪沟矿90101工作面出水原因分析及治理

2021年第5
期2021年5月
矿井水害是煤矿五大灾害之一，严重威胁着煤矿的生产安全。

在华北石炭二叠系煤田的开采过程中，底板奥陶系灰岩水是主要突水来源之一。

随着煤层开采深度的增加，奥陶系灰岩中的承压水严重威胁了煤炭的开采。

针对奥陶系灰岩水的威胁，主要采取疏水降压和注浆加固的方式解决，许多专家学者也进行了多方面的研究。

结合煤矿的生产实际进行研究发现，采取注浆加固技术治理效果更好。

采取注浆加固技术，不仅可以使底板形成一个有机整体，还可以切断承压水与煤层之间的联系。

在借鉴前辈研究内容的基础上，对90101工作面出水原因进行分析，并判别出水通道，采取高压动水条件下的注浆堵水工艺进行注浆。

1工程概况
山西介休鑫峪沟煤业有限公司主采5#，9#，11#煤层，属于低瓦斯矿井，煤种属焦煤，资源储量1×108t 。

矿井采用综合机械化开采，一井一面，设计产能9.0×105t/a 。

试采90101工作面长580m ，面宽121m 。

9#煤层的赋存标高+600～+604m ，地面标高+1000m ，埋深400m ，平均煤厚2.5m ，可采储量2.00×105t ，采用倾向长壁法采煤，回采工艺为综采，顶板管理为自
然垮落法。

2017-06-22T18:00，工作面推采至10m 时，工作面割煤后煤壁2处出水，一处为运输顺槽与切眼交汇处，另一处为距切眼机头50m 处，矿方提供的工作面的出水量为600m 3/h 。

根据地质报告，奥灰水水位+900~+913m ，突水前工作面处的奥灰水水压在3MPa 左右。

2出水原因分析及通道判别
工作面发生底板突水，主要是隔水层的薄弱区域失去对水的阻止作用，底板承压水顺着已经形成的导水通道突然或者滞后涌入工作面，致使煤层底板结构失稳破坏突水[1]。

通过对试采90101工作面突水地点的调查，并对突水后的水样进行化验，依据水样化验结果可知，突水水源为奥灰水。

结合矿区的水文地质资料，以及堵水期间注浆测孔揭露和控制的资料，对突水原因进行分析，主要有以下3点：
a)结合钻孔资料，90101工作面底板到奥陶系灰岩之间的岩层比较破碎，强度较低，没有良好的隔水性能，受奥灰承压水的动力作用，岩层受水的侵蚀、软化，其强度进一步降低，裂隙增多，导致奥灰原始导升高度与煤层底板接近，这是底板突水因素之一。

b)在工作面回采过程中，矿压对底板具有严重的破坏作用[2]。

工作面底板任意一个断面都会经历超前支承压力的压缩作用，自工作面煤壁以后将会发生卸压
收稿日期：2021-03-03
作者简介：赵利涛，1986年生，男，河北邢台人，2013年毕业于河北工程大学采矿工程专业，硕士，工程师。

鑫峪沟矿90101工作面出水原因分析及治理
赵利涛
（河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台054000）
摘要：工作面底板突水严重影响煤矿的生产安全。

以鑫峪沟矿90101工作面为工程背景，针对试采阶段发生底板突
水，水源是奥灰水的问题，结合地质情况对出水原因进行分析，并进行突水通道判别，判定导水通道是裂隙通道与奥灰含水层沟通。

采用黏土水泥浆，利用高压动水条件下的注浆堵水工艺进行堵水治理，制订注浆堵水方案设计。

实践表明，治理效果良好，工作面涌突水量减小至80m 3/h ，堵水减水率达87%，达到了设计预期目标。

关键词：底板突水；导水通道；黏土水泥浆中图分类号：TD743文献标识码：A 文章编号：2095-0802-(2021)05-0018-02
Cause Analysis and Treatment of Water Discharge in 90101Working Face of Xinyugou
Coal Mine
ZHAO Litao
(Hebei Coal Science Research Institute Co.,Ltd.,Xingtai 054000,Hebei,China)
Abstract:The floor water inrush of working face seriously affects the safety production of coal mines.Taking 90101working face of Xinyugou Coal Mine as the engineering background,aiming at the problem of water inrush from the floor during the trial mining stage,the water source of which Ordovician water,this paper analyzed the causes of water inrush combined with the geological conditions,judged the water inrush channel,and determined that the water diversion channel was a fractured channel to com-municate with Ordovician limestone aquifer.By using clay cement slurry,the grouting water plugging process under high-pressure dynamic water conditions was used in the water plugging treatment,and formulated the grouting water plugging scheme design.The practice showed that the treatment effect was good,the water inflow of working face was reduced to 80m 3/h,the water plugg-ing rate was reduced to 87%,and the expected design goal was achieved.Key words:floor water inrush;water diversion channel;clay cement
slurry
（总第188期）能源研究
2021年第5期2021年5月
（下转111页）
H .断层落差；X ，Y ，Z .地理三维坐标。

图1动水条件下井下注浆堵水方案设计
底鼓膨胀。

当工作面推采至10m 时，工作面割煤后煤
壁二处出水，这是因为安装调试过程中受矿压与水压叠加作用，煤层底板遭到破坏造成底板支承压力减小，从而发生底板突水。

c)断层构造活化易造成工作面突水，90101工作面处于F 5正断层与F 21正断层中间，断层带附近岩层更加破碎，特别是F 5断层下盘的奥灰抬升后，使得下盘奥灰与9#煤层距离更近，底板岩层与奥灰接近对口，奥灰水补给较为畅通。

突水通道判定：根据矿方提供的突水点特征，工作面突水点为裂隙突水，工程没有发现陷落柱。

目前判断其导水通道应该是裂隙通道与奥灰含水层沟通，包括原生裂隙、断层裂隙、矿压裂隙。

3
注浆治理及方案确定
3.1
高压动水条件下的注浆堵水工艺
高压动水条件下注浆与静水条件下注浆不同，首先要做到在出水区域附近注浆时合理控制注浆压力。

注浆压力直接影响浆液的扩散距离与有效的充填范围。

为使浆液扩散范围适当，既不可将压力定得过低，造成漏注，也不可将压力定得太高，致使浆液扩散太远，甚至刷大原有裂隙通道，出现新的突破口。

具体注浆压力要根据钻孔实测水位和注浆情况在实际施工时进行科学合理的调整[3-4]。

采用黏土水泥浆进行堵水，浆液的三态变化是其成功堵水的内因，黏土水泥浆既具有浆液扩散所需要的流动性，又可脱水密实，形成高结石强度的堵水帷幕，因此具有良好的堵水效果。

3.2注浆方案的确定
通过对90101工作面水文地质资料的分析及水样化验，判断突水水源为奥灰水；对突水原因进行分析，判断底板导水通道为裂隙通道。

判断突水点附近断裂构造的确切位置和含水层的分布及其水力联系，各含水层岩溶裂隙发育程度和岩溶裂隙发育的主要方向，利用高压动水条件下的注浆堵水工艺封堵突水通道，合理设计堵水钻孔。

钻孔设计应布置在突水点水源的补给通道上，使黏土水泥浆液在补给通道上逐渐沉淀，进而充填补给通道，达到堵水的目的。

为提高钻探和注浆效率，一般优先选用定向钻孔（定向钻井）进行突水治理。

首先对钻探工程进行设计，先在突水点附近施工1个奥灰地面观测孔，同时在地面建立制浆注浆系统，然后施工1个地面主孔，设计4~6个水平分支孔，围绕堵水和后续治理区域均匀布孔，钻孔间距40~60m 。

在矿井动水条件下实施注浆堵水钻孔设计方案，如图1所示。

主孔及其水平分支孔钻孔结构、下套管的具体位置按实际情况确定：a)隔离第四系表土地层，0m 至基岩面以下5m ，孔径Φ311mm ，下入Φ244.5mm ×8mm 孔口管，下至基岩层段。

b)基岩到奥灰段，孔径Φ216mm ，下入Φ178mm ×8mm 套管。

考虑到探查孔的技术特点，套管深度依据探查结果而定。

c)奥灰顶界面下20~50m ，孔径Φ152mm ，为裸孔段。

4
工程实践
4.1
工程完成情况
依据注浆堵水设计方案编制安全施工措施，合理安排人员进行90101工作面的注浆堵水工作。

4.1.1钻探工程完成情况
鑫峪沟矿堵水工程自2017年8月20日开始施工，截至2018年7月4日，堵水工程共施工水文观测孔1个，注浆立孔1个，定向分支孔18个，钻探工程量总计6109.4m 。

4.1.2注浆工程完成情况
截至2018年7月4日，鑫峪沟矿累计注浆108727.63m 3，注浆干料45595.68t ，其中黏土40036.98t ，水泥5247.59t ，粉煤灰311.11t 。

4.1.3生产系统恢复
截至2018年4月底，矿井生产系统扩修工程进展顺利，3条大巷均已维修支护好，矿井水仓正常排水，矿井排水量为80m 3/h 。

4.2堵水效果评价
此次90101工作面底板奥灰突水时，最大涌水量峰值为600m 3/h ，突水前奥灰水水压达到3MPa 。

在90101工作面堵水过程中，利用地面定向钻孔探查、封堵奥灰含水层导水通道，改造奥灰上部含水层，减少区域内奥灰水补给，在突水区域自然状态完全开放的前提条件下成功实施了注浆堵水。

至2018年4月30日，工作面涌突水量减小至80m 3/h ，堵水减水率达87%，
单位：m
水文观测孔X ：4104509.574Y ：37600900.953Z ：+1016.63主孔X ：4104361.661Y ：37600872.988Z ：+1013.9
赵利涛：鑫峪沟矿90101工作面出水原因分析及治理
2021年第5期2021年5月（上接19页）
达到了设计预期目标。

在达到堵水目的的同时，综合经济和技术指标，该工程灵活性高、针对性强、堵水成功率高，解放了受水威胁的工作面储量，消除了底板奥灰承压水的隐患，经济效益好。

堵水工作取得成效后，实施工作面支架保护性灌浆。

5结语
分析90101工作面出水原因发现，隔水层的隔水性能、采动矿压、地质构造活化是工作面出水的重要原因。

通过合理判断突水原因及出水通道，最终确定采用高压动水条件下的注浆堵水工艺，堵水效果良好，工作面涌突水量减小至80m3/h，堵水减水率达87%，
实现了设计预期目标，保障了矿井的生产安全，对日后矿井防治水工作的进行具有指导意义。

参考文献：
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［2］郭国政.古汉山矿煤层底板加固与隔水层保护［J］.煤炭工程，2007(12)：61-63.
［3］方刚，梁向阳，黄浩，等.巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术［J］.煤炭学报，2019(8)：2470-2483.
［4］李荣.注浆堵水技术在堡子公司的应用［J］.陕西煤炭，2018(5)：63-69.
（责任编辑：白洁）
顶板支护使用锚杆长度计算公式如下：
L顶锚=R 2药
R2-R2
锚×L药=11.52
15.52-112
()×800≈887，(10)
式(10)中，L顶锚为顶板支护使用锚杆长度，mm；R2
药
为装药半径的平方，mm2；R2为锚固半径的平方，mm2；R2锚为锚杆半径的平方，mm2；L药为装药长度，mm。

锚固剂、泥岩和煤的平均黏结强度为2MPa，则理论锚固力为172kN。

锚杆配件采用型号为M24的高强锚杆螺母，与高强锚杆螺母配合使用的方形带拱托板的尺寸为150mm×150mm×10mm，型号为Q235。

实际工作时，要确保锚杆穿过托盘的高度大于36mm。

b)网片规格如下：网片形成的网孔的规格为50mm×50mm，网片规格为5200mm×1200mm，整个网片呈菱形结构，整个网长2700mm，宽1000mm，网片贴着煤壁安装，以保证搭接长度大于200mm，同时用间距为200mm的铁丝绑扎牢固。

c)支护涉及到的钢筋梯子梁规格如下：钢筋梯子梁的直径为14mm，宽度为80mm，长度为2.4m，采用圆钢加工而成。

d)锚杆布置：保证每排安装6根锚杆，锚杆的间排距为900mm×1000mm。

为了保证锚杆的支护强度以及支护范围，需要确保锚杆于垂直方向倾斜15°安装，且锚杆的锚固力大于150kN，预紧扭矩大于300N·m，其他锚杆均垂直安装。

e)锚索形式和规格如下：选用直径为21.6mm、长度为8300mm的锚索进行支护，锚索的钻孔直径为30mm，每根锚索需配合使用3个CK2360树脂锚固剂，确保锚索与岩层的黏结力大于4MPa。

锚索采用“三三”布置方式，每排布置3个，锚索的间排距为1600mm×2000mm，与锚索配合使用的方形托盘的规格为300mm×300mm×16mm，确保其高度大于60mm。

2.2两帮支护
锚杆形式和规格：工作面帮锚杆选用长度为2200mm、
抗拉强度大于300MPa的玻璃钢锚杆进行支护；锚杆的间排距为1000mm×1000mm，每排布置6根，其中2根与巷道顶板呈75°夹角，其他4根与巷道垂直布置，确保锚杆的预紧扭矩不得大于40N·m，锚杆锚固力大于70kN。

为了充分固定锚杆，每根锚杆需要配合使用1个CK2360树脂锚固剂，锚固剂的钻孔直径为30mm。

锚杆配件：与锚杆配合使用的玻璃钢托盘尺寸为Φ200mm×50mm，帮部铁丝网的规格为3500mm×1200mm，网孔规格为50mm×50mm。

在支护后的巷道内布置了2个综合测站，分别在掘进50m，100m的位置，主要用于监测巷道断面的位移、巷道顶板的离层位移量。

锚杆受力监测和锚索受力监测用于监测巷道顶板底板、两帮的变形量。

日常监测主要考察施工质量和监测巷道使用安全状况。

当监测到顶板离层量大于50mm时，则需立即停止掘进，通知相关部门采取一定的措施；当顶板离层量大于100mm时，则需立即撤离工作人员，并向上级汇报，随后进行处理。

从实际应用效果来看，W1319回风顺槽巷道支护效果良好，保证了生产工作的顺利进行。

3结语
为了保障W1319回风顺槽巷道围岩的稳定性，对巷道进行了支护设计，给出了锚杆、锚索为主，网、梁（钢带）为辅的联合支护方案，通过对锚杆参数和锚索参数的计算，得出了相应的支护参数。

通过现场应用，验证了支护的可行性，为矿井经济效益的提升做出了贡献。

参考文献：
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［2］魏权，焦海朋，田水承.深矿井巷道顶煤冒顶离层治理［J］.矿业安全与环保，2008(3)：66-68.
［3］孙守孝.鹿台山煤业巷道支护参数优化研究［J］.能源与节能，2020(11)：31-32.
［4］闫小军.王庄煤矿9107大断面全煤风巷支护方案优化研究［J］.
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（责任编辑：白洁）
康显强：沙坪煤矿回风顺槽支护设计研究。