煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的应用

煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的应用1概况

1.1矿区概况

焦作矿区位于河南省西北部太行山南麓，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28.5亿t。矿区现有8处生产矿井，生产能力350万

t/a。

1.2矿区地质构造

焦作煤田位于太行山复背斜东南翼，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向三组，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。

1.3矿区主要含水层情况

矿区发育有四个含水层（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，将可能造成突水

淹井的毁灭性灾害。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。

1.4矿区水害威胁状况

焦作矿区是全国著名的大水矿区，历史上曾发生多次突水事故，截止2003年底集团公司所属矿井共发生60m3/h以上突水600余次，最大一次突水量为19200m3/h，因突水造成淹井17次，淹采区14次，造成的直接经济损失达3亿元之多，少出煤炭近千万吨，生产矿井的正常涌水量最高达30000m3以上。

如此巨大的矿井涌水量，加上频繁的突水，迫使工作面不得不进行改造，使得煤炭生产难以正常进行，无法使用综采等先进采煤工艺来提高矿井生产能力。

2煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的必要性

2.1水害压煤

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，突水威胁俞加严重，矿区受水严重威胁储量高

达14.5亿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。

2.2矿井经常性涌水量过大

焦作矿区每采一吨煤要排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，吨煤排水费用占吨煤成本20％，造成企业经济效益低下。也造成排水泵房设备老化，矿井抗灾能力

大大降低。

2.3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，而且巨额排水费用矿井也难以接受。

综上所述，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，也是十迫切的。

3煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的可行性

煤层底板含水层注浆改造技术就是沿工作面下顺槽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。

3.1注浆开采有成熟的技术和成功的经验

注浆改造含水层进行开采源于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，已经积累了成熟的注浆改造技术和丰富的经验。

3.2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《华北型煤田奥灰岩深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。

3.3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，确保经济可行。

3.4新型物探手段有助于注浆改造技术成功应用

直流电流物探等新型物探手段的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

面情况，确定富水地段，指导注浆孔的合理布置，另一方面为检验

注浆效果提供了控测手段，有利于注浆改造技术的应用。

通过以上的综合分析，我们认为在焦作矿区实施煤层底板注浆改造

含水层技术是可行性，可以解决长期以来被动防水的难题。

4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

作面下顺槽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

钻孔要分三个序次施工，全部注浆结束后，视钻孔涌水量和进浆情

况确定补打检验孔。制好的粘土水泥浆由泥浆泵→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，注浆后可封堵含水到煤层的导水裂隙，加固煤层底板