1問題的提出

2001年11月24日，皖北煤電集團公司祁東煤礦東翼-420m水平試采3₂22傾斜長壁工作面，在推進48m時，發生了第四系底部礫石含水層1570m³/h特大突水淹井災害，給國家和企業造成了巨大的經濟損失。根據“四含”水文長觀孔水位觀測，突水后水溫變化特點、水質化驗資料和防水煤巖柱構成，分析出水水源為第四系底“四含”水；導水通道可能為采動裂隙溝通風化網絡裂隙；或工作面中部存在有垂向導水裂縫帶，使四含水下瀉所致。

2工作面概況

首采的3₂22工作面位于一平二采區，起止標高為-420~-540m，長800m，寬150m。為傾斜條帶綜采工作面，煤巖柱高度63~73m。煤層厚度平均2.5m，平均傾角

10°左右。第四系松散層厚370m，其底界標高為-358m。3₂煤層直接頂為泥巖，厚度1.83 ～2.41m；老頂為砂巖，厚0.89～10.41m；底板巖性為粉細砂巖為主，厚度28.82m；底板巖性粉細砂巖，厚度約15m左右。

3突水災害的封蓋治理

3.1治理目標與技術難點

治理目標是要把“四含”水進入煤系地層和工作面的主要導水通道予以徹底封堵，消除隱患，保障安全生產。經分析認為上述導水通道大體有兩種：一是“四含”與基巖直接接觸部位的風化網絡裂隙滲透補給通道；二是存在于上部基巖段中，不規則的垂向導水通道（包括構造裂等）及其與采動冒裂帶的延伸與結合。其治理的主要技術難點是：

（1）如何正確分析判斷突水來水通道的隱伏部位和如何通過少量鉆孔進行有效、有控制的注漿封堵。

（2）如何正確確定冒裂帶的上部邊界和通過少量鉆孔實現對采空區和冒裂帶充分的充填灌注，并使固體的硬度達到最適宜的程度。

（3）如何盡可能擴大本次注漿的有效充填范圍，并使各孔之間的“注入體”實現有效的連接和盡可能地向周邊地區延展，以改善其相鄰采區、工作面的生產條件，盡可能防止漿液的無效擴散。

（4）如何通過漿液配比的調控，使早期注入的漿體、中期注入的漿體以及晚期注入的漿體，通過加壓脫水大體上達到同期凝結的目的，并使注漿壓力和單位時間注入量等達到可隨機調整、控制使每一次注漿的有效性和合理性得到提高。

（5）根據注漿的特點和專門要求，在注漿的配套設備和工藝、技術方面必須克服和解決以下難點；①粘土水泥漿的日造漿、注漿能力不小于300m³/d；②純高稠度水泥漿的造漿能力不小于25m³/h，單孔最大注漿能力不小于800L/min，最小注入量不大于80L/min；整個造漿注漿系統具有連續配制漿液和能高壓（20MPa）壓注比重高達1.9的高稠度漿的能力。

3.2封水層厚度的計算

封水層由所投砂石子和其后注入水泥漿膠結形成的壓漿混凝土構成，起到止水“加蓋”的作用，必須有一定的厚度和強度才能阻隔上部“四含水”的涌入，見圖1。



圖1 3₂22工作面治理工程布置平剖面圖

據推突水時的水壓為4.6MPa，按抗剪強度校核其厚度B₂為：

B₂=DР/4[t] (1)

式中B₂——混凝土封水層的厚度；

D——封水層的直徑；取30m；

Р——靜水壓力，MPa；

[t]——抗剪強度MPa，取200^#混凝土的1/5。

由上述校核公式算得B₂=8.7m。

3.3充填固結段注漿壓力的計算與注漿材料的配方選擇

采空區、冒裂帶得到基本充填之后，必須經過“加壓”、“脫水”而使已注入的粘土泥漿固結使之達到必要的強度和保持一定的“可塑性”。通過分析與反復試驗，各孔的注漿壓力Y為：

Y=ρ h+a (2)

Y——注漿壓力，MPa;

ρ——漿液密度，kg/m³；

h——受注點深度，m；

a——孔口壓力MPa，經反復試驗取2.7～4.4MPa,見表1和表2。

充填固結段的堵水材料必須具有膠凝封水的特性和有一定的塑性，在地層巖移沿未穩定的條件下，膠凝后的漿液不致由于巖層的移動而受破壞，失去隔水性能，因此漿液在膠凝后仍應具有一定的塑性，能隨著巖移的變形而變形，不破壞其隔水性能。經反復論證，決定選用粘土水泥復合漿液。這種漿液每立方米膠凝材料中粘土約占體積的80%，水泥約10%，其它為改性添加劑，漿液的成本較單純的水泥漿液要低廉，是適合于大空間注漿使用的漿液。注漿工藝如圖2。

表1 3₂22工作面突水災害治理工程上部基巖封水注漿情況簡表



表2 3₂22工作面采空區、冒裂帶加壓脫水注漿達標情況簡表





圖2注漿工藝系統圖

4堵水質量評價

本項工程共注入粘土泥漿41717.4m³，各項技術指標均已達到《堵水設計》的要求，多個鉆孔取芯檢查和孔內水位（放水量）的檢測證實，可以認定：治理已取得了成功。主要依據如下：

（1）3₂22工作面采出空間和閘內巷道的容積，以及由此引發的采動冒裂帶可供導水、存水的總容積不足2萬m³，而實際注入的漿液總量為4.17萬m³，以最大的縮小、壓實系數70%計算，其固化后的總體積至少應有3.0萬m³，這從數量上表明，不僅上述儲水導水空間可以得到充分的充填，而且還有足夠的富余能力去充填基巖冒裂帶以上的層間裂隙并向兩側巖體充填、擴散。

（2）各孔充填注漿的最終注漿壓力、單位時間注入量和閉漿穩壓時間等均已嚴格達到《堵水設計》的要求，而用升壓的條件和過程明確、清楚。

5治理效果

祁東煤礦底礫含水層突水災害堵水治理工程歷時2個多月，共施工鉆孔8個，采用靜水注漿技術，底礫含水層和基巖風化帶封蓋堵水；采空區和冒裂帶充填固結的治理思路，形成了縱橫交錯的注漿帷幕封堵蓋，堵水率達100%，效果良好，不僅消除水害隱患，而且節省了排水開支，安全地撤出綜采設備，保護了地下水資源，取得了良好的社會經濟效益。