回采工作面底板注浆加固防治水技术新进展
采煤工作面底板加固和含水层改造防治水方法
采煤工作面底板加固和含水层改造防治水方法李 飞,安栓志,高 琪(永城煤电集团公司车集煤矿,河南永城476600)摘 要:永城煤电集团公司车集煤矿水文地质条件相对复杂,在采煤生产过程中多次发生工作面突水事故,严重影响矿井的安全生产和经济效益。
该矿经过认真细致的研究,提出了采煤工作面底板加固和含水层改造的防治水方法,并取得了显著效果。
关键词:工作面防治水;底板加固;含水层改造中图分类号:T D74 文献标识码:B 文章编号:1008-8725(2004)11-0075-020 前言永城煤电集团公司车集煤矿,设计年产180万t,主采煤层为二叠系山西组二2煤层,矿井水文地质条件复杂。
自1999年底投产以来,连续5次发生工作面底板突水事故,先后淹掉3个综采工作面和2个炮采工作面,经济损失较大。
2002年成立了专门的防治水机构,针对矿井的水文地质条件,采取了底板加固和含水层改造的防治水方法。
1 矿井水文地质条件车集煤矿主采煤层为二叠系山西组二2煤层,下距石炭系上段灰岩含水层组50m左右,该含水层组有6层石灰岩组成,层间夹有泥岩及砂质泥岩,各层灰岩层位稳定,裂隙发育,富水性强,渗透系数一般为2～20m/d,水压4～6MPa,各含水层之间存在水力联系,是工作面发生突水的主要水源。
煤层底板岩层是一组砂、泥岩互层的隔水层组,由于地质构造复杂,隐伏断裂发育,构成高压水的导水通道。
在煤层开采过程中由于地压和水压的共同作用,地下水沿着通道进入工作面,发生突水,而且突水量大,来势凶猛,不易疏干。
2 工作面突水可能性分析主采煤层底板隔水层厚度为50m,由砂、泥岩组成,抗压强度低(1157～5188MPa)。
根据经验,回采时受采动影响底板直接破坏深度为10～17m,剩余有效隔水层厚度仅有35 m,底板承受水压值为5MPa。
根据公式计算,煤层底板隔水层有效安全厚度应大于50m,而实际仅有35m,远远小于安全厚度,可能发生底板突水;再根据底板水压应力比Ip随底板突水阻抗因子和底板导水裂隙发展因子直至突水的尖点突变模型规律可知Ip>1,同样可能发生突水;加之局部地段存在原始导高,更增加了突水的可能性。
浅谈21051工作面底板注浆加固技术及安全技术措施
作 面的 概 况 及 底 板 注 浆加 固技 术 工 艺 ， 并 提 出 了 一 些安 全 上 的措 施 。 关键词 ： ２ １ ０ ５ １工 作 面 ； 底 板 注浆 加 固 ； 技术 ； 安 全措 施
工 作面 概 况
一
、
薄煤区域与厚煤 区域呈不规则条带交替 出现 。
二、 注 浆 Βιβλιοθήκη 艺 ２ １ ０ ５ １ 工作面位于 ２ １ 采 区东翼 ， 西至 ２ １ 采 区回风 、 胶带及 轨道下山 ， 东为 ２ ３采区煤 柱 ， 北至箕 Ｆ ８ ７断层 保护煤 柱 ， 南 为
（ １ ） 工作 面底板加 固封孔 和加 固套管 以注双 液浆为 主 ， 主
２ １采区 ２ １ ０ ３ １ 准备工作 面。地 表为 受风化 剥蚀 的低 山丘 陵地 貌。工作 面煤 层 结构 简 单 ， 根据 ２ １ ０ ５ １上 顺 槽 实揭 资 料 显示 ２ １ ０ ５ １工作面局部煤 层 含夹矸 ， 煤 层 呈黑 色 ， 为 块状 、 粉末 状 、
资料及周边钻 孔资料分析 ， 工作 面发 育有 ３个 不规则 薄煤 带 ，
需要一批有高 素质 、 高水平 、 高能力的人来胜任 ， 只有栽下 梧桐 树， 方 能引来金凤凰 ， 煤 矿企业 不仅 要栽 下职教 培训 这棵 梧桐
树， 更 应精心栽培这棵梧桐树 ， 只有这样 ， 才能 吸引更多更 好的 金凤凰栖息安 家。而切 实提 高煤 矿职教教师工资待 遇 ， 就 是吸 引人才 、 留住人才的关键所在 。 最后 ， 给女教 师 提供 更 多接 触一 线 的机 会 。通 过组 织 下 井、 下 现场 调研 等多种方式 ， 使女 教师能够更深入 、 直观地 了解
的枯燥性 。但是枯燥与否针对不 同的主体 却有不 同的反映 ， 对
底板注浆改造防治水技术应用
２ １ ２ 注 浆 孔 终 孔 间距 ．．
考 虑 到 各 注 浆 孔 浆 液 扩 散 的 相 互 影 响 ， 近 临 的 ３个 注 浆 孔 采 用 三 角 形 布 置 将 达 到 更 好 的 效 果 以 消 除 “ 区 ” 半 径 一 般 应 不 大 于 ３ ｍ， 据 盲 ， ５ 根
灰岩 ， 去煤层厚 度 ， 到 ３ 除 达 ５—３ ｍ， 级 套 管 有 ８ 二 效 长 度 不 小 于 ３ ｍ， 果 Ｌ 灰 岩 有 水 ， 壁 问 注 ５ 如 ， 先
５ ７
新 义 煤 矿 １ Ｉ 作 面 临 界 突 水 系 数 取 ０１ 工 １
与煤 层 底 板 的 垂 直 距 离应 不 小 于 ６ ｍ。 ０
根 据 瞬 变 电磁 探 测 结 果 ， 义 煤 矿 １０ １工 新 １１ 作 面存 在 多 个 富水 异 常 区 ， 虑 到 新 义 矿 为 新 建 考 矿井 ， 有 前 期 注 浆 改 造 经 验 ， 此 ， 用 一 孔 多 没 因 采
一
新 义 井 田 位 于 新 安 煤 田 倾 伏 向 斜 北 翼 的 深
般 经 验 以及 安 全 方 面 考 虑 ， 计 注 浆 孑 终 孑 间 设 Ｌ Ｌ
部， 区外 浅 部 毗邻 新 安 煤 矿 ， 部 毗 邻 义 安 煤 矿 ， 东
井 田 面 积 约 ４２． ｍ 矿 井 设 计 生 产 能 力 ７ｋ 。
（义 煤 集 团 新 义 煤 业 河 南 新 安 ４ １ ｏ ７ ８ ｏ）
摘 要 ： 绍 了义 煤 集 团新 义煤 业 在 １ ０ １工 作 面采 用煤 层 底 板 注 浆 改 造 防 治 水 技 术 的 应 用 及 介 ｌ ｌ
注浆效果。
关 键 字 ： 水 底 板 治
综采工作面立体加固底板防治水技术应用
综采工作面立体加固底板防治水技术应用发布时间：2022-11-01T03:25:05.870Z 来源：《科学与技术》2022年第13期作者：何万里[导读] 5101工作面为带压开采，且有多个陷落柱穿过工作面，且底板强度低何万里（天地科技股份有限公司神木分公司，陕西神木719300）摘要: 5101工作面为带压开采，且有多个陷落柱穿过工作面，且底板强度低、抗水性较差。
针对此地质条件下的带压开采，对工作面的底板突水危险性分析评价引发突水的主要因素，并采用立体加固底板技术综合治理底板突水。
经分析，带压开采条件下断层破碎带将各层含水层联系，作为涌水通道沟通了各含水层与工作面。
通过采用隔水层注浆加固配合石灰岩含水层顶部岩层注浆改造的防治水方案，成功防止了底板突水，实现安全带压开采。
关键词：底板；突水；带压开采；断层1工程背景某煤业5101工作面为带压开采，主采5#煤层，煤厚约为10m，煤层埋深约为340-370m。
整个井田范围内5#煤层几乎都位于奥陶系石灰岩含水层的高水压之上，工作面安全受到底板突水的巨大威胁。
5101工作面为5#煤层的首采工作面，根据地质资料，5101工作面范围内存在多条构造带，这些构造可能成为沟通含水层与煤层的涌水通道。
2 工作面突水危险性评价5101工作面为5#煤层的首采工作面，且带压开采、构造发育，因此必须对其突水危险性进行评价。
根据本矿井及相邻矿井资料可知：（1）砂岩裂隙含水层与石灰岩岩溶水层是太原组的主要含水层，本矿井的主要含水层为砂岩含水层与L1、L2石灰岩含水层。
根据以往地质勘探钻孔岩芯分析，L1石灰岩含水层赋存较为稳定，厚度范围为1-6m，平均约2.46m；L1石灰岩含水层裂隙十分发育，且随着深度增加，裂隙与溶孔的发育程度增加，具备富水条件，因此L1石灰岩含水层为5#煤层的主要含水层。
（2）5#煤层底板与L1石灰岩含水层间岩层有泥岩与砂岩等，泥岩厚度约占80%。
泥岩抗压、抗拉、抗剪强度均较低，且泥岩遇水崩解强度进一步大大降低，因此煤层底板抗水性较低。
工作面煤层隔水底板注浆增厚加固技术
工作面煤层隔水底板注浆增厚加固技术发布者：陈书平发布时间：2006-12-6 16:12:00摘要摘要：本文主要介绍了焦作市方庄煤矿23071工作面煤层隔水底板注浆增厚加固技术。
通过对煤层隔水底板实施注浆，不但加固了底板，也保证了工作面的安全生产，经过钻孔压力试验及工作面回采检验，证明了煤层隔水底板注浆增厚加固技术的合理性和实用性。
目前改技术一已在方庄矿得到广泛应用。
关键词：矿井水；隔水底板；注浆；增厚加固正文矿井水害是煤矿生产过程中主要的地质灾害之一。
煤矿企业在治理矿井水害方面主要采取的措施有：打疏水降压钻孔、掘泄水巷、增加排水设施、增大排水能力等，通过这些治水措施的实施，矿区地下水位大幅下降，大量的地下淡水变成矿井污水排出地面，排水费用明显增加。
如焦作市方庄矿区，地下潜水水位由原来的+80m下降至目前的+60m，位于二1 煤层地板的 L8灰岩含水层水位由原来的+80m下降至目前的-91m，每年排出矿井污水1970万m3，每年用于排水的费用高达950万元。
由于地下水资源是影响我国经济发展的重要资源之一，据统计，我国淡水人均占有量只相当于世界人均的1/4，居世界第100位，被列为严重缺水国家之一。
因此，研究在治理矿井水害的同时保护地下水资源，尽可能地减少地下水资源的排放量，降低排水费用是煤矿安全生产技术管理的新课题。
焦作市方庄煤矿通过在23071工作面对二1煤层隔水底板实施注浆增厚加固技术，既保证了矿井安全生产，又减少了地下水资源的排放量，同时降低了排水费用，取得了显著的经济效益和社会效益。
1 矿井概况焦作市方庄煤矿始建于1958年，设计生产能力60万t/年，核定生产能力82.2万t/年。
开拓方式为立井暗斜井开拓，采煤方法为走向长避采煤法。
井田内地质构造极为复杂，构造主要以高角度的正断层为主，局部存在褶曲构造，井田内煤系地层自西北向东南呈现一单斜构造。
矿井开采深度100m~740m，开采煤层为二叠系山西组二1煤，煤层厚度 1.5m~7.5m，平均厚度5.5m，煤层倾角5°~22°，全区分布稳定。
回采工作面防治水措施
*****回采工作面防治水措施
根据《煤矿安全规程》、《矿井水文地质规程》、《煤矿防治水条例》、《阳泉矿区矿井防治水实施细则》的要求，为了贯彻落实“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的防治水原则，为了防止水害事故的发生，做到防患未然特编制*****回采工作面防治水措施。
****工作面****部为未采区域，**部为***已采工作面（无积水）。
工作面初采跨越中川河上游，预计盖山厚度在350—400m 之间。
预计工作面充水因素为中川河第四系空隙水第四系空隙水（或大气降水）、上下石盒子组山西组砂岩裂隙水、太原组砂岩及灰岩裂隙水。
本面开采标高大于奥灰水位标高故无奥灰水威胁。
1、回采工作面如发现煤层变潮湿、挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板及煤帮出现淋水现象、顶板来压、水有异味等出水征兆时，应立即停止作业，向矿调度室汇报并将人员撤到安全位置。
2、当工作面上方各含水层充水较弱时回采工作面一般不会发生涌水。
预计工作面最大涌水量为20m3/h，正常涌水量为5m3/h。
3、****回采工作面进风中部低洼处配备一定能力的排水泵和配套管路，定人、定期进行检查保养，保证水泵的完好，以防发生涌水时影响正常排水。
4、工作面回采至70—260 m范围内将跨越地面中川河,在此回采阶段如有顶板淋水要及时汇报，防止地表水沿沉陷裂隙补给下伏含水层而增加工作面涌水。
应及时填堵河床裂缝。
5、工作面发生顶板淋水或涌水时，立即启动进风排水泵将水排至采区水仓。
地质测量部。
工作面结采时顶板注浆加固技术实践
工作面结采时顶板注浆加固技术实践摘要：本文探讨了工作面结采时顶板注浆加固技术实践的研究。
首先，介绍该技术的主要原理。
然后，着重讨论该技术的优势，包括对地表的保护、改善工作环境安全、减少修复工作量等。
此外，本文还介绍了一些实践案例，介绍了该技术在实际应用中所取得的成功。
最后，总结了该技术在实践中的应用及其局限性。
关键词：工作面结采、顶板注浆加固、环境安全、工作环境正文：工作面结采时顶板注浆加固技术是一项在矿山开采过程中进行加固的技术，在不改变工作面原始结构的情况下，通过水泥和外加强剂的混合施工，使工作面的表面、侧墙和天花板受到加固，��以增强面部的整体稳定性。
该技术具有很多优势，如对地表的保护、改善工作环境安全、减少修复工作量、缩短工作时间等。
经过实践，该技术在实际应用中取得了良好的效果，如地下矿山开采过程中，采用顶板注浆加固技术来加固工作面，可以更有效地提高工作环境的安全，减少修复工作量。
同时，该技术还可以更有效地减少工作量，缩短工作时间，提高开采的效率。
然而，这项技术也存在一些不足。
首先，顶板注浆加固技术需要大量的人力、资金，特别是混合施工过程中需要操作技术和材料使用技术，使顶板注浆加固技术费用相对较高。
此外，由于其施工方法的特殊性，在混合施工过程中需要严格控制施工技术，否则可能对环境造成污染。
因此，对于工作面结采时顶板注浆加固技术，我们应该在它的实践中注意其优势和局限性，合理利用这项技术的优势，尽量避免其局限性的影响，从而帮助开采者更快更有效的完成开采任务。
工作面结采时顶板注浆加固技术的使用可以在很大程度上提升地质环境的安全性，有效抑制体积变化，避免开采进行中出现地质灾害。
同时，通过注浆加固技术，有效抑制泥柱的水文破坏，减少抽水对工作面结构的影响，同时有效改善空气的污染，使工作环境变得更加安全。
此外，该技术还可以改善工作环境的安全性，减少抽水、平均渗流和静水扰动等破坏，避免斜坡失稳或塌陷，从而提高工作面的安全性。
带压开采工作面底板注浆加固防治水技术研究
明，巷道顶底板及两帮围岩变形均处于较小值，采用该支护方式有效控制了巷道围岩变形，为矿井安全高效生产提供了有力保障。
参考文献：[1]李为腾，李术才，玄超，王琦，王新，邵行.高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34（9）：1836-1848.[2]张广超，何富连.深井高应力软岩巷道围岩变形破坏机制及控制[J].采矿与安全工程学报，2015，32（4）：571-577.[3]李英明，张瀚，孟祥瑞.软岩巷道二次支护时机研究[J].煤炭学报，2015，40（S1）：47-52.[4]何富连，张广超.深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控制[J].岩土力学，2015，36（5）：1397-1406.[5]高明仕，赵一超，李明，曹志安，张健.软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践[J].岩土力学，2014，35（8）：2307-2313.[6]高振勇，樊正兴.深井软岩巷道二次锚网索支护技术[J].煤炭科学技术，2014，42（2）：12-15.作者简介：刘修文（1970-），男，山西霍州人，毕业于太原理工大学煤矿开采专业，现就职于霍州煤电集团公司辛置煤矿，工程师，研究方向煤矿开采技术。
（收稿日期：2017-12-11）水害对矿井安全生产有重大威胁，当矿井开采由浅部转向深部，矿井水害的管理难度也大幅增加。
针对含水层水而言，砂岩水的水压相对较小，采取适当的探放水技术措施能够将威胁消除，然而灰岩水具有压力高、富水性强的特点，实际生产中若控制方法选择不当很容易引发事故，因而需要重点进行预防控制。
老空水水量一般较大，在巷道掘进前需对该区域地质资料进行仔细了解，严格执行“先探后掘，有疑必探”方针，对采空区周边水量赋存情况做到充分了解，可采取留设安全煤柱或疏放措施对采空区积水进行治理。
本文通过对带压开采条件下工作面底板加固防治水进行研究，可为相似工程背景的水害防治提供一定的参考借鉴，丰富了矿井水害防治的工程实践。
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㊀第４２卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ ４２㊀Ｎｏ １㊀㊀２０１４年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪａｎ.㊀２０１４㊀回采工作面底板注浆加固防治水技术新进展许延春ꎬ杨㊀扬(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院ꎬ北京㊀１０００８３)摘㊀要:基于回采工作面底板注浆加固技术对我国大水矿区防治底板承压水突水事故的重要性ꎬ介绍了该技术在理论方法和工程实践等方面的新进展ꎬ包括:大埋深工作面底板破坏深度计算方法ꎬ注浆加固工作面突水 孔隙－裂隙升降型 结构力学模型ꎬ注浆加固模拟试验ꎬ底板破坏深度的直流电法探测技术和赵固二矿加固工程参数优化等ꎬ最后对突水机理研究㊁注浆材料研制㊁探测手段发展和治水方法进步等方面进行了展望ꎮ关键词:工作面底板ꎻ含水层ꎻ注浆加固ꎻ防治水中图分类号:ＴＤ７４５ ２１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:０２５３－２３３６(２０１４)０１－００９８－０４ＮｅｗＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＦｌｏｏｒＧｒｏｕｔｉｎｇＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｉｎＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＦａｃｅＸＵＹａｎ￣ｃｈｕｎꎬＹＡＮＧＹａｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００８３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｆｌｏｏｒｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｆｌｏｏｒｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈａｃｃｉ￣ｄｅｎｔｓｉｎＣｈｉｎａ'ｓｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｍｉｎｅａｒｅａꎬｔｈｅｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｆｌｏｏｒｇｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｄｅｐｔｈｏｆｃｏａｌｓｅａｍｆｌｏｏｒｉｎｄｅｅｐｍｉｎｅꎬｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓｍｏｄｅｌ ｐｏｒｏｕｓａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｄｌｉｆｔｔｙｐｅ ｏｆｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｉｎｃｏａｌｆａｃｅｓꎬｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｅｓｔｆｏｒｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎬｔｈｅＤＣｄｅｔｅｃｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｄｅｐｔｈｏｆｃｏａｌｓｅａｍｆｌｏｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＺｈａｏｇｕＮｏ.２Ｍｉｎｅ.Ｉｎｔｈｅｅｎｄꎬｔｈｅｏｕｔｌｏｏｋｏｆｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈｍｅｃｈａ￣ｎｉｓｍꎬｇｒｏｕｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｒｅｓｅａｒｃｈꎬｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｐｒｏｇｒｅｓｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆａｃｅｆｌｏｏｒꎻａｑｕｉｆｅｒꎻｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎻｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ收稿日期:２０１３－１０－１１ꎻ责任编辑:曾康生㊀㊀ＤＯＩ:１０.１３１９９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０１.０２３基金项目:国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１３ＣＢ２２７９０３)作者简介:许延春(１９６３ )ꎬ男ꎬ河北乐亭人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｙａｎｃｈｕｎ－ｘｕ＠１６３ ｃｏｍ引用格式:许延春ꎬ杨㊀扬.回采工作面底板注浆加固防治水技术新进展[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２(１):９８－１０１ꎬ１２０.ＸＵＹａｎ￣ｃｈｕｎꎬＹＡＮＧＹａｎｇ.ＮｅｗＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＦｌｏｏｒＧｒｏｕｔｉｎｇＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｉｎＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＦａｃｅ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２(１):９８－１０１ꎬ１２０.０㊀引㊀㊀言㊀㊀目前ꎬ全国煤矿遭受水害威胁的煤炭储量高达２５０亿ｔꎬ主要分布在占全国产量５０％以上的华北型的石炭 二叠系煤田[１]ꎮ华北型石炭 二叠系煤田基底普遍赋存有奥陶纪或寒武纪厚层石灰岩ꎬ矿井水文地质条件较为复杂[２]ꎬ煤炭资源的开采受水害威胁严重ꎬ突水事故频繁发生ꎮ随着我国煤矿开采深度和强度不断增加ꎬ回采工作面受底板承压水威胁也越来越严重ꎮ目前回采工作面底板注浆加固技术是一种改善底板隔水性㊁提高底板完整性和抗水压能力的重要的防治水技术措施ꎬ对防治煤矿底板水患ꎬ保障矿井安全正常生产起到了很好的效果ꎮ回采工作面底板含水层注浆加固改造技术(简称底板注浆加固技术)是目前防止底板突水的重要举措ꎬ根据岩水应力关系学说ꎬ煤层底板下伏承压水是底板突水的物质基础ꎬ水压㊁矿压是煤层底板突水的力源ꎬ导水裂隙是底板突水的水力通道ꎮ大量的生产实践证明ꎬ削弱底板突水物质基础最直接的方法是注浆充填㊁阻隔底板直接充水薄层含水层的裂隙㊁断层和岩溶等导水通道和储水空间ꎬ使其变为隔水层或相对隔水层[２－４]ꎬ因此很有必要对底板注浆加固技术进行探讨和研究ꎮ８９许延春等:回采工作面底板注浆加固防治水技术新进展２０１４年第１期１㊀底板注浆加固技术原理㊀㊀回采工作面底板含水层注浆加固技术是２０世纪８０年代中后期发展起来的一种注浆防治水方法ꎮ当煤层底板含水层富水性强且水头压力高ꎬ或煤层底板隔水层薄ꎬ底板有导水构造破碎带等ꎬ则工作面底板突水危险性高ꎮ㊀㊀据统计ꎬ底板受构造破坏块段突水系数一般不大于０ ０６ＭＰａ/ｍꎬ正常块段不大于０ １０ＭＰａ/ｍꎮ当工作面突水系数大于临界突水系数时ꎬ一般可采取２种防治水措施ꎮ①采用疏水降水压方法ꎬ降低突水系数ꎬ实现安全开采ꎮ但是当含水层富水性强㊁补给性好时ꎬ会遇到难以疏降水压㊁排水量大㊁费用高㊁疏降时间长等问题ꎬ因此目前很少有矿井采用该方法疏降奥灰或与奥灰有水力联系的含水层ꎮ②采用对底板含水层改造与隔水层注浆加固防治水方法ꎬ可通过增加隔水层厚度降低突水系数ꎬ减少矿井突水危险性ꎬ并且有效果显著㊁工程规模灵活㊁技术可行等优点ꎬ目前被大多数矿井采用ꎮ㊀㊀如图１所示ꎬ底板注浆加固技术原理是利用回采工作面已掘出的上部回风巷和下部运输巷ꎬ应用地球物理勘探成果或钻探等手段ꎬ探查工作面范围底板岩层的富水性及其裂缝发育状况ꎬ通过设计加固工程参数ꎬ采用注浆措施改造含水层和加固隔水层ꎬ使其变为相对隔水层或进一步提高其隔水性ꎮ注浆站可建在地面也可建在井下ꎬ注浆材料选择水泥㊁黏土水泥浆㊁粉煤灰水泥浆等ꎮ当前随着对水泥等原材料的过度消耗ꎬ对环境造成了严重污染ꎬ国内外材料科学工作者开始致力于工业废渣的资源化利用ꎬ研制开发新型绿色注浆材料[５]ꎮ图１㊀煤层底板注浆加固技术原理示意２㊀底板注浆加固技术新方法２ １㊀底板破坏深度的计算㊀㊀工作面底板导水破坏带深度(以下简称底板破坏深度)是设计防水安全煤岩柱㊁评价底板突水危险性及确定底板注浆加固深度等的关键参数ꎮ底板注浆加固工作面与未加固工作面的底板破坏深度采用相同的计算公式ꎮ㊀㊀１)经验公式ꎮ«建筑物㊁水体㊁铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程»[６](以下简称«三下采煤规程»)中给出了３个工作面底板破坏深度的统计计算公式:ｈ１＝０ ７００７＋０ １０７９Ｌｈ１＝０ ３０３Ｌ０ ８ｈ１＝０ ００８５Ｈ＋０ １６６５α＋０ １０７９Ｌ－４ ３５７９式中:ｈ１为底板破坏深度ꎬｍꎻＨ为开采深度ꎬｍꎻα为煤层倾角ꎬ(ʎ)ꎻＬ为工作面斜长ꎬｍꎮ㊀㊀从以上计算公式可以看出ꎬ３个统计公式均没考虑采高的因素ꎮ据«三下采煤规程»中３个统计公式获得的实测数据可知ꎬ大部分实测数据集中于埋深小于４００ｍ和采高较小的条件ꎬ适用性分析表明式上述３个公式仅适用于埋深小于４００ｍ的工作面ꎬ当埋深大于４００ｍ时计算结果误差较大ꎮ实际应用时ꎬ一般采用３个公式计算ꎬ然后选择１个数值较大的结果ꎬ以保障安全性ꎮ㊀㊀有学者通过实测资料做了进一步的研究分析[７]ꎬ总结出了埋深大于４００ｍꎬ采高小于４ ５ｍ条件下ꎬ并且反映采高因素的底板破坏深度ｈ１的统计公式:ｈ１＝０ ０４２Ｈ－０ ４１６α＋０ ０１３Ｌ－３ ２７６Ｍ＋７ ２５５ꎬ其中ꎬＭ为工作面采高ꎮ同时ꎬ分别对大埋深条件下受断层影响㊁一次采全高和特厚煤层分层开采工作面底板破坏深度进行了计算分析ꎬ得出了对应底板破坏深度的修正计算公式:断层影响时ｈｄ＝Ａｄｈ１ꎻ一次采全高时ｈｑ＝ｈ１＋４ ３ΔＭꎻ特厚煤层分层开采时ｈｆ＝ｈ１＋０ ５７Ｍ２ꎮ其中:Ａｄ为比例系数ꎬ取１.０~１.６ꎻΔＭ为一次采全高度与３.６ｍ的采高增量ꎻＭ２为第２分层采高ꎮ㊀㊀２)基于支持向量机(ＳＶＭ)的底板破坏深度预测ꎮ选取尽量多的底板破坏深度实测样本用来建立底板破坏深度模型ꎬ即训练样本ꎻ选取需要预测的少量样本用来预测ꎬ即预测样本的核函数ꎬ分别选用多项式核函数㊁ＲＢＦ核函数和Ｓｉｇｍｏｉｄ核函数进行预测ꎬ选取最优的作为预测模型的核函数ꎮ分别用网格搜索算法(Ｇｒｉｄｓｅａｒｃｈ)㊁遗传算法(ＧＡ)和粒子群算法(ＰＳＯ)进行预测ꎬ选择最优的预测结果[８]ꎮ２ ２㊀底板破坏深度探测方法㊀㊀常规底板破坏深度探测方法ꎬ常用观测方法有钻孔注水法㊁电磁波法㊁钻孔声波法㊁超声成像法㊁钻孔应变感应法和震波ＣＴ技术[９－１１]ꎮ对高突水危险９９２０１４年第１期煤炭科学技术第４２卷的工作面观测钻孔可能成为导水通道ꎬ因此须采用封孔的观测方法ꎬ为此发展了直流电法观测法ꎮ工作面底板布置观测钻孔ꎬ钻孔中安装专门电极电缆(一般电极间距２ｍ)形成电极观测线ꎬ采用对称四极电剖面法ꎮ观测开采前后底板岩体的视电阻率变化ꎬ从而反映岩体裂隙(缝)的生产和发展ꎮ确定结果解释选择电缆下面的地质点ꎬ选取岩层电阻率值一般是正常值的１ ５倍作为底板破坏深度的边界ꎬ研究开发了直流电法观测和空间定位解释方法[１２]ꎮ２ ３㊀底板注浆加固模拟试验㊀㊀中国矿业大学(北京)研制成功突水地质力学试验平台[１２]如图２所示ꎬ可进行底板突水及加固效果的相似模拟试验ꎬ可得出了顶底板的破坏规律㊁视电阻率变化规律和底板岩层应力分布规律ꎮ试验结果表明对底板进行注浆加固ꎬ改善底板隔水层结构和提高岩层强度ꎬ能够积极有效地防治煤层底板突水事故ꎮ图２㊀突水模拟试验装置示意２ ４㊀注浆加固工作面底板突水模型㊀㊀通过对近年来焦作矿区底板注浆加固工作面８起突水事故原因综合分析ꎬ认为导致工作面突水主要是由于地质构造㊁采动影响㊁注浆加固改造技术因素㊁高阻异常区等因素造成[１３]ꎮ㊀㊀很多学者对工作面底板突水的机理进行了大量研究ꎬ但对于注浆加固后的工作面底板突水的机理研究相对较少ꎬ更没有形成相应的理论ꎮ文献[１３]提出了 注浆加固工作面突水 孔隙－裂隙升降型 力学结构模型 ꎬ文献[１７]提出了参考孔隙裂隙弹性理论对双重孔隙介质的划分ꎬ按照底板岩体的破碎程度和裂隙连通性ꎬ将岩体大致分为４型:①Ⅰ型孔隙岩层ꎬ底板岩层完整ꎬ主要是连通性差的节理㊁裂隙ꎬ则基本符合单一孔隙体模式ꎬ如图３ａ所示ꎻ②Ⅱ型裂隙岩层ꎬ岩层中存在裂隙ꎬ但不贯通ꎬ符合非贯通孔隙－裂隙模式ꎬ如图３ｂ所示ꎻ③Ⅲ型导水岩层ꎬ裂隙岩层贯通导水如图３ｃ所示ꎻ④Ⅳ型导㊁储水岩层ꎬ底板岩层比较破碎ꎬ表现为即有主裂隙通道ꎬ又有次生裂隙通道ꎬ如图３ｄ所示ꎮ图３㊀孔隙－裂隙岩体类型㊀㊀注浆加固不会改变岩石的结构性质ꎬ主要使得破碎岩体裂隙及岩溶被充填ꎬ使岩体变得致密ꎬ裂隙的连通性随之下降ꎬ从而岩层类型降低ꎮ如果注浆效果理想ꎬ所有类型的岩体都会变成Ⅰ型岩体ꎮ然而比较现实的情况是ꎬ对于部分断层带和破碎带注浆充填加固后ꎬ岩体类型只降到Ⅱ型岩体ꎮ在采动作用下ꎬ注浆后底板损伤或原始损伤底板中的裂隙重新扩展并相互贯通ꎬ从而岩层类型上升ꎮ当Ⅰ型岩体发育为Ⅱ型时工作面不突水ꎬ但是当部分区域由Ⅱ型岩体上升为Ⅲ型或者Ⅳ型岩体ꎬ从而出现工作面底板突水事故ꎮ对以上模型分别建立了各阶段的各种相关方程ꎬ各突水模型较好解释了注浆对底板突水的防治作用ꎬ也解释部分断层破碎带虽然探测注浆效果好但仍然出现突水的现象ꎬ以及工作面导水通道表现为垂直的㊁小范围的导水通道特点ꎮ指导煤矿不仅要作好注浆以及探测工作ꎬ同时也作好减小采动对底板的破坏影响ꎮ３㊀底板注浆加固工程实践㊀㊀１９８４年在肥城矿区首先开展底板含水层注浆改造工程试验ꎬ其后河北峰峰和河南焦作等矿区引进该技术ꎮ经过近３０年来的发展ꎬ无论是注浆堵水先期的条件勘查技术ꎬ还是在工程工艺㊁设备配套及材料研究方面都有长足发展ꎮ底板注浆加固技术经历了地面打孔㊁地面注浆和井下打孔㊁井下注浆２个发展阶段ꎬ现已实现了井下大面积打孔地面连续注浆的新工艺ꎬ已经形成了成熟底板注浆加固技术ꎬ积累了丰富的经验ꎮ其中焦作矿区于１９９９年引进底板注浆加固技术ꎬ至今已在多个矿井成功应用ꎬ解放００１许延春等:回采工作面底板注浆加固防治水技术新进展２０１４年第１期了近１００Ｍｔ煤炭资源ꎬ安全回采煤炭超过４０Ｍｔꎬ工作面突水次数和突水强度均大幅降低ꎬ取得十分显著的社会经济效益[１４]ꎮ３ １㊀底板注浆加固工程㊀㊀１)底板注浆加固参数ꎮ赵固二矿主采二１煤层平均厚６ １６ｍꎬ埋深７６０ｍ的块段ꎬ水头压力７ ６ＭＰａꎬ底板太原组八灰(Ｌ８)的突水系数为０ ２８ＭＰａ/ｍꎮ采用传统典型工程参数设计方法:当采顶分层采高３ ０ｍ时ꎬ加固深度为６０ｍꎻ当大采高５ ５ｍ时底板加固深度为８２ｍꎬ钻孔间距５０ｍ左右ꎬ注浆压力约１５ＭＰａꎮ另外ꎬ以王伟东等[１５]依托新桥煤矿设计了方格网布孔注浆法ꎬ改变了传统靠经验设计的思路ꎬ使复杂的问题简单化ꎬ为保证工作面底板注浆加固质量打下了基础ꎮ㊀㊀２)注浆工艺ꎮ在常规注浆工艺的基础上ꎬ针对赵固矿区底板富水性强ꎬ水压大ꎬ隔水层薄的特点ꎬ研究了 分散制浆㊁细管输浆㊁双重固管防喷㊁反复透孔注浆 的超高压注浆工艺方法[１６]ꎬ即采取分散制浆机ꎬ改善浆液的可注性ꎬ采用多路输浆管ꎬ避免或减少浆液堵管现象的发生ꎮ研究出二级和三级套管结构ꎬ多重固管防喷ꎬ其结构组成如图４所示ꎬ反复透孔注浆ꎬ达到单孔注浆结束标准:注浆压力１５ＭＰａꎬ进浆量小于３０Ｌ/ｍｉｎꎬ稳定时间２０ｍｉｎ后ꎬ凝固时间３０ｈ以上可进行透孔ꎬ当涌水量小于０ ２ｍ３/ｈ时视为合格ꎬ否则要重复注浆ꎬ以保证每个钻孔的注浆效果ꎮ图４㊀多级套管结构示意３ ２㊀底板注浆要求与效果检测㊀㊀１)注浆效果钻孔检测ꎮ注浆结束后ꎬ通过布置检查孔㊁取心孔㊁对出水量较大的钻孔进行扫孔检查来检验注浆效果ꎮ赵固二矿要求检查孔涌水量小于１０ｍ３/ｈꎬ布孔重点考虑褶曲的轴部㊁断层的破碎带ꎮ施工取心孔ꎬ通过取心观察底板充填胶结情况ꎮ㊀㊀２)常用的煤矿井下物探技术包括直流电法和瞬变电磁法ꎬ在工作面注浆加固改造工程实施前㊁后分别进行探测ꎮ注浆工程前利用物探手段对工作面顺槽巷道进行探测ꎬ划分底板低阻异常区ꎬ确定富水地段ꎬ例如赵固二矿以视电阻率小于５Ω ｍ所圈定区域为相对低阻异常区ꎮ同时物探可进一步了解底板的岩溶裂隙发育情况㊁承压水原始导升高度和富水状况等ꎬ为钻探注浆提供目标并且指导注浆孔的合理布置ꎮ底板注浆加固改造工程后ꎬ井下物探可检验注浆改造的效果ꎬ当底板岩体视电阻率上升ꎬ低阻异常区域明显减小ꎬ浅部异常区消失时ꎬ表明注浆工程效果好ꎮ近年来ꎬ随着三维高密度电法技术等新型物探手段的应用ꎬ真正实现了采前三维电阻率成像及切片技术ꎬ能够将工作面底板富水状态更直观地表现出来ꎬ这为查明岩层富水性㊁指导注浆工程提供了形象㊁直观的图像资料ꎬ具有很强的实用性㊁有效性[１７]ꎮ４㊀底板注浆加固技术研究展望㊀㊀目前对于底板注浆加固技术的研究还存在一些问题:①加强对工作面突水机理㊁征兆和条件的研究和认识ꎬ指导防治水工作ꎻ②加强对注浆新工艺和新型注浆材料的研究ꎬ提高堵水效能ꎻ③加强对物探技术的研究ꎬ发展多种物探手段相结合的综合物探方法ꎬ提高物探的准确性ꎮ需要通过对底板注浆效果检测方法的研究给出定性分析和定量计算相结合的综合方法ꎻ④强底板突水的治理ꎬ降低突水对安全生产的影响程度ꎮ参考文献:[１]㊀刘纪良ꎬ于㊀飞ꎬ刘洪刚.底板注浆改造治理边界水患技术研究[Ｊ].山东煤炭科技ꎬ２０１３(２):１８４－１８６.[２]㊀武㊀强.煤矿水害综合治理的新理论与新技术[Ｃ].北京:第六次全国煤炭工业科学技术大会论文集.２００５:２９４－２９６.[３]㊀赵兵文.葛泉矿煤层底板承压隔水层整体注浆加固技术[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２００８ꎬ３６(１０):８６－８８.[４]㊀武㊀强.煤矿防治水手册[Ｍ].北京:煤炭工业出版社ꎬ２０１３:７０７－７１７.[５]㊀张高展.新型工业废渣双液注浆材料的研究与应用[Ｄ].武汉:武汉理工大学ꎬ２００７.[６]㊀国家煤炭工业局.建筑物㊁水体㊁铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[Ｍ].北京:煤炭工业出版社ꎬ２０００.[７]㊀许延春ꎬ杨㊀扬.大埋深煤层底板破坏深度统计公式及适用性分析[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(９):１２９－１３２.[８]㊀李振华.薄基岩突水威胁煤层围岩破坏机理及应用研究[Ｄ].北京:中国矿业大学(北京)ꎬ２０１０.[９]㊀施龙青ꎬ朱㊀鲁ꎬ韩㊀进ꎬ等.矿山压力对底板破坏深度监测研究[Ｊ].煤田地质与勘探ꎬ２００４ꎬ３２(１２):２０－２３.[１０]㊀刘传武ꎬ张㊀明ꎬ赵武升.用声波测试技术确定煤层开采后底板破坏深度[Ｊ].煤炭科技ꎬ２００４(３):４－５.(下转第１２０页)１０１。