1项目背景
金鼎煤矿是义煤集团整合后正在基建的矿井，矿井开拓方式为立井单水平上、下山开拓，开采水平为-328m，设计生产能力0.45Mt/a。该井田位于汝阳断陷盆地的北东部，整体为一走向近东西、倾向南的单斜构造。含煤地层整体倾向170°～200°，倾角5°～35°；西缓东陡；南缓北陡，北部地层翘起明显；F3断层以南地层产状平缓，倾角0～10°。煤系盖层产状总体倾向南，倾角一般8°～30°。区内与含煤地层关系密切的有4条断层，即F4逆断层、F3正断层、F7正断层和F5正断层。区内无岩浆岩。井田内二1煤层的含水层主要为第四系松散孔隙含水层，古近系砾岩孔隙裂隙含水层、二叠系下统砂岩裂隙含水层、石炭系灰岩岩溶裂隙含水层、寒武系白云岩岩溶裂隙含水层。煤岩层综合柱状图如图1所示。现将各含水层特征分述如下：①第四系（Q）砂砾石孔隙含水层。该层一般为潜水含水层，在井田内广泛出露，由于第四系砂砾石孔隙含水层距二1煤层很远，对开采二1煤没有影响。②古近系砾岩裂隙孔隙含水层。岩性由砾岩组成，厚度一般50~180m，固结程度差，孔隙比较发育，富水性很弱，对开采二1煤层影响不大。③二1煤层顶板二叠系下统（P1s）大占砂岩裂隙含水层。由硅质胶结的中细粒砂岩组成，是二1煤层顶板的直接充水含水层，厚度一般7~25m，最厚38.17m，岩石节理裂隙较发育。该含水层属高水头承压含水层，是二1煤层顶板主要充水因素之一。④石炭系太原组（C2t）灰岩岩溶裂隙含水层。该层为二1煤层直接底板含水层，与二1煤层之间有泥岩隔水层相隔。该组灰岩厚度2.00~16.07m，平均厚度8.14m，该层富水性弱，透水性差，地下水迳流迟缓。水位标高达+310.44m，属高水头承压含水层，为直接充水含水层。⑤中上寒武系白云岩岩溶裂隙含水层。该含水层是井田内主要含水层，下伏于石炭系本溪组之下，岩芯破碎，裂隙发育，但很少见溶蚀现象。涌水量0.240~0.325L/s，单位涌水量0.0066~0.0070L/s·m，渗透系数0.0200~0.0204m/d，水质类型HCO3-Ca·Mg，矿化度0.34g/L，水位标高+310.04m，富水性弱。该含水层属高水头承压含水层，为区域内主要含水层之一，对二1煤层开采有间接（局部直接）的充水影响。
2突水理论分析
本次突水点位置在-328m大巷内，突水前皮带巷和轨道巷均发生过底鼓，并有少量渗水，水压近7.0MPa，水压大，突水后水量增长迅速，有可能在巷道内显示为带状出水。导水通道为岩溶裂隙薄弱带，突水水源寒武系灰岩含水层水。①出水点。从突水经过可以看出，出水点在皮带巷距掘进头后方40m底鼓处，位置基本明确，也不排除形成面状、条带状分散出水点的可能。②出水水源。此次出水水量增长较快，突水水量较大，且衰减趋势不明显，同时水质化验结果显示为寒灰水特征，可以确定此次突水水源为寒武系白云岩岩溶裂隙水。③导水通道。二1煤层底板寒武系白云岩岩溶裂隙水是二1煤层主要充水因素。其充水方式有两种，第一：通过断层直接对二1煤层充水；第二：通过隔水层相对较薄、隔水性能相对变弱处对二1煤层充水。巷道掘进时此处没有发现断层，结合附近钻孔情况，本次突水应属第二种情况，导致上部的石炭系灰岩岩溶裂隙水和下部的寒武系白云岩岩溶裂隙水发生水力联系，造成本次突水。分析认为，煤下隐伏的导水张裂隙其原始导高在巷道掘进前已达L7-8灰岩底板附近，在巷道掘进后地应力作用下，采动裂隙与下部原始导水裂隙贯通，导致出水，出水后在寒灰高压水作用下进一步冲刷和扩展裂隙，导致突水量进一步增大。分析寒灰水涌向上部地层的导水通道可为垂向通道，也可为层内及层间的水平通道。
3堵水方案设计要点
根据目前工作面的突水情况，通过地面打钻注浆，直接透巷填充骨料截流封堵突水点，然后向下延深注浆封堵导水通道和突水水源，达到彻底根治本次水患目的［1-2］。具体实施步骤：①通过地面施工定向透巷钻孔，直接命中两条巷道，然后进行静水或者动水引流注骨料、注浆施工，达到截流目的。②达预期目的后，可以进行试排水，检查注浆截流堵水效果。截流成功后突水点钻孔返流注浆加固突水含水层，加固完毕后和其他钻孔一样继续向下施工，见漏就注，封堵煤下导水通道和含水层直至进入寒灰40~100m（具体视揭露含水层情况而定）达终压终量终孔。③在两巷道来水方向施工两个检查加固堵源钻孔，同样进入寒灰40~100m注浆堵源加固底板。该方案的优点：先期截流为后期堵源创造了相对封闭条件；截流与堵源相结合，堵水效果好，能彻底解除水患威协，且能缩短综合堵水工期。
4钻探工程
（1）钻孔布设。布设定向透巷注浆钻孔4个，采用一孔多用，截巷成功后向下延深加固底板；检查加固及堵源钻孔2个，共6个钻孔。（2）钻探工程量。共6个钻孔，设计工程量每孔约780m，总计进尺约4680m。（3）钻孔结构。φ311mm开孔，无芯钻进过古近系粘土夹砾石层，预计深度160m左右，下入DN244.5×8.94石油套管，用水泥做永久性封闭止水。正常情况下，封闭高度以套管外返出水泥浆为标准。止水合格后，无芯钻进至巷顶约700m左右，下入DN139.7×7.72套管，用水泥做永久性封闭止水。正常情况下，封闭高度以套管外返出水泥浆为标准，终孔深度以进入寒灰不少于40m为标准，预计孔深780m，视情况予以延深。（4）技术要求。钻孔偏斜要求注1、注2、注3、注4孔透巷打中以设计圆心半径1.5m的靶域；注5、注6孔打中以设计落点为圆心半径3m的靶域；所下套管壁外必须用水泥封闭，注浆套管耐压必须达到4.0MPa以上；钻孔L8灰以上不取芯，L8灰以下根据需要确定全取芯或不取芯；钻孔要求数字测井，各孔根据设计目的不同，分别确定测斜方式，使孔斜满足设计要求；钻进过程中要详细记录冲洗液消耗情况和漏水位置及漏失量；其他要求详见各钻孔设计指示书。
5注浆工程及主要设备
根据注浆材料不同，可分为注骨料与水泥2种工艺流程。
5.1注骨料系统
本次注骨料采用水砂射流孔口密闭防喷系统，该系统不但灌注能力强，达5~10m3/h，而且能大大减少堵孔事故的发生。
5.2注浆工程
本次注浆设备采用自动化、机械化程度高的二次射流搅拌制浆系统，可连续制浆注浆，制浆量大（一套系统制浆量可达15t/h左右）。它由供电、供水、供储灰、制浆、注浆、输浆、止浆七大部分组成。供电：变压器900~1000kVA。供水量200m3/h以上。供储水泥：供水泥采用散水泥车，储水泥用30t圆型储灰罐2个和50t圆型储灰罐1个，总储灰量110t。制浆系统：射流混合器，一次机械搅拌器，二次机械搅拌器，制浆能力要求15m3/h以上。注浆输浆系统：使用NBB250/60注浆泵，输浆孔外使用高压胶管。孔内使用套管或钻杆。止浆：孔口采用蝶阀，孔底必要时采用止浆塞。双液浆注浆工艺应根据需要另定。预计对各孔进行压水试验4次，确定注浆工艺参数，并视封堵情况决定是否对钻孔做连通试验。对于底板导水通道及含水层视压水试验参数决定是否注骨料及骨料粒径，可注骨料时，应先注骨料再注水泥。注浆采用下行法注浆，L8灰岩下为主要注浆段，见漏就注，边打边注，直至终孔；注浆材料以32.5#散水泥为主。浆液类型以速凝早强浆液为主。
5.3注浆工程量
根据出水量及导水通道情况，预计本次注浆工程需注骨料3000m3（砂子和石子），注水泥10000t，添加剂食盐50t，三乙醇胺5t。
5.4技术要求
单孔注浆段结束标准为：吸浆量小于50L/min；受注点（寒灰）的注浆终压不小于受注点静水压力的2倍，即约14MPa以上；孔口压力3~4MPa，稳压时间不少于20min。注材配比：根据压水试验和孔内情况而定。5.5主要设备大钻机2台套；千米钻机6台套；NBB250/60型注浆泵6台。
6注浆效果及质量检验
各注浆点终压终量检查，即吸浆量小于50L/min，孔口压力3~4MPa，稳压时间不少于20min；后期钻孔取芯或者钻进时冲洗液消耗情况检查；单孔压水试验检查；钻孔之间压水试验联通情况检查。堵水率及工期为：自开钻之日起堵水工期为6个月，预计堵水率在99%以上。
7存在主要技术问题及施工难点
第四系、古近系卵砾石层较厚，大于160m，钻进时坍塌掉块现象比较严重，易造成埋钻、卡钻事故，施工难度大；透巷深度在706m左右，定向导斜难度大。
8采掘过程中防治底板突水的措施
为了防治底板突水，在矿井开采之前，必须采取注浆加固底板的措施。底板太原组灰岩、寒武系灰岩的注浆加固厚度的计算：①石炭系太原组（C3t）灰岩岩溶裂隙含水层注浆厚度的确定。根据上述二1煤层底板太原组灰岩含水层突水性分析，太原组灰岩含水层突水系数为0.608MPa/m。就全国的实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。底板隔水层厚度选择平均厚度10m，该含水层底板水压为6.48MPa。根据计算，在底板受构造破坏块段，承受太原组灰岩6.48MPa的水压需要的隔水层厚度为107m，需要注浆加固的厚度为97m；在正常块段，承受6.48MPa的水压需要的隔水层厚度为65m，需要注浆加固的厚度为55m。②中上寒武系白云岩岩溶裂隙含水层注浆厚度的确定。根据上述二1煤层底板太原组灰岩含水层突水性分析，寒武系灰岩含水层突水系数为0.196MPa/m。该含水层距离二1煤底板厚38.07m，含水层底板水压为7.48MPa。根据计算，在底板受构造破坏块段，承受寒武系灰岩7.48MPa的水压需要的隔水层厚度为125m，需要注浆加固的厚度为87m；在正常块段，承受7.48MPa的水压需要的隔水层厚度为75m，需要注浆加固的厚度为37m。将太原组灰岩含水层和寒武系灰岩含水层综合起来考虑，在采煤工作中，底板需要进行注浆加固的层位主要为太原组灰岩含水层及部分寒武系灰岩含水层，即石炭系太原组（C3t）灰岩岩溶裂隙含水层与二1煤层之间的隔水层不需要进行注浆加固外，以下层位均需进行加固。因此，设计确定的采煤工作中需要进行注浆加固的厚度如下：按照该位置所承受的最大水压7.48MPa进行计算，在底板受构造破坏块段，需要注浆加固的厚度为115m；在正常块段，需要注浆加固的厚度为65m。
作者：程鹏 单位：江苏省第一工业设计院有限责任公司
