1、11 概况1.1 水文地质概况平顶山市瑞平煤电有限公司张村矿位于河南省汝州市朝川矿区中部，主采煤层二 1煤层，二 1煤底板分布有石炭系薄层灰岩和寒武系灰岩，裂隙岩溶发育，富含岩溶承压水，太原组七灰 (L7)分布较稳定，厚度6-8m,上距煤底板 8m，是煤层底板直接充水层。寒武系灰岩是区域最富水的强含水层，上距煤层底板约 45m，裂隙岩溶发育，富水性强，补给较充沛，是煤层底板间接充水含水层。朝川矿区岩溶水是一个相对独立的水文地质单元，有独立的补给、迳流和排泄条件，张村井田、朝川井田同属此单元。张村井田靠近西南部寒武系灰岩露头的补给区，在岩溶水系统的补给-迳流带上，朝川井田远离西部的补给区，在岩溶
2、水系统的迳流排泄区。朝川矿开采较早，在开采过程中曾多次发生底板突水事故，由于二 1煤层灰岩岩溶裂隙和富水性非常不均匀，朝川矿其水文特征呈“西强东弱”的特点。特别值得一提的是朝川矿一井 2001 年 12 月 26 日二-21030 工作面机巷底板突水事故最大突水量为 1996m3/h，到目前为至稳定水量为 300m3/h。虽然相邻朝川矿多年的降水对对张村矿产生一定的影响，张村矿东翼的寒灰水位基本与朝川矿降落水位一致，但在寒灰露头带，张村矿西翼底板寒灰水位仍居高不下，由寒灰水文观测孔可知：22-87 钻孔寒灰水位+0 m，原二-11040 机巷补一号孔寒灰水位：-145 m；井下一号：-157
3、m，井下二号：-246m；二-11081 风巷一号孔寒灰水位：+90 m；该孔尽管距离 22-87 钻孔较近，但寒灰水位相差百余米，有待进一步查明。寒灰水总体上在张村矿承西高东低趋势，与朝川矿水文特征呈现相反的2特点。张村矿为查明高水位异常产生的原因，先后投入人力、物力作了大量水文地质补充勘探工作。物探工程：三维地震勘探圈定高水位附近存在 F66 正断层及其落差、走向、延伸位置；瞬变电磁圈定高水位周围岩深含水层富水区域；钻探工程：先后在井下布置了 6 个石炭及寒武层位的水位观测孔，全面掌控地下水流场状况；巷道工程：在经过论证确定掘进无突水威胁后在距离高水位 22-87 孔附近 80m 附近设计
4、二 1-11081工作面，目前工作面基本圈定，利用风巷对高水位异常区进行探测；另一方面设计一条泄水巷，布置层位一 8 煤，距离二 1 煤层层间距 20m，设计以报平煤集团公司。张村矿在二 1-11081 掘进工作面风机两巷掘进中已依据掘进工作面防治水设计要求对煤层底板 50m 范围作了探测，探测深度达到寒灰，已圈定物探低阻异常区域。待回采工作面贯通后，将对整个采面采用音频穿透的物探方法，彻底查明工作面底板富水情况，一方面可以了解底板含水层裂隙分布情况，确定富水地段；另一方面为指导注浆孔的合理布置提供依据，同时为检验注浆效果提供了探测手段，有利于注浆改造技术的应用。22-87 寒武系水文观察孔目
5、前水位为+0m，相对二 111081 采面（标高在-174.6-308.6 之间）来说，承压的水压值约为 1.753.09 Mpa。但根据二 1-11081 风巷对高水位异常区进行探测结果显示，寒武系承压的水压值约为 3.1 Mpa(31kg/cm2)，寒武系灰岩水位在+90m 左右，与 22-87 寒武系水文观察孔水位相差较大，具体水位有待进一步查明。12 采面突水威胁计算3根据目前二 1-11081 风巷水文观测孔水文资料，寒武系灰岩水位在+90m 左右，而采面标高在-174.6-308.6 之间，因此整个二 1-11081采面承受的水压在 2.653.98 Mpa 之间。利用回采工作面突
6、水系数分析：P=Ts(M-Cp)M隔水层厚度（m） ，取最大值 45m(实际隔水层厚度为 810m)P安全水压（Mpa）Ts突水系数（Mpa/m） 取 0.06Cp煤层底板扰动破坏深度（m） ，（Cp=0.11L+0.006H=0.11125+0.006573=17.19m）取 17.5m。则安全水压为 1.65Mpa，而风巷实际测定的水压为 3.1 Mpa；即采面在回采时受底板承压水的影响，存在突水威胁。1.3 采取防治水措施综合上述分析，该采面底板灰岩承压水对二 1煤层开采存在严重威胁。为了防止水害事故的发生，矿方经研究决定在采面回采前采取注浆防治水措施。方案一：拟在 11081 风巷视电
7、导率值7（s）的异常区段附近布置注浆钻孔，实施注浆堵水工程。通过打钻注浆将采面上部的底板灰岩水补给量堵截在该采面风巷以上，减少采面涌水量，减小采面回采时突水的可能性。方案一：拟在 11081 风巷视电导率值7（s）的异常区段附近布置注浆钻孔，实施采面底板注浆加固工程。通过打钻注浆将采面底板的含水层置换成隔水层，从而达到加固煤层底板之目的，增加煤层底板隔水4层厚度，减小采面回采时突水的可能性。2、设计依据的相关参数2.1 本此注浆的目的：探查高水位异常区的存在准确与否、高水位异常区是否存在垂向导水通道，高水位异常区是否为富水区域及高水位异常区域的水位、水压、水量等情况；探明高水位异常后，可依据相
8、应的水文地质特征，采取底板注浆加固或堵截的防治水措施，消除底板灰岩水的安全威胁，为张村矿11081 采面安全回采创造良好条件，为张村矿高产高效奠定牢固的安全基础。2.2 钻孔位置的确定：根据采面贯通后所做物探资料，钻孔终孔位置均布置在底板灰岩富水区内。2.3 钻探目的层位及孔深：钻探探测每孔孔深约 80m100m， 由于该面煤系地层倾角在 2030，施工过程中孔深较大每个钻孔都要穿过石炭纪灰岩层位,所以本次施钻选择终孔层位为寒灰 20m。3、隔水层厚度、扩散半径及注浆加固层位确定31 隔水层厚度确定根据井上下水文地质观测孔资料分析，寒武纪灰岩水位在+100m 附近，采面最低标高为-308.6m
9、，采面承受的最大水压：寒武纪灰岩3.98MPa。参照突水系数计算公式 Ts=P/（M-Cp） ，计算工作面安全回采（Ts0.06MPa/m）所需安全隔水层厚度： M=P/ Ts + Cp=3.98/0.06+17.5=83.83m式中：P煤层底板承受的水压，取 3.98MPa，Ts突水临界系数，5取 0.06 MPa/m，Cp煤层底板扰动破坏深度（Cp=0.11125+0.006573=17.19m） ，取 17.5m。32 扩散半径确定浆液扩散半径，与裂隙大小,岩溶发育程度有关,缝宽 5 mm 以下,水泥浆的有效半径 R=2 m;缝宽 530 mm,R=4 m;缝宽 30 mm 以上,R6
10、m。根据 11131 采面突水及井上下打钻注浆情况，说明本采面灰岩岩溶裂隙发育，同时结合浆液配比浓度, 确定本次底板注浆加固浆液扩散半径R=25（2030）m。33 注浆加固层位确定由于己 16-17煤层下距寒武纪灰岩平均厚度 45m，结合浆液扩散半径，确定本次底板注浆加固钻孔终孔目的层位选择在铝土层。4、钻场、注浆孔布置及钻孔结构4.1 钻场布置本次注浆工程在风巷富水区设计钻场，钻场布置在巷道顶板完整处，钻窝规格：深宽高=4.0m3.0m2.5m。水窝：距离钻场 2m:规格要求宽 2.0m，深 2.0m，泵窝底板低于巷道底 1.5m。钻场及水窝工程质量要求：钻场底板无浮碴，无杂物。钻场帮顶背
11、牢刹实，顶铺金属网，工程质量优良。4.2 注浆孔布置注浆孔的布置综合考虑了物探成果及巷道掘进时观测的水文地质情况，并结合目前的采面回采进度安排，在富水区内布置注浆孔。注浆孔数主要是根据巷道内顶板淋水及底板涌水情况、地层渗透性、浆液扩散6半径等因素确定。钻场间距 80100m，从里向外编号依次为、，每个钻场布置 34 个钻孔包括一个检查孔，孔深 50m100m 左右,钻孔注浆目的层位均为铝土泥岩。钻孔方位斜交岩层走向，可以使钻孔更多的穿过导水裂隙，根据裂隙大小及涌水情况拟采用水泥-粉煤灰浆及水泥浆等不同注浆材料，以达到帷幕截流或加固煤层底板的目的。钻孔施工顺序：由于可能受到回采进度影响，优先施工
12、号钻场内的注浆孔和检查孔；然后从里向外按顺序分别施工、钻场内的 1#孔，再分别施工各个钻场的 2#、3#、4#孔，至注浆结束后，最后施工检查孔进行效果检查。本次设计注浆钻孔 39 个，效果检查孔 13 个，预计钻探进尺 4160 m，下 108 mm 套管 260m，89 mm 套管 520m (详见下图二 111081 风巷帷幕注浆钻孔参数表)。二 111081 风巷帷幕注浆钻孔参数表钻场编号孔 号方 位( )倾 角( )孔 深(m)套管长度(m)（108mm）终孔层位-1 80 -10.5 50 10一 8煤层顶板-2 130 0 50 10一 8煤层顶板7-3 185 -1.5 50 1
13、0一 8煤层顶板-4 235 -22 50 10一 8煤层顶板-1 130 0 50 10一 8煤层顶板-2 185 -1.5 50 10一 8煤层顶板-3 235 -22 50 10一 8煤层顶板检 1 95 -10.5 50 10一 8煤层顶板-1 96 -6 50 10一 8煤层顶板-2 137 0 50 10一 8煤层顶板-3 207 -9 50 10一 8煤层顶板-1 88 -9 50 10一 8煤层顶板-2 140 0 50 10一 8煤层顶板8-3 193 -2 50 10一 8煤层顶板检 2 115 -4 50 10一 8煤层顶板-1 80 -19.5 100 10+15一 8
14、煤层顶板-2 120 5 100 10+15一 8煤层顶板-3 175 5 100 10+15一 8煤层顶板-4 225 -17.5 100 10+15一 8煤层顶板-1 85 -18 100 10+15铝土泥岩-2 150 -6 100 10+15铝土泥岩-3 200 -12.5 100 10+15铝土泥岩检 3 118 -14 100 10+15 铝土泥岩-1 80 -22 100 10+15铝土泥岩-2 125 -7 100 10+15铝土泥岩9-3 175 5 100 10+15铝土泥岩-4 22 -15 100 10+15铝土泥岩合计 27 / / 1950 270+165 /4.3
15、 注浆孔结构注浆孔开孔孔径 113 mm,钻至孔深 10 m 左右后下入 108 mm 套管10m,然后变径为 89 mm 至一 8煤层顶板灰岩底部终孔（详见注浆钻孔结构示意图） 。5 注浆参数确定及注浆量估算5.1 注浆参数确定5.1.1 浆液扩散半径与裂隙大小,岩溶发育程度有关,缝宽 5 mm 以下,水泥浆的有效半径R=2 m;缝宽 530 mm,R=4 m;缝宽 30 mm 以上 ,R6 m。根据本采面灰岩岩溶裂隙发育情况及浆液配比浓度, 本次确定浆液扩散半径 R=2025 m。5.1.2 浆液配比根据钻孔施工过程中出水量及裂隙发育情况，拟采用水泥单液浆及粉煤灰-水泥浆，并且以粉煤灰-水
16、泥浆为主，预计水泥单液浆占 30%，粉煤灰-水泥浆占 70%。水泥-粉煤灰浆水泥:32.5 级普通硅酸盐水泥,对水泥细度的要求为通过 80um 方孔筛的筛余量不宜大于 5%.10粉煤灰：应为精选的粉煤灰，不易粗于同时使用的水泥颗粒，烧失量小于 8%，SO 3含量小于 3%。浆液浓度:使用时一般先稀后浓,结束时又略稀.水泥浆配比：水、水泥（重量）比为：0.6：1、0.7：1、0.8：1、0.9：1、1：1；其容重（单位：t/m 3）分别为 1.71、1.65、1.59、1.54、1.50；每 m3浆中水泥重量（单位：t）分别为 1.07、0.97、0.88、0.81、0.75。粉煤灰浆配比：水、
17、粉煤灰（重量）比为：0.6：1、0.7：1、0.8：1、0.9：1、1：1；其容重（单位：t/m3）分别为 1.54、1.49、1.45、1.39；每 m3浆中粉煤灰重量（单位：t）分别为 0.94、0.88、0.80、0.69。水泥-粉煤灰浆由水泥浆与粉煤灰浆按体积比 1：0.21：0.4 配置而成。5.1.3 注浆终压靠近涌水点的初期注浆孔注浆压力略大于涌水点位置的原始静止水压即可，约 4.0Mpa。后期注浆孔注浆压力可大些，可达到 810 Mpa，应根据注浆时围岩变化情况适当调整。5.1.4 结束注浆标准达到最高允许压力,进浆量小于 60 L/min,稳定 2030 min,一般可结束本
18、段注浆.5.2 注浆量估算注浆量计算公式:注浆量=帷幕体积岩溶裂隙率（1+损失系数）帷幕体积=钻孔揭露的灰岩平面积灰岩厚度11本次注浆主要针对二 1煤层底板灰岩层段，其中灰岩厚度平均为19.0m，地层平均倾角 25。 ，注浆段灰岩长度为 1300m，宽度为50.0（25）m，计算出帷幕体积为 1235000（617500）m 3。根据本区岩溶裂隙发育情况，裂隙率取 1%，损失系数取 1.1，计算出注浆量为 1358590（6792.5）m 3。粉煤灰-水泥浆按注浆总量的 70%考虑，约为 9509.5（4754.8）m 3，水泥浆按 30%考虑，约为 4075.5（2037.8）m 3。水泥浆
19、采用 1：1 配比，粉煤灰浆采用 0.8：1，水泥-粉煤灰浆体积比采用 1：0.3，水泥浆配比：水、水泥（重量）比为：0.6：1、0.7：1、0.8：1、0.9：1、1：1；其容重（单位：t/m 3）分别为 1.71、1.65、1.59、1.54、1.50；每 m3浆中水泥重量（单位：t）分别为 1.093、0.97、0.88、0.81、0.765。粉煤灰浆配比：水、粉煤灰（重量）比为：0.6：1、0.7：1、0.8：1、0.9：1、1：1；其容重（单位：t/m 3）分别为 1.54、1.49、1.45、1.39；每 m3浆中粉煤灰重量（单位：t）分别为 0.94、0.88、0.80、0.69
20、。通过计算水泥-粉煤灰浆中，水泥浆 7315（3657.5）m 3，水泥量5596（2798）t；粉煤灰浆为 2194.5（1097.3）m 3，粉煤灰量为1755.6（877.8）t；水泥浆 4075.5（2037.8）m 3，水泥量 3118（1559）t。本次注浆预计需要水泥 8714（4357）t，粉煤灰 1755.6（877.8）t。6 排水系统张村矿中央水仓配备排水水泵：D580609 型 5 台；排水管路37714mm 无缝钢管 4 趟水仓容量 10878m3；正常排水时，运行中央12泵房 2 台水泵，二趟排水管路，最大涌水时，4 台水泵 4 趟排水管路可同时运行。二 11108
21、1 风巷二 1煤轨道上山-250m 单轨巷排水沟-250m中央水仓地面。1、根据预计钻探涌水量,要求排水管路为 6 寸，水泵两台(1 台工作,1台备用)，水泵额定流量不低于 100m3/h，风巷外口标高-170m，风巷最低点标高-212.0m，标高差为 35.6m。2、钻场循环水及钻孔水均进入水泵窝，再由水泵经 6 寸管路排入-250m 中央水仓。7 施工技术装备7.1 造孔设备本次注浆造孔采用 SGZ-IB150 型全方位防爆液压钻机四台、BW-250 型三缸泵四台。7.1.1 SGZ- IB150 型钻机 使用钻孔角度范围 0360，钻进能力孔深达到 150 m，钻杆直径适用 42 mm
22、钻杆钻进；立轴提升能力 36 KN，给进力 22.5 KN；升降机提升能力 2000 Kg；外形尺寸 180010951562 mm，总重量 1150 Kg。电动机型号 y180M-4，额定功率 11 KW。7.1.2 BW-250 型三缸泵BW-250 型三缸泵为卧式往复单作用活塞泵。该泵具有两种缸径和四档速度，最大流量 250 L/min，最大压力可达 6 MPa，外形尺寸长、宽、高 1000995650 mm，总重量 520 Kg。7.2 制浆设备13三台搅拌机，其中两台用于一次搅拌，直径 2.5m，高 1.4m，一台用于二次搅拌池，直径 2.0 m，高 1.80 m。7.3 注浆设备本
23、次注浆设备采用 NBB-250/60 三缸泵卧式往复单作用活塞泵两台，其中一台为备用。该泵具有四档速度，最大流量 250 L/min，最大压力可达 6 MPa，外形尺寸长、宽、高 1500995850 mm，总重量 1200 Kg。8 注浆施工8.1 钻孔定位及开孔注浆钻孔定位由矿方专业测量人员按设计要求进行标定，钻机固定后，按钻孔要素开孔.8.2 固管套管下入后，将套管提离孔底 100200 mm，用 BW-250 型三缸泵向孔内压清水，进行洗孔，冲净孔内岩粉及沉渣，确保注浆固管时孔内畅通，压入清水 15 分钟后将搅拌好的水泥浆用泵顺套管注入，直至套管外围水泥浆充满为止；待套管口水泥浆凝固
24、48 小时后，用 94mm 无岩芯钻头透孔至孔底。8.3 试压封闭套管口，用泵向孔内注水试压，压力不得小于 68 Mpa，稳定试压时间不能少于 30 min，试压过程要有详细记录，在试压过程中若出现钻场四周或套管外围有渗水，孔口管松动等异常，必须重新固管，直至试压合格。8.4 换径后钻进14试压合格后，安装阀门，改用 94 mm 合金钻头或 94mm 金刚石钻头钻进至终孔。8.5 注浆本次钻孔注浆堵水主要采用一个段高间歇性多次重复注浆，以控制浆液扩散半径、防止浆液流失，确保堵水效果。如遇到特殊情况涌、漏水严重孔段，可采用提前注浆的办法解决。注浆顺序：由于可能受到回采进度影响，首先施工号钻场内的
25、 4个注浆孔，并抓紧时间按要求注浆结束；然后从里向外根据钻探造孔顺序分别注浆、钻场内的 1#孔，依次类推，再分别注浆各个钻场的 2#、3#、4#孔，直至注浆完毕。注浆工艺流程见下图：建立注浆站管路铺设安装压力表试压管路检测压水试验制浆注浆透孔试压压水试验制浆注浆效果检验单孔注浆结束 8.5.1 建立注浆站 注浆站位置在庇山矿工业广场内，由灰罐、粉煤灰罐、一搅池、二搅池、混合池、注浆泵等组成。设备配置紧凑，操作方便。管路排设密封要好，注浆前要进行管路试压，检查密封情况，防止漏浆。水泥浆分两次搅拌，二池之间要有高差，便于放浆过滤杂物碎块。本次注浆工程采用球阀开关。要求供水充足，运输畅通。 对注浆泵
26、的易损件，尤其是钢球、阀座、缸套、活塞要有足够的备用件。158.5.2 注浆系统试运转并做耐压试验操作时，应首先打开回水阀，然后开泵，逐渐关闭阀门，减少流量，使整个管路逐步升压。当压力升至预定耐压试验值时，立即敞开阀门泄压或停泵。防止无限升压，损坏管路或泵件。试安全阀工作是否灵敏时，应事先检查安全阀的组装情况，防止压力上升到额定值时不工作，发生意外。试压时井上下要有专人负责观测压力变化及管路是否漏浆。8.5.3 冲洗注浆孔、压水试验每次注浆前都必须对注浆孔先进行冲洗，冲净孔内岩粉及沉渣，确保注浆孔内畅通，然后作压水试验，求出注堵层的单位吸水量（W）和渗透系数值（K） ，为确定浆液浓度、材料、适
27、宜泵压和泵量提供依据。8.5.4 正式造浆压注上料、造浆、放浆、司泵和注浆值班员应严格执行工种岗位责任制，正确掌握有关注浆参数.8.5.5 观测、记录与情况分析进行压注工作时，应固定专人对泵压、泵量、灰浆浓度和观察点水位水量作定时观察记录.8.5.6 注后压水压水目的在于保留再次注浆的条件下不冲刷已注入的灰浆，以便堵住大的溶洞裂隙。压水量要适量，一般为注浆管容积的四倍左右。8.5.7 关孔口阀、拆洗孔外注浆系统注浆后压水，应先关闭孔口阀门，待孔内压力消失水泥浆初凝后方可打开。16孔口阀门必须严密，不能因漏水造成浆液倒流。避免泄压，影响水泥浆凝固时间。关闭时间一般应达四小时，待水泥初凝后方可慢慢
28、打开阀门，察看情况。孔外注浆系统必须及时冲洗检查，附着于管壁的水泥结块需震动脱落，冲出管外。8.5.8 打开孔口阀门，透孔或再次注浆该工序的关键是要正确分析孔内情况，一般情况下注浆 24 小时后透孔，检查钻孔涌水量的大小，而再次注浆。直至压水不漏失或漏失很小（钻孔不涌水或涌水很小） ，方可最后结束本段（孔）的注浆工作，转入封孔工序。8.5.9 封孔经认真分析，确实已完成注浆任务的注浆孔，最后按要求进行封孔。9 注浆效果检查检查出水点注浆前后的涌水量变化。注浆段钻孔取芯：察看岩溶裂隙充填情况。观察注浆时地下水动态变化，分析浆液注入部位；打检查孔进行压水试验。10 施工技术要求10.1 钻孔施工技
29、术要求（1） 本次注浆钻孔终孔层位为寒武系灰岩含水层，由于含水层局部裂隙发育导水性强，为此在施工注浆孔时，要安装控制阀门，做到有17控制放水。同时将施工地点的杂物及水沟清理干净，保证出水后能顺利进入水仓。（2） 钻孔施工地点倾角及层厚变化较大，施工不同层位的钻孔，要严格计算各个钻孔的方位及倾角，并严格按照设计施工达到注浆最佳状态。（3）要经常冲孔，确保孔底干净，防止发生埋钻卡钻等事故。注浆段必须清水钻进，遇坍孔，可注浆或下套管护壁。（4）在钻孔施工中，严格记录进尺岩性、裂隙深度及出水量。10.2 注浆工艺技术要求（1）钻孔注浆前进行下钻试探孔深，保证孔内无塌陷掉块。（2） 注浆钻孔若遇到岩溶、
30、裂隙较大时根据实际情况注入骨料，骨料由细到粗，浆液由稀到稠。（4） 注浆时要及时观察出水点冒浆情况，调节浆液浓度，并采用水泥-水玻璃双液浆。（5） 造浆前对注浆材料的凝结时间进行测试，指导注浆过程中的间隔时间，提高注浆质量。（6） 注浆过程中要注意观察研究实际问题及时调整技术参数和方法，使之符合注浆区实际。（7） 严格做好单孔注浆起止时间、注浆压力以及注浆量等记录工作。（8）注浆工程完成后，施工检查孔察看裂隙充填情况，观察各出水点注浆前后变化情况，观测注浆区域地下水动态变化，分析检查注浆效果并提交工程技术总结报告。1811 施工人员组织为尽快完成施工任务，钻探造孔施工人员分三班连续循环作业，每班四台钻机 8 人，三班计 24 人；造浆、注浆人员分三班连续循环作业，每班 6 人，三班计 18 人；材料员 2 人，安全质量技术人员 4 人, 施工管理人员 3 人，共计 51 人。12 工期自开工之日起,有效工期暂定为 120 天.张村矿二 1-11081 采面煤层底注浆加固设计方案
