0 引 言
矿井水害一直是矿井灾害事故预防的重点，近年来随着科学技术的发展及法律法规的完善，矿井水灾发生的次数及规模得到有效的控制［1-3］。 矿井防治水技术的发展给矿井水害防治提供了技术保障。 目前，矿井防治水的重点工作主要集中在井下，特别是构造中的裂隙水和灰岩中的孔隙水，特别是煤矿岩溶水区域治理方面，张党育等［4］研究了华北型煤田底板岩溶水害区域治理关键技术，针对华北煤田底板岩溶水害，构建了地面顺层治理与井下穿层治理相结合的底板岩溶水害多层“三维立体”区域综合治理新模式，取得了良好的治理效果。 但在很多地方，矿井位置及矿区规划和小煤窑的无序开采，导致地表水在某些区域也成为防治水的重点，许延春等［5］研究了闭坑矿井积水对相邻生产矿井防治水的影响，采用理论分析、数值模拟等方法多角度评价了三河尖-姚桥煤矿井田边界隔水煤（岩）柱安全性，验证了隔水煤柱布置的合理性，为相似工程提供了依据。 地表水导入顶板裂隙会形成裂隙水，流入采空区会形成采空区积水，进入断层后会导致断层活化，由于地表水的存在会对矿井形成复杂充水水害，增加了矿井水害治理难度［6-8］。 上述水害治理存在工程量大、施工难度大、安全隐患大等特点。目前的地表水治理主要以注浆为主，注浆材料主要采用普通硅酸盐水泥浆，在漏浆严重时采用添加水玻璃的堵漏方式［9-12］。 目前采用的注浆材料存在凝固时间长、早期强度低，材料用量大等问题，且所采用物探方法存在局限性，施工方式没有因地制宜，施工过程中存在材料浪费严重、工期长和加固体性能差等问题［13-17］。 同时目前采用的方案主要以预防为主，比如帷幕注浆工程中，若施工帷幕区域存在积水，以前的施工工艺和材料无法保证工程质量［18-20］。 另外施工过程中在遇到软岩和含裂隙岩层时，钻孔成孔困难，注浆过程中存在漏浆和上压困难时，没有有效的方案解决［21-23］。
因此，针对上述防治水工程存在的问题，在地表水对矿井产生的威胁或者已产生影响的工程中，需要采用新的技术和材料解决地表水带来的问题。 本文在掌握秦能一矿地质条件和水害情况的基础上，采用多功能注浆材料和相应施工工艺对地表水害治理，为相似工程提供参考。
1 矿区水害分析
曹山矿和老柳江矿位于秦能一矿整合重组矿井附近。 曹山矿煤层露头位于大石河附近，开采后顶板裂隙与大石河水系沟通。 分析曹山矿、老柳江矿排水资料发现，井下涌水量近年不断增加，尤其在汛期（7—9 月）洪峰过境大石河后矿井涌水量迅速增大，2017 年曹山矿最大涌水量2 770 m3／h，老柳江矿最大1 541 m3／h，两矿合计最大4 227 m3／h。 曹山矿、老柳江矿2017 年逐日涌水量曲线如图1所示。
图1 2017 年曹山矿及老柳江矿涌水量变化
Fig.1 Water flows of Caoshan Mine and Old Liujiang Mine in 2017
通过查阅、调研该矿的地质资料，对其水患危害进行具体分析，主要为以下2 点。
1）地表水通过小煤窑对曹山矿采空区补给，进而对曹山矿产生威胁。 前期重组矿井及浅部小煤窑对2 煤、3 煤和5 煤可采煤层均有不同程度的开采，贯通了地表大石河与深部矿井采空区，使得地表水进入井下，成为北部曹山矿采空区的主要水源。 南部的老柳江矿浅部被小煤窑破坏，可能与地表沟通，这些导水通道长期存在，造成无法通过排水消除隐患，且采空区积水量较大，极易发生突水危害。
2）通过分析2015 年在曹山矿与长城矿边界获得的瞬变电磁成果，发现曹山矿与长城矿极有可能在局部地区沟通。 且通过对曹山矿与老柳江矿之间隔水煤柱调查发现，隔水煤柱局部出现淋水，部分区域出现变形破坏。 且由于煤层倾角为15°，采空区积水会形成较高压头，对隔水煤柱产生较大的侧向压力，一旦长城矿、曹山矿、老柳江矿的采空区联成一体，将对正在开拓的秦能一矿巷道形成极大水害威胁。
目前，曹山矿、柳江矿排水系统一直正常运行，由此产生的排水费每年超过2 000 万元。 待矿井整合完毕，曹山矿将会关闭，排水设施将关停。 由于曹山矿和老柳江矿间隔离煤柱宽度仅有40 m，且有20 m的纵向位置错动，一旦曹山矿排水停止，采空区积水面上升，已经与大石河沟通的地下水系可产生600 m以上的水头压力，极大威胁现有开采系统（老柳江矿改建）的生产安全。
2 矿井防治水方案
2.1 帷幕注浆方案
针对秦能一矿面临的主要水患，为了切断充水水源，对靠近大石河与煤层露头区域施工帷幕注浆。如图2 所示。
图2 矿井防治水方案及工程布置
Fig.2 Project and layout plan of mine water control
A 区：位于长城煤矿与曹山矿边界处。 此处曾开展瞬变电磁勘探，资料较为丰富，且对矿山排水影响较大，本次优先治理。 根据不同充水特征，A 区可分为A1 区与A2 区。 A1 区：位于A 区东南部，靠近煤层露头与大石河。 此处水患主要为大石河通过浅部小窑与曹山矿采空区和冒裂带沟通，对曹山矿补给。 A2 区：位于A 区西北部。 此处煤层埋深较大，曹山矿与长城矿均存在采空区，且两者之间可能已经贯通。 长城矿采空区积水上限高程-58 m，高于曹山矿，因此长城矿采空区积水将补给曹山矿，成为曹山矿的补给来源之一。 因此，需要在A1 和A2 区施工帷幕注浆，切断导水通道。
2.1.1 A1 区工程布置
A1 区域帷幕注浆钻孔首孔（东南端）从煤层露头与地形线高程＋90 m（最高洪水位）交点开始，之后沿大石河西岸＋90—＋95 m 地形等高线施工（降低施工难度），按10 m 间距布置，位于采空区西南侧，阻挡来自大石河的涌水。 设计钻孔48 个（WM1—WM48），位置如图3 所示，钻孔堵水原理剖面1—1′如图4 所示。 钻孔参数见表1，孔深15 ～75 m，总工作量为2 298 m。
图3 A1 区堵水帷幕钻孔布置
Fig.3 Borehole layout of curtain for water-resistant in area A1
图4 堵水帷幕剖面示意
Fig.4 Sketch of water curtain for water-resistant
表1 A1 区堵水钻孔设计工程量
Table 1 Workload of design of water-resistant boreholes in area A1
孔号 孔口标高／m 孔深／m ZK01 ＋95.0 15.5 ZK02 ＋95.0 17.4 ZK04 ＋95.0 21.1 ZK03 ＋95.0 19.2 ZK05 ＋95.0 22.9 ZK06 ＋93.8 23.5 ZK07 ＋92.5 24.1 ZK08 ＋90.8 24.2 ZK09 ＋89.0 24.3 ZK10 ＋88.5 25.7 ZK11 ＋88.0 27.0 ZK12 ＋88.5 28.5 ZK14 ＋89.5 31.8 ZK13 ＋89.0 30.0 ZK15 ＋90.0 33.6
2.1.2 A2 区工程布置
A2 区为长城矿与曹山矿采空区沟通区域，为了切断二者导水联系。 结合前期的瞬变电磁探测结果，需要在电阻率相对较低的3 处区域注浆加固。此区域内低阻等值线横跨两侧煤矿，因此边界煤柱破坏可能性极大，两侧采空区积水极可能已经导通。
在边界煤柱上布设钻孔以对其进行注浆加固，设计钻孔64 个，间距20 m（有必要时再加密），布置如图3 所示。 孔口标高＋100—＋150 m，煤层底板标高-60—-250 m，设计孔深平均270 m，钻孔工作量预估为17 280 m。 由于篇幅有限，钻孔参数不再赘述。
2.1.3 钻孔结构设计及止浆方式
钻孔开口直径不小于130 mm，终孔孔径不小于91 mm。 穿透第四系进入基岩稳定地段5.0 m 后下入ø127 mm 套管，采用双液注浆材料固管。 钻孔终孔穿过采空区或进入煤层底板0.5 ～1.0 m。 在钻进过程中，根据钻进情况每50 ～100 m 测斜一次，终孔时孔斜不宜超过1°／hm。
由于煤层的上覆岩层多为砂岩或砂质泥岩，岩性比较完整，因查明该区域存在多个煤层采空区，上部采空区注浆结束后，需重复扫孔、继续钻进注浆。止浆方式统一采用套管口压盖止浆方式，必要时也可孔内下止浆塞。
2.2 煤柱注浆加固方案
2.2.1 钻孔布置
曹山矿与老柳江矿的边界煤柱如图2 所示。 设计时按垂直法留设边界煤柱宽度不小于40 m，但实际小于该宽度，且一侧存在采空区积水。 一旦北部曹山矿停止排水，采空水可能会在一定时间后水位升高至地表，将对边界隔水煤柱产生6 MPa 的水压。 通过现场调查发现，在矿山压力和曹山矿采空区积水的共同作用下，煤柱局部出现变形破坏趋势，且多处出现淋水现象。 为了保证老柳江矿安全回采，免受曹山矿采空区积水的危害，且保证煤柱具有足够的支撑能力，计划对煤柱进行注浆加固。 钻孔按照三花眼布置，间距为3.0 m，孔深20 m，上排孔开孔高度距离顶板0.5 m，下排孔距离底板0.5 m，钻孔布置如图5 所示。
图5 煤柱注浆加固钻孔布置
Fig.5 Layout of reinforcement drilling with coal pillar grouting
2.2.2 钻孔结构及封孔
钻孔直径为42 mm。 采用风钻施工，钻头直径42 mm。 钻孔深度为20 m。 注浆管采用镀锌钢管和铝塑管结合的方式，长度8 m，孔口管采用2 m 长的镀锌钢管，在0.5 m 位置焊接多圈铁丝，其余管采用1416 型铝塑管，管身后部2.0 m 需加工射浆孔，射浆孔直径5 mm，间距200 ～300 mm。 封孔方法如图6所示，封孔深度1.2～1.5 m，封孔段两端钢管上缠棉纱，在封孔段注低水灰比多功能材料浆液，20 min 后即可实施注浆。
图6 钻孔封孔示意
Fig.6 Prototype of borehole seal
3 多功能注浆材料性能
3.1 材料介绍
目前帷幕注浆和注浆加固一般采用普通硅酸盐水泥，该材料虽然价格便宜，但存在适用水灰比小，材料用量大，凝结时间长，早期强度低等缺点。 为了降低成本和施工难度，笔者研发了一种适用于该工程施工的多功能性注浆材料。 该材料由A、B 两种组分组成，单组分性能稳定，6 h 内不离析、不泌水，可实现浆液的远距离输送。 水灰比可以根据需要在（0.8～0.6） ∶1.0 调整，2 种浆液按照1.0 ∶1.0 比例混合，初凝时间为12 ～41 min，且可以根据现场需要调整。 材料具有速凝、早强特性，1 d 的抗压强度可以达到最终强度的50%～80%，表2 为多性能注浆材料在不同水灰比条件下材料性能参数。
3.2 多功能注浆材料使用方案
该材料在使用时，只需要调整水灰比即可得到对应的材料性能。 根据本工程对材料性能的要求，确定所使用的水灰比如下。
1）煤柱注浆。 由于煤柱在矿山压力和水的作用下裂隙较发育，且裂隙中部分存在积水，这就要求注浆材料需具有速凝特性，不仅可以封堵裂隙快速凝固，且双液混合后遇水不会分散。 因此，采用的水灰比为（0.8 ～1.0） ∶1.0。 在该水灰比条件下，材料可以在4～8 min 胶凝，2 h 抗压强度可以达到8 ～12 MPa，较好的满足煤柱注浆加固要求，同时可以采用此水灰比用来封孔。
2）裂隙区帷幕注浆。 帷幕注浆钻孔施工时，由于顶板裂隙发育，会造成钻孔施工困难，需要采用“钻进—注浆—钻进”的施工方式。 此时，需要注浆材料能够在短时间凝固，快速胶结破碎岩体，保证钻孔的正常施工。 同时为了最大限度地保证注浆加固范围，要求材料不仅具有一定的扩散半径，又不会因为凝结时间造成材料漏浆浪费。 因此，在施工裂隙灌注时，采用的水灰比为（1.5 ～2.0） ∶1.0。 材料在12～20 min 胶凝，2 h 强度可以达到2.6～4.6 MPa。
3）采空区帷幕注浆。 注浆帷幕施工区域局部位于矿井采空区，采空区顶板虽已垮落，且经过长期的堆积密实，但仍存在较大的空隙和空洞。 若采用常规材料帷幕注浆，则需要消耗和浪费较多的材料。 为了在保证帷幕安全施工的同时，尽可能的节省材料，降低成本。 因此，在施工至采空区帷幕注浆时，采用的水灰比为（3.0～6.0） ∶1.0，并根据现场具体注浆情况调节水灰比。 在该水灰比条件下，材料胶凝时间为25～40 min，每立方米材料消耗量为160～300 kg。
表2 多性能注浆充填材料性能参数
Table 2 Performance parameters of grouting materials with multiple properties
水灰比 胶凝时间／min单轴抗压强度／MPa 2 h 1 d 3 d 7 d 28 d材料消耗量／（kg·m-3）0.8 ∶1 4 12.0 14.10 15.20 16.10 18.70 830 1.0 ∶1 8 8.20 10.50 11.30 12.80 14.60 720 1.5 ∶1 12 4.64 5.62 8.50 9.2 10.80 550 1.8 ∶1 15 3.28 5.02 5.94 6.22 6.82 467 2.0 ∶1 20 2.64 4.25 4.47 5.34 5.89 426 3.0 ∶1 25 1.25 1.38 2.12 3.28 3.98 305 4.0 ∶1 30 0.70 1.19 1.85 2.07 2.45 241 5.0 ∶1 34 0.40 0.80 0.86 0.92 1.12 196 6.0 ∶1 41 0.20 0.40 0.53 0.64 0.82 162
3.3 注浆施工工艺
本次注浆所使用的注浆材料为上述多性能注浆充填材料，采用双液注浆工艺，注浆系统如图7 所示。 系统有2 个QB200 搅拌桶，2 个成浆桶，1 台双液注浆泵，以及相应的管路和混合器组成。 在前期钻孔施工过程和煤柱注浆加固时，由于需要的注浆量较小，因此选用注浆压力大、流量小的泵，设备型号为ZBQ50／19，注浆过程中注浆压力6 ～8 MPa 较为适宜。 而在帷幕注浆施工时，需要大流量的注浆泵，因此选用的泵型号为ZBQ150／9。
在帷幕注浆施工过程中，当出现注浆量较大，长时间不上压现象时，应降低水灰比减少凝结时间，降低材料消耗量。 在对煤柱注浆加固时，当出现泵压急剧上升时停止注浆，防止压力过高破坏煤体。 当出现多处漏浆，不上压等现象时，应降低水灰比，同时采用间歇式注浆方式解决。
4 矿井防治水施工过程及效果检验
4.1 防治水工程施工
根据设计方案，分别对帷幕注浆和煤柱注浆加固施工。 在施工帷幕钻孔时，局部出现漏浆量增大和钻孔破碎现象，为了保证钻孔正常施工，采用上述“钻进—注浆—钻进”的方式钻进，并调整水灰比为（0.8～1.0） ∶1.0，保证浆液快速凝固，缩短施工时间。 在注浆过程中，部分钻孔出现注浆量大，泵压低等现象，分析原因为钻进至采空区，通过及时调整水灰比和循环注浆的方式，既保证了工程质量，又节省了材料。
图7 注浆系统示意
Fig.7 Diagram of grouting system
针对煤柱注浆，由于煤柱前期在水和矿山压力作用下出现局部破坏。 因此，在施工过程中，破坏区采用低压慢注的方式，既保证了注浆量，又能防止在压力作用下煤柱二次破坏，同时又能防止注浆材料大量漏浆。 在淋水区域，调整注浆材料凝结时间，保证注浆材料在遇到涌水时不会发生分散。
A1 区施工帷幕钻孔48 个，孔深15～75 m，总工作量为2 298 m，共使用多功能注浆材料1 379 t。A2 区施工帷幕钻孔64 个，平均孔深270 m，钻孔总工程量为17 280 m，共使用多功能注浆材料10 368 t。 B1 区共施工钻孔843 个，总进尺6 744 m，共使用注浆材料675 t。
4.2 工程施工效果检验
为了检测注浆加固工程效果，针对不同工程特性选择合适的检验方法。 对于帷幕注浆区域来讲，主要采用物探来检验堵水效果。 对于煤柱注浆加固来讲，主要采用钻孔窥视的方法检验加固效果。
4.2.1 瞬变电磁检测结果
为了检验帷幕注浆效果，在前期瞬变电磁探测的基础上，注浆加固后，对帷幕注浆加固区域开展瞬变电磁，对比注浆前后瞬变电磁结果，检验注浆加固效果。 注浆加固前后瞬变电磁结果如图8、9 所示。
对比注浆前后瞬变电磁结果可知，在注浆加固前，在注浆加固设计点位置（图8a）为含水异常区，且局部水量较大，应为采空区积水所致。 注浆加固后，由图8b 可知，在钻孔布置位置，水量明显减少，局部已无积水，且距离钻孔越近，水量越小，但距离注浆孔距离较远的位置，探测结果没有发生变化。
图8 A2 区钻孔布置及注浆加固前后瞬变电磁探测结果
Fig.8 Borehole layout of Area A2 and results of transient electromagnetic detection before and after grouting reinforcement
4.2.2 钻孔窥视
在瞬变电磁检测的基础上，对煤柱注浆加固区域采用钻孔窥视的方法检验注浆效果。 注浆加固前后窥视情况如图9 所示。 通过钻孔窥视发现，注浆加固前，煤体较为破碎，很多区域存在较大裂隙，在施工过程中出现卡钻和塌孔现象。 注浆后，钻孔钻进顺利，且在钻孔中未发现较大的裂隙，注浆材料和煤体黏结紧密。 由此可见，注浆材料和工艺能够较好的加固煤体，起到较好的注浆堵水效果。
注浆效果检测结果表明，本次注浆加固工程取得较好的效果，采用的方案、材料、和工艺能够较好的解决涌水对矿井安全带来的隐患，保证矿井正常安全回采。
图9 煤柱注浆前后钻孔窥视结果
Fig.9 Results of drilling peeping before and after coal pillar grouting
5 结 论
针对地表水通过小煤窑和顶板裂隙进入井下采空区形成突水隐患的问题，在掌握矿井具体水文地质条件和积水赋存规律的基础上，采用帷幕注浆和煤柱注浆的方法对富含水区和矿井边界煤柱注浆加固。 同时根据工程需要研发一种多功能注浆材料，该材料适用水灰比范围大，能够通过调整水灰比得到需要的性能。 按照设计方案开展工程施工，消除矿井突水隐患。 通过瞬变电磁探测和钻孔窥视检验注浆加固效果。 主要结论如下：
1）现场调查发现，地表水通过小煤窑井口、顶板导水裂隙和露头涌入井下，形成的持续高压水是造成矿井突水隐患的主要原因。
2）根据突水隐患分布区域，采用帷幕注浆加固来阻断地表水涌入采空区通道，共施工112 个钻孔，使用注浆材料11 747 t，采用边界煤柱注浆加固消除采空区积水对邻近矿井带来的安全隐患，共施工钻孔843 个，使用注浆材料675 t。
3）针对该工程对材料性能的需求，研发一种多功能注浆材料，该材料可适用水灰比范围（0.6 ～0.8） ∶1，且能够通过调整水灰比得到注浆材料不同性能，在该水灰比条件下，凝结时间4 ～41 min，抗压强度为0.82～18.70 MPa，实现了一种材料满足多种注浆加固工程要求的目的。
4）通过瞬变电磁和钻孔窥视对注浆效果检验。对比注浆前后瞬变电磁检测结果发现，注浆加固前的富含水区，加固后电阻率明显增加，视电阻率由5 Ω·m 提高至40 Ω·m，表明积水量明显减少。 钻孔窥视结果表明，煤柱注浆加固能够较好的封堵裂隙，提高煤柱支撑能力和防水效果。 研究结果表明该工程采用的方案和多功能注浆材料能够较好的解决矿井突水隐患，保证了工作面安全回采。
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