摘  要：文章根據焦作礦區水文地質條件極其復雜、突水頻繁、水害威脅嚴重的實際情況分析了煤層底板含水層注漿改造的必要性和可行性，闡述了實施煤層底板含水層注漿改造技術的基本內容及工程應用實踐，取得顯著經濟效益和社會安全效益。
    關鍵詞：煤層底板；含水層；注漿改造；注漿材料
1  概  況
1．1  礦區概況
    焦作礦區位于河南省西北部太行山南麓，為掩蓋式石炭二疊紀煤田，北依太行山，東至修武、輝縣，南抵武陟縣，西達博愛縣。東西走向長65km，南北傾斜寬20km，礦區總面積約1300km²。礦區主采煤層為山西組二，煤，煤層總厚6～9 m，埋深100～1000m，為優質無煙煤，地質儲量28．5億t。礦區現有8處生產礦井，生產能力350萬t／a。
1．2  礦區地質構造
    焦作煤田位于太行山復背斜東南翼，處于東西向構造段新華夏系構造的復合部位，區內廣泛分布著燕山期以來新生成的各種構造形跡，以多期活動的高角度正斷層為主，褶皺構造表現微弱，斷裂構造按其展布方向可分為NW向、NE向和近EW向三組，近EW向張性斷層和NE向壓扭性斷層控制著地下水的補給、徑流和排泄。
1．3  礦區主要含水層情況
    礦區發育有四個含水層(組)，自上而下分別是第四系(Q)砂礫石含水層；二疊系(P₁)砂巖裂隙含水層；石炭系(C₃)薄層灰巖巖溶含水層；奧陶系(0₂)巨厚層灰巖巖溶含水層，其中后兩個含水層(組)對礦井安全生產威脅最大。石炭系(C₃)薄層灰巖巖溶含水層主要有八層灰巖含水層(L₈)和二層灰巖含水層(L₂)，八層石灰巖層厚6一10 m，上距二煤層18～40m，一般20m，該含水層含水性較強，是二，煤層的直接充水水源，礦區曾經發生近千次八層灰巖突水，最大突水量達6300m³／h。該含水層一旦通過構造、礦壓破壞等形式與“二灰”、“奧灰”溝通，常會造成淹沒采區及礦井的災害性突水事故，是礦井開采過程中重點治理對象。二層石灰巖層厚8～12m，上距二，煤層70m，下距“奧灰”頂面一般20m，該含水層巖溶裂隙發育，富水性強，水位變化基本與奧灰水位同步，是上覆各含水層的補給水源。當巷道與其接近或通過破碎帶與之相通時，將可能造成突水淹井的毀滅性災害。奧陶系灰巖含水層(0₂)為煤系地層之基底，厚400m，巖溶裂隙十分發育，富水性強，在太行山區直接接受大氣降水及地表水的大量補給，然后轉為地下徑流，向東南運移進入礦區深部，成為焦作礦區各含水層間接的強大補給水源。
1．4  礦區水害威脅狀況
    焦作礦區是全國著名的大水礦區，歷史上曾發生多次突水事故，截止2003年底集團公司所屬礦井共發生60m³／h以上突水600余次，最大一次突水量為19200m³/h，因突水造成淹井17次，淹采區14次，造成的直接經濟損失達3億元之多，少出煤炭近千萬噸，生產礦井的正常涌水量最高達30000m³／h以上。
    如此巨大的礦井涌水量，加上頻繁的突水，迫使工作面不得不進行改造，使得煤炭生產難以正常進行，無法使用綜采等先進采煤工藝來提高礦井生產能力。
2  煤層底板注漿改造技術在焦作礦區應用的必要性
2．1  水害壓煤
    焦作礦區所屬各生產礦井均為水文地質條件復雜礦井，主要充水水源為二煤層底板石炭系太原組薄層灰巖巖溶裂隙水。隨著開采水平的不斷延深和開采范圍的不斷擴大，水壓逐漸升高，水文地質條件變得愈來愈復雜，突水威脅愈加嚴重，礦區受水嚴重威脅儲量高達14．5億t。如不采取有效措施解決水患威脅，將導致礦區可采儲量減少，礦區年產量逐年下降，直接影響到礦區的長遠發展。
2．2  礦井經常性涌水量過大
    焦作礦區每采一噸煤要排50～60t水，是全國平均水平的5～6倍，僅排水費用每年就高達6000余萬元，噸煤排水費用占噸煤成本20％，造成企業經濟效益低下。也造成排水泵房設備老化，礦井抗災能力大大降低。   
2．3  突水頻繁突水量大
    焦作礦區突水之頻繁，突水量之大，經濟損失之驚人，都達到了極其嚴重的程度。近幾年來，隨著礦井開采水平的不斷延深，水文地質條件變得愈加復雜，雖然開展了八層灰巖含水層疏水降壓等多項綜合防治水工作，但對一些水文地質條件復雜含水層富水性強的地區效果不明顯，而且巨額的排水費用礦井也難以接受。
    綜上所述，在焦作礦區應用煤層底板含水層注漿改造這一新技術不僅是十分必要的，也是十分迫切的。
3  煤層底板注漿改造技術在焦作礦區應用的可行性
    煤層底板含水層注漿改造技術就是沿工作面下順槽大面積布置注漿鉆孔，通過注漿鉆孔注漿來充填底板灰巖含水層的巖溶裂隙和導水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補給通道，使受注含水層被改造為不含水或弱含水層，同時亦增強了煤層底板隔水層的強度，實現工作面不突水開采。
3．1  泣漿開采有成熟的技術和成功的經驗
    注漿改造含水層進行開采源于1984年，經過20年來的發展，經歷了地面打孔、地面注漿和井下打孔、井下注漿兩個發展階段后，現已實現了井下大面積打孔地面連續注漿的新工藝，已經積累了成熟的注漿改造技術和豐富的經驗。   
3．2  各礦井水文地質條件已經查明，有利于注漿改造技術的實施 
    國家級工業性試驗項目《華北型煤田奧灰巖深水綜合防治工業性試驗》，歷經“七五”、“八五”兩期工業性試驗階段，通過鉆探、物探等多種探測手段，焦作礦區各礦井水文地質條件已經基本查明，為防治水工作奠定了基礎。
3．3  新型注漿材料確保了注漿改造開采既可行又經濟
    隨著注漿技術的發展，注漿材料也經歷了從單液水泥漿到水泥、粘土、水玻璃等多元材料的發展過程，水泥粘土漿不但注漿成本低，材料來源廣，而且漿液流動性好，充填效果佳，改造質量高，確保經濟可行。
3．4  新型物探手段有助于注漿改造技術成功應用   
    直流電流物探等新型物探手段在焦作礦區已經推廣應用多年，通過對數十個工作面進行探測，證實對探測L₈灰巖富水帶和巖溶發育帶比較準確。通過物探技術探測，一方面可以了解底板含水層裂隙分布情況，確定富水地段，指導注漿孔的合理布置，另一方面為檢驗注漿效果提供了探測手段，有利于注漿改造技術的應用。
    通過以上的綜合分析，我們認為在焦作礦區實施煤層底板注漿改造含水層技術是可行性，可以解決長期以來被動防水的難題。
4  煤層底板注漿改造技術的主要內容
    煤層底板注漿改造工程主要包括地面造漿站、井下工作面打注漿鉆孔、井下連續注漿等工程。   
    地面造漿站由儲土棚、粗漿池、精漿池、一攪池、二攪池、注漿棚、清水池等設施組成。主要設備有制漿機、攪拌機、雜污泵、泥漿泵、空壓機等。根據漿液的擴散半徑以及16灰巖含水層的富水性，在工作面下順槽每隔一定距離施工一個鉆窩，每個鉆窩內施工3～4個注漿鉆孔，具體參數根據被改造含水層具體水文地質條件確定。注漿鉆孔要分三個序次施工，全部注漿結束后，視鉆孔涌水量和進漿情況確定補打檢驗孔。制好的粘土水泥漿由泥漿泵→輸漿鉆孔→輸漿管路→注漿鉆孔→含水層。注漿壓力一般為水壓的2～3，倍，漿液擴散范圍較大，注漿后可封堵含水到煤層的導水裂隙，加固煤層底板隔水層；也可改變L₈灰巖富水性，變強含水層為弱含水層或隔水層，同時亦可切斷底板L₈含水層與L₂灰巖及O₂灰巖含水層的水力聯系，從而達到安全開采之目的。
5  煤層底板注漿改造技術在焦作礦區應用的效果
5．1  九里山礦14041等工作面
    九里山礦西翼采區水文地質條件極為復雜，一四采區首采面14021在開采中曾發生兩次突水，水量分別為840m³／h和360m³／h，造成工作面停產。通過實施該技術，不僅沒有發生突水而且由于漿液大范圍擴散充填了水源補給通道，封堵了14021工作面老突水點水量360m³／h，一二采區涌水量也減少600m³／h，僅此一項每年就可節約排水費用320萬元，取得了顯著的經濟效益，又相對增強了井底泵房的抗災能力，對礦井安全生產起到了重要作用。
    繼14041工作面進行了煤層底板含水層注漿改造實現了開采不突水后，為了推進高產高效礦井的建設，2001年集團公司決定在14061工作面進行首個綜采試驗。通過應用該技術保證了第一個綜采工作面的順利回采，并安全采出煤炭53萬t。而
14051綜采工作面實施了煤層底板含水層注漿改造，也安全采出煤炭38萬t，該礦2003年礦井產量首次達產，突破100萬t。
5，2  演馬莊礦25081工作面
    演馬莊礦25081工作面下風道位于一條H＝5m的斷層附近，通過物探手段探測顯示為低阻帶，極有底板突水可能。因此對25081工作面也實施了該技術，重點對下風道和斷層之間的破碎帶進行加固。回采期間也未發生大的突水，安全采出煤炭20萬t。
    該技術在九里山礦和演馬莊礦成功應用后，又相繼在朱村礦、韓王礦和古漢山礦等三對礦井進行了推廣應用；截至目前已安全采出煤炭240余萬t，不僅避免了大的突水事故的發生，并且實現了綜采，為集團公司高產高效礦井的建設打下了良好的基礎。與此同時，九里山礦等五對礦井利用底板含水層注漿改造系統封堵了井下多處突水點，減少礦井涌水量3000m³／h，年節約排水費用l275萬元，取  得了顯著的經濟效益和社會效益，對大水礦區的水害治理具有重要的技術指導作用。
6  結  論
    通過煤層底板含水層改造技術在焦作礦區的成功應用，我們認為該技術是解決底板突水威脅的有效途徑之一，能夠消除重大突水隱患，實現礦井安全生產；有利于提高煤炭資源回收率；緩解礦井水平接替緊張局面；增加產量，降低成本；為集團公司高產高效礦井的建設創造良好條件，具有明顯的經濟效益和社會效益，可在河南省及華北地區大水礦區推廣應用。