基于注浆钻孔数据集的注浆工作面底板突水危险性评价体系

底板突水是我国煤矿矿井水害的主要形式之一[1]，尤其是在华北煤田，底板突水导致的矿井水害问题十分突出，导致55%以上的矿井由于受底板承压水威胁导致煤炭资源开采受限[2]。因此近年来底板注浆加固及含水层改造技术(简称“注浆加固技术”)，已在许多煤矿进行实践，成功应用于煤层底板承压含水层加固改造，有效封堵隔水层导水裂隙通道，从而防止底板突水。但部分工作面在注浆加固后仍会有突水危险，以焦作矿区为例，从2006年起共有8个已进行注浆加固的工作面发生突水事故，严重影响矿井安全生产，损害煤炭开采的安全与经济效益[3-5]。目前很多学者大多是针对工作面底板突水机理及评价方法的研究。在底板突水机理分析方面，文献[6]提出脆弱性指数法;文献[7]提出工作面底板突水的关键层“KS”理论;文献[8]归纳了底板突水规律并提出突水优势面理论;文献[9]在煤层底板效应的基础上，提出“零位破坏”与“原位张裂”概念;文献[10]在煤层底板“下三带”的基础上，设定了“下四带”的划分标准;文献[11]基于三轴渗流试验，建立了煤层底板突水力学模型，在突水危险性评价方面，文献[12]采用五图双系数对底板突水进行危险性评价;文献[13]提出隔水层承受水头压力比值系数评价;文献[14]理论分析了安全隔水层厚度评价的可行性;文献[15]揭示了矿井深部煤层底板采动破坏特征及突水机理，但是底板突水危险方面的研究成果一般是针对非注浆改造工作面进行的，鲜有煤层底板注浆加固工作面的突水因素的研究及突水危险性评价;文献[16]总结归纳了多个注浆工作面突水原因，并对易突水区域进行划分;文献[17]对注浆加固工作面底板岩体类型分级，构建了 “孔隙-裂隙升降型”力学模型，但这些理论在实际工程运用中有所局限性，缺乏系统的研究。因此，笔者以焦作矿区为工程背景，收集5个矿2 245个注浆钻孔的工程数据，建立注浆钻孔数据集，综合考虑研究区地质构造、含水层水头压力、底板富水性、钻孔注浆量等因素，统计分析注浆加固前后底板钻孔信息与水文地质信息的变化量，归纳7种影响因子，并对因子中指标进行显隐性划分，提出了注浆钻孔的水量、水压、注浆量的动态“三参量”评价方法。从而形成了“27831”的注浆加固工作面突水危险性评价体系。

1 注浆钻孔数据集简介

以河南焦作矿区为例，它涉及赵固一矿、赵固二矿、九里山矿、古汉山矿和演马庄矿共5个主要生产矿井，13个典型工作面，共计2 245个工作面底板注浆钻孔。各工作面底板注浆钻孔平均分布，平均钻孔深度大于L8灰岩含水层深度，部分钻孔穿过L2灰岩含水层。工程数据主要包括3类信息。第1类钻孔施工参量信息:钻孔的位置、施工时间、钻孔深度、方位角、倾角、涌水量、水压、注浆量、注浆次序等参量。第2类资料信息:注浆钻孔平面布置图、剖面图、注浆钻孔工程统计表以及断层区域地质信息表等。第3类工作面出水案例:工作面、突水点位置、突水量、突水过程、治理工程及注浆加固效果等。

2 工作面注浆条件类影响因子

在矿区采动影响基本相同的条件下，影响注浆加固工作面底板突水的因素众多，组合类型多样，根据工程实践经验和注浆钻孔数据分析，将其整合为注浆条件类与注浆效果类。注浆条件类影响因子，是指能够反映注浆前原始含水层富水性、含水层水力联系，确定工作面底板突水危险区域的因子，能够对工作面注浆加固工作面重点防治工作提供指导。而注浆效果类影响因子，是指工作面注浆加固后能对注浆治理效果及突水危险性评价有影响的因子。

其中注浆条件类有4个影响因子，包含5种解析图型，有2个显性因子指标、1个一般性因子指标和1个隐性因子指标。

2.1 工作面突水危险区因子

工作面突水事故多发生在涌水量大的注浆钻孔集中的区域。钻孔涌水量大的区域一般水源补给强，危险性高，且常受断层影响。因此根据钻孔涌水量划分底板突水危险区。

2.1.1 底板突水危险区划分原则

参考焦作矿区工程经验规定:

(1)当Q>30 m3/h时，以出水点为中心，沿工作面推进方向前后15 m划为严重危险区;

(2)当10 m3/h≤Q≤30 m3/h时，以出水点为中心，沿工作面推进方向前后10 m为中等危险区;

(3)当Q<10 m3/h时，以出水点为中心，沿工作面推进方向前后5 m为弱危险区。

若在工作面推进方向上相同区域同时出现Q>30 m3/h,10 m3/h≤Q≤30 m3/h和Q<10 m3/h中的2种或3种情况时，以最大涌水量来确定危险区范围。

根据上述划分标准，在工作面采掘工程平面图上进行突水危险区划分，形成因子解析图。例如，对赵固一矿12041工作面注浆孔分布及各危险区进行划分，如图1所示。在工作面范围内，底板导水性强弱与突水危险性有着密切联系，且具有非均一性。总体来说，严重危险区反映该区域底板岩体破碎严重，裂隙发育程度高，更具有突水危险。距开切眼0～8.0,40.3～102.7,178.9～229.5 m三个深阴影区域均为严重危险区，依次编号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，总面积22 798.5 m2，约占工作面总面积的17.01%;其中，Ⅱ区在2012年4月工作面回采过程中发生突水事故。距开切眼17.5～40.3,102.7～178.9,322.8～342.8,476.7～496.7,802.6～822.6 m五个浅阴影区域为中等危险区，总面积23 897.8 m2，约占工作面总面积的17.82%;剩余区域为弱危险区，约占工作面总面积的65.17%。

2.1.3 指标显隐性分析

以焦作矿区为例(表1(第4列))，9个突水点中有8个突水点位于严重危险区，1个位于中等危险区，说明危险区划分是合理的。并且严重危险区面积比例越高的矿井、工作面，其突水的危险性越高。据此对焦作5个矿区突水危险性排序，其顺序为:古汉山矿>演马庄矿>九里山矿 >赵固一矿>赵固二矿，与实际矿井突水情况基本一致。故严重危险区面积比例为显性指标。

2.2 沿工作面走向出水水源显示因子

在其他条件基本相同的条件下，通过注浆钻孔的涌水量、出水水压和断层带的关系，可以初步判断出水水源及其富水性，从而评估突水的危险程度。

2.2.1 钻孔揭露水压分级标准

低水压——钻孔水压8含水层水压，主要出水水源为L8含水层，评分为1;

中水压——L8含水层水压≤钻孔水压≤L2含水层水压，主要出水水源为L8含水层，局部受L2含水层补给，评分为2;

高水压——钻孔水压> L2含水层水压，主要出水水源为L2含水层，并且可能受O2含水层补给，评分为3。

2.2.2 其他评价标准

工作面无断层，评分为1;涌水量大、水压大的钻孔不在断层影响带，评分为2;涌水量大、水压大的钻孔位于断层影响带，评分为3。

钻孔涌水量分级标准参见表2(第3列)，低涌水量，评分为1;中涌水量，评分为2;高涌水量，评分为3。

表1 焦作矿区工作面影响因子综合评价分析
Table 1 Comprehensive evaluation and analysis of effecting factors in working face of Jiaozuo Mining Area

表2 焦作矿区钻孔水压、涌水量和注浆量划分标准
Table 2 Standard for dividing water pressure,water inflow and grouting amount of boreholes

从工作面开切眼到终采线选择涌水量大的典型的钻孔，绘制因子解析图。以九里山矿14141工作面为例，如图2所示。各分区钻孔涌水量和水压大致呈正相关关系，大部分高、中涌水量钻孔的水压达到L2含水层水压，表明出水的主要水源为L2含水层。大部分低涌水量钻孔水压介于L8,L2含水层水压之间，表明主要水源是L8含水层。

14141工作面严重危险区中大涌水量的钻孔共有10个，孔均涌水量54.60 m3/h，评分为2，孔均水压(2.11 MPa)为中水压，评分为2;工作面中等危险区中涌水量的钻孔共有10个，孔均涌水量17.58 m3/h，孔均水压(1.74 MPa)为中水压;工作面弱危险区小涌水量的钻孔共有152个，孔均涌水量2.58 m3/h，孔均水压(1.24 MPa)为低水压。

严重危险区高涌水量、高水压的钻孔大部分集中在断层影响区域，评分为3，表明断层带是底板突水危险区。也是重要导水通道。该工作面综合评分为2.33。

2.2.4 指标显隐性分析

针对工作面严重危险区钻孔涌水量、揭露水压及断层带影响进行综合评分，结果发现已发生突水事故的9个工作面的平均评分为2.6;未发生突水事故的4个工作面的平均评分为2.33。各工作面评价结果参见表1(6列)。两类工作面评分有略微差异，表明钻孔水压及涌水量是突水的一般指标。

2.3 工作面底板导水性因子

探究钻孔出水点、涌水量及其分布特征与各底板含水层的位置关系，可以了解工作面底板导水性及相应危险性。

2.3.1 底板导水性分布类型

B型分布:L8与L2含水层之间有大量出水点且涌水量大，表明底板导水性好，危险大，评分为5;

H型分布:L8和L2含水层有集中的出水点且涌水量较大;两含水层之间有出水点，表明底板导水性较好，危险较大，评分为4;

U型分布:在L8和L2含水层有集中的出水点和涌水量;两含水层之间无出水点，表明L8和L2含水层富水性较好，但两者水力联系弱，底板导水性中等，危险中等，评分为3;

L型分布:在L8和L2含水层有集中的出水点和涌水量;L8含水层以下无出水点，表明L8含水层富水性较强。由于对L2含水层进行了大量的注浆，并且可以便利探测注浆效果，因此底板导水性较差，危险较弱，评分为2;

J型分布:在L2含水层有集中的出水点和涌水量;L8与L2含水层之间无出水点，表明L2含水层富水性较强，但和L8含水层水力联系弱，底板导水性差，危险弱，评分为1。

该因子有1组3种解析图，包括工作面钻孔终孔深度、出水点和涌水量在不同垂深的分布图(图3)。以赵固一矿12041工作面为例，其L8含水层底板垂深约28 m，厚度均为8.7 m，L2含水层底板垂深约85 m，厚度均为9.8 m，如图3(a)所示，钻孔终孔深度多位于L8和L2含水层之间，主要集中在65～80 m段。如图3(b)所示，出水点多集中分布于L8含水层附近和垂深70～80 m的L2导升带。如图3(c)所示，钻孔涌水量较大;L8与L2含水层之间也分布有一些出水点和一定涌水量。因此，其底板导水性属H分布的范畴，底板突水危险性较大，安全性较低。

2.3.3 指标显隐性分析

通过分析13个突水与未突水工作面，结果发现突水危险性评价结果与实际突水情况是有相关性的。其中有5个突水工作面底板导水性分布为H型或B型，突水危险性较大。但有些工作面评价结果存在一定差异，有4个突水工作面底板导水性分布为U型或L型，突水危险性中等及较低，4个未突水工作面中有3个工作面表现为H型或B型，突水危险性较大。这是由于突水点往往位于范围较小的严重危险区，而该因子指标是针对整个工作面底板导水性类型进行划分，导致弱化了评价的准确性。因此工作面底板导水性分布为隐性指标。

2.4 工作面严重危险区底板导水性因子

按照2.3中所述的底板导水性分布划分类型标准，对各工作面严重危险区底板导水性进行划分。

结合工作面底板突水危险区分布图例，仍然采用各严重危险区钻孔终孔深度、出水点和涌水量这1组3种因子解析图(图4)。以赵固一矿12041工作面Ⅱ严重危险区为例，如图4(a)所示，Ⅱ严重危险区钻孔终孔深度在40～90 m段，达到L2含水层上部;如图4(b)所示，底板出水点多集中在L8,L2含水层之间，表明两者存在水力联系;如图4(c)所示，工作面浅部涌水量较小，随着底板垂深的增加，其明显增大，在L2含水层上部达到最大。同时，L2导升带附近单次涌水量明显大于L8含水层附近单次涌水量，L8含水层补给性不强，与深部富水性强的L2含水层之间有水力联系。Ⅱ严重危险区底板导水性分布划分为H分布范畴，突水危险性较大，底板加固时需重点关注。

2.4.2 指标显隐性分析

通过分析，参见表1(7列)，焦作矿区17个未突水工作面的严重危险区发现其中有11个底板导水性分布为U,L或J型，危险性偏弱;对已发生突水事故的8个工作面严重危险区分析，发现底板导水性分布为H或B分布，危险性大。已发生突水事故的8个严重危险区的平均得分为3.88分;未发生突水事故的17个严重危险区的平均得分为2.82分。两者存在明显差异，表明该评价指标有一定的指导意义。这是由于相比于整个工作面的底板导水性，该因子指标的针对区域是突水危险性较高的严重危险区，评价区域范围缩小，准确性明显提高。故工作面严重危险区底板导水性分布为显性指标。

3 工作面注浆效果类影响因子

工作面注浆效果类提炼出3个影响因子，共有3种解析图型，包含2个显性因子指标和2个隐性因子指标。

3.1 工作面正常带与断层带注浆量差异因子

断层的影响区域内，岩体裂隙发育，为地下水运移及储存提供通道和场所，突水的危险性增强，同时具有良好的可注性，故在注浆区域内分别平行断层走向、倾向，将断层两侧15 m划定为断层影响带，其余区域为正常带。有2个评价指标。

3.1.1 正常带单位面积注浆量Qz

由于底板注浆深度已基本确定，单位面积注浆量也可反映底板立体加固情况。

焦作矿区正常带单位面积注浆量Qz分级标准:

说明工作面底板垂向导水性较好，危险性大;

说明工作面底板垂向导水性差，危险性小。

定义注浆系数Z为工作面断层影响带单位面积注浆量Qd与正常带单位面积注浆量Qz的比值。用来反映注浆量在断层带和正常带的差异程度。

根据上述注浆区域划分方式，在工作面采掘工程平面图上增加断层带和正常带的划分和显示，形成因子解析图。例如，对赵固二矿11131工作面注浆区域划分，如图5所示。用阴影区域表示工作面断层影响带，工作面断层影响带总面积31 218.7 m2，施工注浆钻孔69个，注入干料总计2 809.68 t，单位面积注入干料0.09 t/m2，均孔注入干料40.72 t;工作面正常带总面积117 521.3 m2，施工注浆钻孔108个，注入干料总计3 055.6 t，单位面积注入干料0.026 t/m2，均孔注入干料28.2 t，注浆系数为3.5。结合工作面严重危险区分布图可知，严重危险区都位于工作面断层影响带内。由于断层影响带内底板岩层裂隙发育，致使其单位面积注浆量和均孔注浆量均明显高于工作面正常带。

3.1.4 指标显隐性分析

以焦作矿区为例，参见表1(8列)，对比发现:已发生突水的9个工作面中有6个正常带单位面积注浆量大于0.1 t/m2，底板导水性强，未突水的4个工作面正常带单位面积注浆量均小于0.1 t/m2，故正常带单位面积注浆量Qz为显性指标。

注浆系数具有双重意义，一方面，该系数大表明断层带底板裂隙发育且连通性好、导水性强、突水危险性高;另一方面，系数大表明大量的注浆材料使得裂隙可能得到有效封堵，降低了底板断层带的导水性，提高了断层带底板的完整性和阻水能力。

在有断层构造的9个工作面中，突水与未突水工作面的注浆系数具有一定的离散性，无明显差异，故注浆系数为隐性指标。但该系数对于认识断层带的基本情况是有益的。

3.2 注浆孔水压与累计注浆量叠加因子

底板在注浆改造过程中，累计注浆量和水压的变化特征在一定程度上反映底板裂隙封堵的有效性。一般情况下，随底板注浆持续进行，钻孔最高水压的增加、最低水压的减小以及累计注浆量出现平稳段均能够表示注浆效果好。

对比注浆过程中累计注浆量与水压的特征，绘制因子解析图。以古汉山矿13091工作面为例，如图6所示，OA段注浆初始水压介于L8与L2含水层水压之间，初步判断补给水源来自L8与L2含水层;随着对底板持续进行注浆加固，AB段水压波动较大，由于受到多孔注浆的影响，最高水压明显增大;BC段累计注浆量有一定的基本稳定段，同时钻孔最低水压有减小的趋势，表明注浆基本饱和，底板的导水性降低，裂隙得到有效封堵，注浆效果好。

3.2.2 指标显隐性分析

结果发现由于各矿注浆加固深度不同，底板岩体裂隙率不同，各工作面实际突水情况与其平均注浆效果评估结果差异较大，故注浆孔水压及累计注浆量为隐性指标。但随钻孔数据的增多，可能归纳出规律性的认识。

3.3 注浆孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子

根据注浆钻孔水压、钻孔最大涌水量和注浆量这3个参量(以下简称“三参量”)的排列，每个参量划分为高、中和低3个等级，具体标准见表2。

对工作面严重危险区注浆情况进行分析，发现工作面内严重危险区钻孔的涌水量、水压及注浆量受钻孔施工先后顺序影响较为明显，绘制因子解析图，如图7所示。以九里山矿14141工作面为例，Ⅱ严重危险区，开始阶段出现低水压、低水量和低注浆量的钻孔;中段揭露高水压、中水量和中注浆量的钻孔，注浆效果好;结束时出现高水压、低水量和低注浆量情况，注浆效果好。该工作面在底板注浆后未发生突水事故。各矿区可根据工程经验制定相应的注浆效果评价标准。

3.3.2 指标显隐性分析

以焦作矿区为例，参见表1(9列)，共有17个未突水工作面危险区，其中有15个注浆效果综合评价中等偏好;已发生突水事故共有8个危险区，其中有7个注浆效果综合评价较差。两者对比表明两类危险区有明显差异，说明该评价指标具有一定指导意义，故该指标为显性指标。

4 “三参量”评价方法

4.1 以往评价方法与问题

以往焦作矿区注浆加固工程效果的评价指标:检查孔水量小于10 m3/h,注浆压力大于含水层的2.0倍。钻孔注浆量小于60 L/min,大于30 min。未考虑钻孔涌水量、水压和注浆量。

4.2 三参量评价方法及效果

按各严重危险区的注浆过程和注浆结束2个阶段，按照注浆“三参量”按照水压、涌水量及注浆量的施工顺序进行评价，然后对总体注浆效果进行评价。是一种定性评价底板注浆改造加固效果的方法之一。

以上述九里山矿14141工作面Ⅱ严重危险区为例，如图7所示，对其进行评价，结果表明:在注浆过程出现高水压、中水量和中注浆量情况，注浆效果好;注浆过程中揭露高水压、高水量、高注浆量的钻孔，表明该区域底板富水性强，裂隙发育，有利于浆液扩散，注浆效果好;注浆后水压没有明显下降，注浆量和水量有下降趋势，注浆结束后出现高水压、低水量和低注浆量情况，表明底板内部裂隙得到有效封堵，含水层局部密闭性增加，注浆材料充填裂隙区域，注浆效果好;总体来看该危险区底板岩层完整性增加，注浆效果好，基本达到注浆改造的目的。

4.2.2 评价效果分析

焦作矿区各工作面典型突水危险区注浆过程、注浆结束以及综合评价结果参见表3。按照差记3分，中等记2分和好记1分的方法进行评分，在8个出水样本中，2个评为差，5个评为中等，1个评为好，综合评分为2.13;在17个未出水样本中，2个评为差，11个评为中等，4个评为好，综合评分1.88。

对于已经评价合格并开采的工作面，出现2类评分差异，对注浆效果评价有指导意义。综合考虑“三参量”的注浆条件与效果，是对以往评价参量的补充和提升。目前该评价方法已在九里山矿14141工作面、赵固二矿14030工作面应用，且在14141工作面获得验证。之后会在不同矿区进行不同程度的推广和应用。

表3 焦作矿区各工作面严重危险区注浆“三参量”及效果评价
Table 3 Grouting “three parameters” and evaluation at serious dangerous zone of various working faces

5 结论

(1)基于注浆钻孔数据集，建立注浆加固工作面底板突水危险性评价体系。将影响工作面底板突水的因素大致分为2类7影响因子，一类是注浆条件型，包括工作面突水危险区因子、沿工作面走向出水水源显示因子、工作面底板导水性因子以及严重危险区底板导水性因子;一类是注浆效果型，包括工作面正常带与断层带差异因子、注浆孔水压与累计注浆量叠加因子以及注浆孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子。并提出各自相应的8种解析图型。

(2)以焦作矿区为例，通过对比工作面突水与不突水事例中影响因子指标的差异性，对8个因子指标提出评价标准，并进行显隐性划分，包括4个显性指标、1个一般性指标和3个隐性指标，为后续采用模糊数学等其他方法，评价提供了影响因子的指导。

(3)提出注浆孔水量、水压、注浆量的动态“三参量”评价方法，按各严重危险区的注浆过程和注浆结束2个阶段，对注浆“三参量”按照水压、涌水量及注浆量的施工顺序进行评价，然后对总体注浆效果和突水危险性进行评价。

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