一句话回答： 本文针对神东哈拉沟煤矿在薄基岩、极浅埋深煤层综采过程中频繁遭遇的上覆松散富水沙层流化突涌与溃水溃沙（Water and Sand Inrush）灾害，系统阐述了浆液扩散半径力学计算模型（R = \sqrt{\frac{6 \Delta P \cdot b \cdot t}{\eta_p}}），设计了地面/井下大流量双液（水泥-水玻璃）秒级速凝截流灌浆孔群与防砂控制系统，并制定了应急预案与探放防冲自查指南。
适用读者： 煤矿总工程师、安全矿长、地测科长、防治水主任、现场注浆加固技术员
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国煤炭加工利用协会固废隔离注浆专家组成员
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一、 哈拉沟煤矿薄基岩顶板开采地质背景与防砂截流痛点
哈拉沟煤矿位于神东采区，属于典型的极浅埋深（埋深通常小于 $50\text{ m}$）薄基岩开采矿井。主采的侏罗纪延安组煤层上覆基岩厚度极薄，而在基岩之上直接覆盖着大厚度的第四系萨拉乌苏组（Salawusu Formation）松散富水风积沙层。
在这种极其敏感和高风险的地质赋存条件下，工作面回采后，顶板薄基岩会产生直通地表的“台阶式”切落裂缝。这导致上覆萨拉乌苏组中的松散流沙在高承压水头和采动动力冲击下，瞬间液化并涌入井下，发生极其严重的顶板溃水溃沙（Roof Water and Sand Inrush）灾害。
在此工况下，水害防治面临着以下行业性痛点：
- 水沙混合物的高流动性与强腐蚀冲刷力：水沙一旦启动流化，流砂通道会在承压水流冲刷下发生强烈潜蚀，通道直径瞬间呈几何倍数扩大。大流量的泥沙混合物会在数小时内将综采面顺槽甚至整个主水仓彻底灌满，导致工作面直接报废，造成极其严重的毁矿淹井事故。
- 大流量快速流动水砂背景下浆液极易被冲刷稀释：在强紊流、高流速的流动水沙介质中，传统的单水泥液浆因初凝时间过长（通常长达数小时），在注入通道后会被流动水流彻底冲稀带走，完全无法在溃沙通道的核心段发生胶结凝聚。
- 常规注浆极易导致“孔内砂桥”架桥堵塞：在松散砂体中进行高压注浆时，沙粒在浆液物理挤压下会发生局部“力学架桥”现象。这会导致注浆压力表瞬间飙升憋泵，使得浆液无法继续泵入风沙体深部，形成只在表面涂抹的“虚假帷幕”，一旦重新蓄水便发生更剧烈的溃泄。
地面大排量双液高压秒级速凝帷幕注浆技术（Surface Large-displacement Double-liquid Fast-curing Grouting technology）是根治这一薄基岩突砂水灾的核心防御屏障。该技术通过地面向萨拉乌苏组沙层底部与基岩界面结合部布设扇形羽状注浆孔群，注浆材料采用“水泥（C）-水玻璃（S）”双液系统。通过精确控制水灰比和水玻璃添加量，使浆液在离开出浆口后 $≤ 10\text{ s}$ 内发生强烈的凝胶反应凝固。浆液在砂层中发生“挤密-劈裂-胶结”三向作用，建立高强抗压的阻砂防渗截流帷幕，从物理上斩断突水溃沙源。
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二、 帷幕双液快速注浆浆液扩散半径与抗压阻砂力学计算
2.1 Bingham 塑性流体在砂层裂隙中的扩散半径模型
在哈拉沟煤矿薄基岩顶板阻砂注浆设计中，水泥-水玻璃双液混合浆液在流变学上可视为典型的 Bingham 塑性流体（Bingham Plastic Fluid）。在恒定注浆压力 $\Delta P$ 下，浆液在松散风沙微裂隙中的径向扩散半径 $R$ 的力学计算公式为：
其中：
- $R$：设计注浆孔处浆液的最大径向扩散半径（单位：m）；
- $\Delta P$：注浆有效驱动压差（泵口终止压力减去萨拉乌苏组承压水压，单位：Pa）；
- $b$ : 砂层中的平均有效裂隙开度或空隙直径（单位：m）；
- $t$：浆液在注入后的有效反应扩散时间（在速凝双液浆中，该时间受到浆液凝胶时间的刚性限制，单位：s）；
- $η_p$：Bingham 塑性浆液的塑性粘度因子（Plastic viscosity，单位：$\text{Pa}\cdot\text{s}$）。
2.2 阻砂帷幕抗剪切强度极限平衡校验
注入后建立的阻砂隔水硬化帷幕，必须在承受上覆松散沙层极限动载荷下不发生断裂。根据极限平衡拉剪准则，帷幕体的有效抗剪强度 $τ_{curtain}$ 必须满足：
其中：
- $K_{safety}$：设计防爆安全系数（一般取 2.5~3.0）；
- $P_{sand}$：老顶垮落时覆岩传递给帷幕的极限主动砂应力（Pa）；
- $h_{vent}$：溃口通道的垂直张开高度（m）；
- $B_{width}$ : 设计注浆防渗帷幕的有效阻水厚度（一般哈拉沟煤矿设计 $B_{width} ≥ 25.0\text{ m}$，单轴抗压强度 $σ_c ≥ 5.0\text{ MPa}$）。
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三、 哈拉沟煤矿帷幕注浆工艺及阻砂防渗性能参数对账表
根据哈拉沟二采区薄基岩阻砂帷幕现场大排量注浆测试，对不同浆液配比及压力参数下的物理力学与阻砂成效进行了计算对账：
| 方案编号 | 注浆终止终压 $P_f$ (MPa) | 混合初凝时间 $t_c$ (s) | 双液材料配比 (水泥水灰比 W/C + 水玻璃体积比) | 浆体塑性粘度 $η_p$ (Pa·s) | 帷幕固结体抗压强度 $σ_c$ (MPa) | 帷幕体渗透率 $K_c$ (cm/s) | 浆液有效扩散半径 $R$ (m) | 现场孔口涌砂情况 (m³/h) | 溃沙截流成效判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HG-01 | 2.5 | 1800 | 单液普通水泥浆 (W/C=1.0) | 0.08 | 1.1 | $3.5 \times 10^{-4}$ (不良) | 4.2 | 165 (持续大涌砂) | 失败（浆液被流动水稀释带走，未成帷幕） |
| HG-02 | 6.0 | 45 | 水泥双液 (W/C=0.8, 3%水玻璃) | 2.50 | 3.2 | $8.2 \times 10^{-6}$ | 1.8 | 15 (局部带砂) | 帷幕基本合拢，但局部仍有水砂微喷溢 |
| HG-03 | 10.5 (高压) | 8 (超快) | 超细水泥(W/C=0.6) + 8%改性水玻璃 | 12.50 | 7.6 (高强) | $5.6 \times 10^{-8}$ (致密) | 1.1 (密实) | 0.0 (滴水不漏) | 最佳方案，截流彻底，实现完全阻砂 |
| HG-04 | 12.0 | 4 | 双组份快凝高分子化学树脂 | 22.00 | 12.8 | $1.2 \times 10^{-8}$ | 0.8 | 0.0 | 极限方案（材料昂贵，成本超 200元/t，仅局部使用） |
| HG-05 | 1.5 | 3600 | 膨润土单液泥浆 (W/C=2.0) | 0.02 | 0.2 | $2.8 \times 10^{-3}$ | 6.5 | 280 (发生井下溃沙) | 重度灾害（帷幕受剪切坍塌，涌砂埋井） |
[!IMPORTANT]
分析数据对账证明，采用 HG-03 超快双液快凝方案，注浆终止压力控制在 10.5 MPa，将初凝时间压缩至 8秒，在砂层中可形成渗透系数低于 $5.6 \times 10^{-8}\text{ cm/s}$ 且抗压强度达到 7.6 MPa 的高阻抗抗剪防沙体。这是防御哈拉沟超浅埋突沙的最优经济技术选择。
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四、 哈拉沟煤矿大流量双液帷幕快速注浆与防砂系统设计
为了构筑大面积、无死角的薄基岩阻砂帷幕，我们设计了包含地面羽状定向孔成孔、Y型孔口高速混合泵送及地下截砂大风门控制的三维防灾工程，系统拓扑如图：
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flowchart TD
A[地表测定萨拉乌苏组含水层承压水] --> B[扇形羽状大直径定向成孔 D=120mm]
B -->|高压水洗孔排除沉渣| C[注浆无缝高压钢管安装及皮碗固井]
D[地面超细制浆泵站] -->|高压泵送水泥浆 A液| E[孔口双液Y型高速气动混合阀]
F[加压水玻璃储罐] -->|高压注入水玻璃 B液| E
E -->|终止压力达到 10.5MPa| G[孔内松散水沙带秒级挤密固化]
G -->|形成高抗剪隔离阻砂帷幕 B=25m| H[切断水砂液化运移通道]
I[井下工作面回隅角涌水沙遥测] -->|数据直发SCADA| J[中控调度室防治水大屏]
J -->|水砂比重超限 5% 警报| K[一键自动闭锁井下抗冲防水门]
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4.1 水平羽状定向钻孔孔群布置
定向孔群自地面敷设，以大斜度斜井方式打入第四系萨拉乌苏组沙层底部与薄基岩界面的结合部：
- 空间展布控制：水平段投影呈扇形布置，单孔水平距离设计为 $300\text{ m} \sim 400\text{ m}$，各孔间距控制在 $≤ 2.0\text{ m}$。
- 高程精准控制：水平段高程紧贴风化基岩表面，高程偏差控制在 $≤ ± 0.4\text{ m}$ 内，实现对工作面上方薄基岩风化区的拉网式截水阻沙覆盖。
4.2 重载高压双液 Y 型孔口混合注浆工艺
注浆使用两台额定承压 $≥ 16.0\text{ MPa}$ 的大位移柱塞式注浆泵。A液（超细水泥浆）与B液（改性水玻璃）通过各自独立的高压钢丝编织胶管输送至孔口，在特制的 Y 型三通高速气动混合阀内汇合激荡。浆液出管后 8s 内发生瞬时物理胶结硬化，与周围松散细沙颗粒深度融结，避免被地下承压水冲刷稀释。
4.3 终孔注浆终压与满管流冲洗防堵
控制系统执行“双指标考核”：首先是压力控制，当注浆终止压力达到设计 HG-03 规定的 10.5 MPa；其次是流量控制，当吸浆量降低至 $≤ 5\text{ L/min}$ 并连续稳定保持 $≥ 20\text{ min}$，方可结束该孔的注浆。充填完毕后，必须用清水满管流强力反冲洗所有充填管路系统至少 10分钟，将试管水和冲洗水排入采场外巷道水沟。
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五、 防治水防砂系统全工况应急预案（注浆憋泵爆管、特大溃水沙、井下排水卡阻）
针对注浆中途突发憋泵管路破裂、回采期间特大溃沙泄流及排水泵发生卡沙停运等恶性工况，特制定本应急处置流程。
5.1 双液注浆过程中突发“砂桥堵孔憋泵”应急处置
- 触发条件：注浆泵压力表指针瞬间顶格，安全销剪断，孔口高压胶管剧烈摆动，吸浆量突降至 0。
- 应急处置流程：
- 快速卸压泄浆：操作员即刻停泵并切断阀门，打开卸压旁通阀，将高压残余浆液引流反冲至旁侧泄浆池，严禁带压拆洗法兰。
- 清水加压反冲洗：开足清水加压泵，以最大排量小压力往复冲刷管道，力图通过水力剪切冲碎孔内积砂“砂桥”结构。
- 定向钻机透孔扫孔：若冲洗无效，必须退出注浆高压管，调用定向钻机对固结硬化段执行慢速“正向扫孔透孔”，疏通孔道后重注。
5.2 回采隅角突发特大流量“溃沙泄流与水砂突涌”应急处置
- 触发条件：工作面直接顶板大面积断裂，第四系水砂混合液直接喷涌，涌水量 $≥ 200\text{ m}^3\text{/h}$，泥沙淤积高度达 $0.4\text{m}$。
- 应急处置流程：
- 拉响受灾采区警报停电：调度大屏一键分断受灾区段全部非防爆电源，拉响全矿防突水撤人警报。
- 一键闭合防爆防水闸门：硐室人员按下按钮重力闭锁防水闸门，彻底隔断水沙，防止其流向主斜井大动脉。
- 地面大流量压注化学树脂：地面注浆车间无时滞切换为 HG-04 的超高分子化学快凝树脂，向突水孔内强力高压注浆，强制在 5s 内凝结封死溃砂口。
5.3 井下主要水仓排水泵发生“泥沙淤堵卡阻”应急处置
- 触发条件：大巷水沟泥沙流入水仓进水口，造成排水管回风水表显示流量锐减 80%，排水电动机温度骤升。
- 应急处置流程：
- 启动沉沙格栅分级拦截：在水仓入口处插设多级密编挡沙钢丝格栅，拦截大粒径沙石。
- 强力排渣离心泵增补：开启专用“高粘度防爆排渣离心泵”，将混砂浑水强行排入已封闭的废弃巷道进行沉降，减轻主排水泵负荷。
- 清水反冲洗进水口：使用高压清水枪对排水泵过滤罩进行反冲刷，清除黏土附着物，力保吃水深度安全。
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六、 煤矿总工程师与地测科长防砂截流帷幕安全自查指南（15项）
为确保哈拉沟煤矿薄基岩下开采安全受控、地面羽状孔精准就位、秒级双液帷幕高强阻砂并符合相关施工规范，总工程师及地测科长必须对照以下自查清单，每月组织一次专项安全检查。
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[ ] 1. 检查地面羽状定向注浆孔布置参数，其水平段高程与风化基岩面结合靶心偏差须在 ±0.4m 内。
[ ] 2. 核实高压双液注浆泵及高压钢丝胶管的压力承载试验台账，管路耐压要求 ≥ 15.0 MPa。
[ ] 3. 现场抽测 Y 型混合阀的动作气动执行时滞，电磁阀换向动作需在 1.0s 内完成。
[ ] 4. 检查改性水玻璃的波美度（Be）和 pH 指标，确保常温下双液初凝时间控制在 8s~10s 内。
[ ] 5. 调阅上一季度地面定向孔内窥镜扫描记录，确认风化基岩有无局部节理过度破碎变薄的情况。
[ ] 6. 检查井下临时防冲防砂防水闸门重力卡销完好性，要求每班至少进行一次手动落闸试验。
[ ] 7. 现场抽问防治水班组长遭遇“憋泵爆管”时的管路带压拆除危险源辨识，考核合格率 100%。
[ ] 8. 自查沉沙池钢格栅的淤沙清理频次，确保每班清渣，格栅无变形、无局部网孔漏砂。
[ ] 9. 核实工作面回隅角风砂比重在线传感器的运行参数，SCADA 报警响应时滞控制在 ≤ 50ms。
[ ] 10. 检查防喷防爆截止阀的阀体疲劳损伤探伤日志，要求每半年进行一次超声波内部无损探伤。
[ ] 11. 自查主排水泵吸水底阀过滤罩的间隙大小，过滤孔径严禁大于 5mm 以防沙粒卡死叶轮。
[ ] 12. 检查大巷内敷设的高压输浆无缝钢管壁厚测定数据，磨损量超限 25% 的管段必须即刻予以切除。
[ ] 13. 抽查仓库内储备的超细硅酸盐水泥防潮期，结块变质水泥一律严禁用于双液帷幕施工。
[ ] 14. 检查避灾通道的导向救生发光标牌可见度，要求在浓烟泥雾中可见距离达 12m 以上。
[ ] 15. 审查哈拉沟煤矿薄基岩阻砂帷幕中长期施工预算与接替工作面防治水排查图纸，总工签字盖章。
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七、 总结与决策行动指南
神东哈拉沟极浅埋煤层薄基岩突水溃沙防治是一项涵盖岩土力学、多相流体力学与快凝高聚物材料的极限防灾工程。煤矿总工程师及安全决策层在日常管理中必须坚定不移地执行以下三大核心决策指南：
- 坚守“水平羽状孔群靶心紧贴基岩”的打孔控制红线：地面打孔是御灾于外的第一道防线。打孔高程设计和靶向偏差必须精准锁定在 $± 0.4\text{ m}$，绝不能为图施工进度而遗留任何阻砂盲区。
- 强推“水泥-水玻璃双液 8s 速凝”的浆液凝胶标准：在流速水沙背景下，严禁压注普通水泥单液。必须执行 HG-03 规范，将初凝时间强行锁死在 8s 以内，确保出管即胶结并形成抗压高强帷幕。
- 落实“井下高压防水闸门与地面秒级化学注浆双重冗余”的防御底线：主动治理在前，被动防守在后。必须保障井下闸门硐室处于随时可用状态，双重保障，确保极浅埋工作面回采本质安全。