王 亮

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊,安徽宿州 234000)

湖南省常德青峰煤礦年生產(chǎn)能力 18萬噸,四號井三水平二采區(qū)在 -473m水平煤巷掘進(jìn)時發(fā)生煤層頂板突水,突水時間 2009年 5月,突水量 600m3/h,加上采區(qū)原坑道涌水量 200 m3/h,采區(qū)總涌水量 800m3/h左右,出水量超過礦井下排水能力致使 -453m水平以下淹井。為了盡快消除此水患,青峰煤礦利用地面鉆孔注漿技術(shù),從 2009年 9月至 2010年 7月,共計施工注漿堵水鉆孔 4個,累計工程量為2 245.58m,投入骨料14393m3,注入水泥2 560 kg,堵水率近100%。

礦區(qū)主采煤層之上為棲霞組,其下部為泥灰?guī)r隔水層,中、上部為棲霞組灰?guī)r含水層厚 25m。茅口組下段炭質(zhì)硅質(zhì)泥巖隔水層,整合于棲霞組上部灰?guī)r含水層之上。突水點附近的構(gòu)造主要由熊家灣逆斷層,斷層深度約 320m,走向近南北,傾向西,傾角 50°,落差 15～20m,該斷層不導(dǎo)水。突水點附近地層傾角 20～40°。

1 突水因素分析

青峰煤礦四號井為大水礦井,井田水文地質(zhì)條件屬復(fù)雜類型。由于該礦主采煤層之上為棲霞組,巖性大部分為石灰?guī)r,且溶洞裂隙發(fā)育,富水性強,含水層間水力聯(lián)系密切。茅口組下段炭質(zhì)硅質(zhì)泥巖隔水層平均厚 42m,整合于棲霞組上部灰?guī)r含水層之上。具井下開采實際觀察資料,導(dǎo)水裂隙帶最大高度為 58.76m,大于棲霞組下部隔水層厚度 8.28 m,因此棲霞組中上部灰?guī)r含水層為該次突水的主要水源。

2 堵水方案的提出

自從 -473m水平煤巷掘進(jìn)時發(fā)生煤層頂板突水,致使-453m水平以下被淹后。嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn),為了盡快消除此水患,青峰煤礦組織施工隊伍采用地面打鉆灌注漿、投添骨料等方法,采取堵住突水點、封堵導(dǎo)水通道的堵水方法治理水害。

2.1 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔布置合理與否,直接影響著注漿堵水效果。經(jīng)研究決定在突水區(qū)范圍內(nèi)布設(shè) 4個注漿孔,其中注 1孔設(shè)計孔深 560m,布置在采空區(qū)預(yù)留煤柱附近,對采空區(qū)充填砂石骨料并注漿;注 2孔和注 3孔設(shè)計孔深 570m,鉆孔進(jìn)入巷道附近,采用蓋帽的方法充填砂石骨料,減緩?fù)凰苛鞒?注 4孔設(shè)計孔深 560 m,用大的砂骨料充填采空區(qū)突水點,并注漿封堵突水點灰?guī)r水向巷道涌水,達(dá)到徹底解決出水的目的。

2.2 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)

松散層厚約 19m左右,孔徑 φ500mm,下置 φ273mm套管護(hù)壁,孔壁與套管之間用水泥封閉固管。16～520m深度,孔徑 φ215.9mm,下置 φ168mm注漿套管,管外均采用水泥固管,520～570m段裸孔,孔徑 φ142.5 mm,(巷道煤層頂板上留 3～5m)為注漿段,注漿結(jié)束后再鉆進(jìn)至巷道,對巷道內(nèi)進(jìn)行注漿。

2.3 注漿工藝

2.3.1 注漿材料

骨料據(jù)情況依次選用:粉砂、細(xì)砂、中粗砂、φ10 mm米石、φ10mm～φ30mm公分石等。水泥采用散裝 32.5普通硅酸鹽水泥,其它材料有工業(yè)鹽和三乙醇胺。

2.3.2 壓水試驗

注漿前沖孔后需做壓水試驗,通過注前壓水,疏通受注層段巖溶裂隙,取得注漿段的吸水量,為注漿及漿液配比提供依據(jù)。注漿后壓水試驗,目的是沖洗管路,以利于掃孔和復(fù)注。

2.3.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)采用水泥漿單液注漿,當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓及注入量達(dá)到 50～60l/m in時,繼續(xù)以同樣的壓力,以較稀的漿液注入時間 20～30m in注漿合格,注入時間 30m in以上優(yōu)質(zhì)。

(2)采用水泥 -水玻璃漿雙液注漿,當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓及注入量達(dá)到 100～120L/m in時,繼續(xù)注入時間 10～15 m in注漿合格,15m in以上注漿達(dá)到優(yōu)質(zhì)。

2.3.4 注漿方式

地面鉆孔注漿方式有分段下行壓入式,分段上行壓入式和上下結(jié)合式三種,通常注單液水泥漿多采用下行式。根據(jù)本次注漿孔的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及所注漿液種類,并減少止?jié){程序,四個注漿孔都采用下行壓入式注單液水泥漿,這樣易于判斷各段吸漿量的大小,對分析突水通道及堵水效果有幫助。

2.3.5 注漿段劃分

本次注漿主要是對采空區(qū)段,目的是充填采空區(qū)突水點,對突水區(qū)煤層底板起到充填蓋帽和加固作用。另外通過壓力注漿對冒落帶裂隙也起到充填加固作用,從而徹底切斷水源。

2.3.6 投骨料

1)投骨料的目的

投骨料的目的是充填采空區(qū),增大水流阻力,變管道流為滲流,對出水區(qū)的采空區(qū)起到充填蓋帽的作用,減少注漿時跑漿。骨料能否對采空區(qū)充填完整是本次工程成功的關(guān)鍵。其工藝流程如圖 1所示。

圖1 投骨料工藝流程

2)骨料粒徑的選擇

骨料粒徑的大小要根據(jù)注砂孔本身的條件來決定,前期采空區(qū)冒落裂隙較多,因此以粉砂、細(xì)砂、中粗砂為主;中期采空區(qū)空間大,大多為管道流,通道水流大,這時以米石和公分石為主,防止細(xì)小砂礫被水沖跑造成不必要的浪費;后期管道流已改變?yōu)闈B流,因此以粉砂、細(xì)砂為主,主要是充填中期投入大顆粒骨料間的裂隙;注砂的水砂比均較大為 35:1,目的就在于使砂子能盡可能大范圍充填采空區(qū)。具體如注 4號孔,該孔正好處于突水點水流向機(jī)巷的通道上,因此,以注直徑大于1 cm的瓜子片為主,而注 1、注 2、注 3孔以空隙、裂隙為主,為了避免大顆粒砂堵孔并盡可能地大面積充填老塘,以直徑小于10mm的巨粗砂為主。骨料大小有粉砂、細(xì)砂、中粗砂、φ10mm米石、φ10mm～φ30mm公分石。

以上四孔投骨料后堵水效果非常明顯。主要原因有以下兩個方面:(1)注砂孔均按設(shè)計要求完工,終孔均在預(yù)想靶區(qū)。(2)注砂量充足,實際注入砂骨料14393 m3,把采空區(qū)完全充填死,起到對采空區(qū)充填蓋帽的作用,改變水管流為水滲流,以便注漿加固,減少跑漿的目的。

2.3.7 注漿

1)漿液配置:漿液濃度是注漿質(zhì)量的關(guān)鍵,每次注漿前要做壓水試驗,根據(jù)注漿段的吸水量確定漿液配比,一般情況下開始漿液較稀,根據(jù)壓力情況逐漸加大濃度,直至注漿壓力上升。

2)水灰比與水泥量的換算與統(tǒng)計

漿液濃度用水與灰量量之比 W/c表示,而現(xiàn)場直接用比重計測量出的是漿液比重 d2,因此,須用下式求出水灰比。

W/c=(d1-d2)/d1(d2-1)

式中 d1為水泥比重(kg/cm3)(現(xiàn)場使用復(fù)合硅酸鹽水泥 32.5級,比重取值為 2.8 kg/c m3)

表一 漿液水灰比(W/c)與漿液比重(d)換算表

水灰比求出后根據(jù)下式求出單位時間注入水泥量:

W c=d2×V/(1+w/c)

式中:W c為單位時間水泥的注入量(m3/h);d2為漿液比重(kg/c m3);v為單位時間進(jìn)漿量(m3/h);

3)水灰比的確定:對于某一具體注漿孔的具體受注層段來說,則要根據(jù)壓水試驗確定的單位吸水量值選用漿液性質(zhì)和水灰比值。單位吸水量由下式求得:

q=Q/(H1-H0)

式中:Q為壓水水壓穩(wěn)定時的壓水量(l/m in);q為單位水頭下的壓水量(l/m in?m);H0為鉆孔壓水前水位值(m);H1為壓水穩(wěn)定時水位值(如孔口有壓力則應(yīng)孔口壓力與孔口標(biāo)高之和)(m)

在注漿過程中如孔口逐漸升壓,應(yīng)改變水灰比降低將液濃度,直到最后達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4)注漿

壓水結(jié)束后,選擇合適水灰比與泵量開始注漿。注漿孔在注漿初期注漿時,應(yīng)下井觀察是否跑漿,其它鉆孔同時觀測水位變化,檢查是否有串漿現(xiàn)象,根據(jù)注漿效果確定合適的漿液配比及注漿時間。注漿后期,如鉆孔屬于緩慢正常升壓,則應(yīng)連續(xù)注。如孔口壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn) 3.0M pa。則應(yīng)依次把泵量由 4檔─→3檔─→2檔變化。如注漿泵泵量為二檔(80升/分)孔口仍有 3.0 Mpa的壓力,則需向孔內(nèi)壓水,把孔中漿液壓入受注層段內(nèi),本受注層段注漿結(jié)束。如孔口屬不正?？焖偕龎?應(yīng)停止注漿,檢查原因清除故障,下次再注。

5)注后壓水:注漿結(jié)束后,立即向注漿孔中壓水。壓水量略大于鉆孔體積與管路體積之和,其目的在于沖洗注漿泵、管路,把孔中漿液壓入注層中,以減少水泥的浪費,也有利于掃孔,同時保持裂隙通暢以利于下次再注。如果壓水時,注漿孔孔口無壓或壓力不大,則根據(jù)鉆孔體積,略多一些水量即可安全地把漿液壓入受注段中。但注漿后期,孔口壓力升高時,一定要控制好壓力及壓水量。當(dāng)壓水時空口壓力超過3 Mpa時,應(yīng)停止壓水,卸掉孔口裝置進(jìn)行透孔,透孔后在壓水,如孔口壓力仍大于3 Mpa,則可結(jié)束注漿,不可強行加壓壓水。這是由于注漿段為裂隙發(fā)育,或是有投入骨料組成的砂層,剛注完漿后強度不高,高壓注水會鼓破剛完漿的層段,擴(kuò)大通道面積,可能造成突水量增大。

6)單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿壓力的大小直接影響到灰漿擴(kuò)散距離與有效充填范圍以及水泥被在實的程度。為使灰漿擴(kuò)散范圍適當(dāng),既不可將注漿壓力定的太低,以免造成漏注,也不可將壓力的過高,致使灰漿擴(kuò)散過遠(yuǎn),甚至增加新的裂隙,出現(xiàn)新的突破口,增加水泥消耗量,注漿總壓是由鉆孔內(nèi)漿柱自重壓力和通過注漿泵產(chǎn)生的壓力兩部分組成 ,計算公式如下:

P0=pm+(H.r-h)/100

式中:P0為注漿總壓力(Mpa);pm為孔口壓力(M pa);H為孔口至注漿段 1/2處的高度(m);r為漿液比重(kg/cm3);h為注漿前注漿段 1/2(主要含水層)的水柱高度(m)

根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗及本次突水的特點及受注層的巖性特征,孔口壓力達(dá)到3Mpa可認(rèn)為該孔壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3 注漿效果

工程施工至 2010年 7月,由注 4孔投大骨料完成了突水?dāng)r截,井下水量明顯減少,然后在通過投入細(xì)砂對大骨料之間裂隙充填,基本上達(dá)到了堵水效果,再有注漿加固,根據(jù)井下觀察及鑒定,工程總堵水率近 100%,堵水工程已達(dá)優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。至此,本工程累計完成工程量為2 245.58 m,投入骨料14 393 m3,注入水泥2 560 kg,注漿量3 320m3,工程順利通過專家組驗收。

注漿堵水工程是青峰煤礦組織的大型堵水工程,從鉆探到注漿,包括所需材料總投資大約在九百萬元左右。但是收回投資成本僅節(jié)約電費一項只需要 11個月時間,并且通過本次堵水工程,徹底切斷水源,根治水患,保證了礦井的正常生產(chǎn)。同時也減少了煤礦自身的負(fù)擔(dān),提高了煤礦的經(jīng)濟(jì)效率,為礦職工贏得了福利,也為地方財政提供了來源,從而推動了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

[1]王建學(xué),萬建倉,沈慧.鉆井工程.石油工業(yè)出版社.2008.

[2]張正浩.煤礦水害防治技術(shù).煤炭工業(yè)出版社.2010.

[3]淮北礦物局楊莊煤礦注漿堵水技術(shù)總結(jié).