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        井筒煤與瓦斯突出的地面預(yù)注漿法治理

        2014-09-28 01:36:07周衛(wèi)金劉書杰
        采礦技術(shù) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:副井風(fēng)井井筒

        周衛(wèi)金,劉書杰

        (1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 安徽 淮北市 235000; 2.天地科技建井研究院 北京 100013)

        井筒煤與瓦斯突出的地面預(yù)注漿法治理

        周衛(wèi)金1,劉書杰2

        (1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 安徽 淮北市 235000; 2.天地科技建井研究院 北京 100013)

        介紹渦陽礦區(qū)信湖煤礦3個千米深井筒地面預(yù)注漿方案及效果。該煤礦開采深度大,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟、煤層透氣性低,煤與瓦斯突出的危險性很高。利用地面預(yù)注漿法對危險煤層進(jìn)行防突預(yù)治理,提高了煤層的整體穩(wěn)定性,封堵了瓦斯突出的裂隙通道,節(jié)省了鑿井過程中揭煤的工期,使井筒施工安全快速地穿過突出危險煤層,取得了較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

        井筒;煤與瓦斯突出;地面預(yù)注漿;揭煤

        1 工程概況

        信湖煤礦位于渦陽縣花溝鎮(zhèn),年設(shè)計生產(chǎn)能力3 Mt/a,服務(wù)年限為61 a,采用立井開拓方式,工業(yè)廣場內(nèi)設(shè)計3個立井,主、副、風(fēng)井井筒深度分別為1009.5,1043.5 m和989.5 m,井筒凈徑分別為6,8.1 m和7 m。副井井筒掘砌過程中需依次穿過1煤、2煤、3煤三個煤層,主、風(fēng)井依次穿過1煤、2煤兩個煤層,主要煤系地層為二疊系下石盒子組,有泥巖、粉砂巖及砂巖相間分布,砂巖各層間均被泥質(zhì)巖類分隔,一般砂巖裂隙不發(fā)育,即使局部地段裂隙稍發(fā)育,但亦具有不均一性。

        根據(jù)井筒檢查孔資料,瓦斯突出綜合指標(biāo)K達(dá)到57.14,放散初速度△P為12,煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為0.21,煤層孔隙率達(dá)到6.76%。

        該在建礦井屬于淮北礦區(qū)的渦陽含煤區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟、煤層透氣性低,煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重。

        2 地面預(yù)注漿法的特點(diǎn)

        地面預(yù)注漿技術(shù)原理是:在井筒開鑿之前,從地面圍繞著井筒四周鉆進(jìn)一些注漿孔到受注地層,然后,使用地面注漿設(shè)備,把配置好的漿液通過注漿管路和鉆桿注入到地層的裂隙及孔道中,最終,在井筒開鑿荒徑外的巖層中形成一定厚度的注漿帷幕。地面預(yù)注漿具有以下優(yōu)勢:

        (1) 地面預(yù)注漿法的最大特點(diǎn)是井筒未開鑿之前進(jìn)行煤層防突先治理,治理煤與瓦斯突出不占用井筒工作面掘進(jìn)的時間;

        (2) 采用“S”定向鉆孔技術(shù),注漿孔的地面開孔位置可以遠(yuǎn)離井盤,因此,在注漿過程中不影響井筒建設(shè)的正常進(jìn)行;

        (3) 地面預(yù)注漿施工過程中,注漿設(shè)備及漿液制備設(shè)備均位于地面廠房中,具備使用新型高壓注漿泵的良好條件,可以保證漿液在地層中達(dá)到足夠的擴(kuò)散距離;

        (4) 煤與瓦斯突出的地層,以注入粘土水泥漿液為主,此種漿液可以進(jìn)入較細(xì)小的裂隙,漿液配制工藝簡便,漿液配比可以隨時調(diào)整,且成本低廉;

        (5) 地面預(yù)注漿法不僅能夠治理煤與瓦斯的突出地層,而且,地下水的聯(lián)系通道也被漿液充填閉合,改善了井筒鑿井時的工作環(huán)境,提高了施工效率。

        由于地面預(yù)注漿法的一系列優(yōu)點(diǎn),信湖煤礦三個立井井筒均采用地面預(yù)注漿工藝進(jìn)行地層治理。

        3 施工工藝

        主井、副井、風(fēng)井三個井筒采用“S”定向注漿孔,注漿孔個數(shù)分別為6、8、6個,地面布孔圈徑40~50 m,根據(jù)井盤附近的用地情況進(jìn)行調(diào)整,注漿孔落點(diǎn)圈徑分別為11,12,11.5 m,同一切面上的注漿孔均勻分布。具體注漿參數(shù)見表1。

        注漿壓力為注漿段靜水壓力的2~2.5倍,粘土水泥漿在基巖中的擴(kuò)散距離不少于10 m;粘土水泥漿主材選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,粘土塑性指數(shù)不宜小于10,粘粒(粒徑小于0.005 mm)含量不宜低于25%,含砂量不宜大于5%,有機(jī)物含量不宜大于3%。

        表1 信湖煤礦主、副、風(fēng)井井筒注漿參數(shù)

        以主井井筒S孔地面預(yù)注漿為例,圖1和圖2分別為S型注漿孔的平面布置圖和軌跡剖面圖,3個井筒的注漿壓力都達(dá)到了設(shè)計值,注漿量分別為:主井43 m3/m、副井48 m3/m、風(fēng)井44 m3/m,注漿形成的有效帷幕厚度分別為:主井11 m,副井10 m,風(fēng)井10.6 m。

        圖1 S型注漿孔平面布置

        4 注漿后的效果

        (1) 注漿后,在井筒荒徑外形成了一個低透氣性帶,即“止?jié){帷幕圈”,封閉了地層中的裂隙及孔隙等通道,使帷幕圈外的瓦斯源無法滲透到井筒內(nèi),截斷了瓦斯補(bǔ)給源,減少了井筒內(nèi)瓦斯釋放量,降低了瓦斯突出的可能性。注漿帷幕厚度分別為:主井11 m、副井10.2 m、風(fēng)井10.6 m,井筒掘砌過程中,爆破等施工作業(yè)對注漿帷幕的破壞是有限的,一般影響范圍2~3 m,不會人為造成帷幕圈內(nèi)外的溝通,保證了井筒鑿井的進(jìn)度。實(shí)際注漿時,注漿壓力達(dá)到了注漿段靜水壓力的2倍以上,粘土水泥漿在地層中的有效擴(kuò)散半徑可達(dá)10~12 m,保證漿液在不同深度均能交圈,地層中實(shí)際的注漿帷幕不是理想的圓圈,是一種各向不均勻狀態(tài)的閉合帷幕。

        圖2 S型注漿孔剖面軌跡

        (2) 注漿帷幕以內(nèi)地層中瓦斯壓力比原生狀態(tài)有所增大,導(dǎo)致煤層及孔隙中部分游離狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)向吸附狀態(tài)。因此,井筒掘砌施工過程中,用打鉆孔排放瓦斯,三個井筒工作面監(jiān)測瓦斯壓力為0 MPa,通過綜合指標(biāo)判斷已無突出危險。

        (3) 注漿起到了加固煤體的作用,增強(qiáng)了煤層的穩(wěn)定性。井筒掘進(jìn)過程中,從揭露注漿后煤層看出,裂隙及孔隙中有明顯的灰黃色漿液充填物,充填密實(shí),該充填物是粘土水泥漿在高壓脫水的條件下形成的固結(jié)體,抗壓強(qiáng)度與煤相近,從鉆孔取煤樣化驗(yàn)結(jié)果看出,煤體的平均堅(jiān)固性系數(shù)提高10%。而且,充填物與裂隙周邊的煤體結(jié)合緊密,局部破碎巖體的完整性大大提高,避免了掘進(jìn)過程中片幫事故的發(fā)生,煤層突出的風(fēng)險大幅降低。

        5 結(jié) 論

        (1) 縮短了礦井建設(shè)工期。采用S型定向鉆孔進(jìn)行地面預(yù)注漿施工,煤層及附近巖體中的裂隙率減小,穩(wěn)定性提高,瓦斯吸附率增加,因此,為井筒順利揭煤創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境,節(jié)省了揭煤工期。

        按照井筒施工計劃,揭煤的計劃工期分別為:主井45 d、副井60 d、風(fēng)井45 d,實(shí)際的揭煤工期:主井12 d、副井36 d、風(fēng)井14 d。

        (2) 節(jié)省了礦井建設(shè)的成本。井筒揭煤最初設(shè)計采用金屬骨架進(jìn)行超前支護(hù),然而,采用地面預(yù)注漿法治理煤系地層后,煤體的抗壓強(qiáng)度得到了提高,煤層頂?shù)装宓膸r體穩(wěn)定性也增強(qiáng),經(jīng)過論證,揭煤時不采用金屬骨架超前支護(hù);同時,簡化了工序,鉆孔排放瓦斯等輔助施工的工程量減少,3個井筒共節(jié)省費(fèi)用600萬元左右。

        (3) 改善了礦建工作面的安全環(huán)境。地面預(yù)注漿法改善了煤系地層的性能,治理了煤與瓦斯突出的難題,也起到了堵水及地層加固的目的,信湖煤礦主、副風(fēng)3個井筒基巖段掘砌過程中,沒有發(fā)生過片幫掉塊、瓦斯異常等事故,為井下工人創(chuàng)造了安全舒適的工作面環(huán)境。

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        2013-10-12)

        周衛(wèi)金(1963-),男,江蘇靖江人,碩士,高級工程師,從事礦山建設(shè)施工和管理,Email:125701782@qq.com。

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