潘東懿

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000)

快速封堵巷道頂板高壓大流量集中涌水的井下骨料添加工藝

潘東懿

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000)

為解決注漿封堵巷道頂板高壓大流量集中涌水時(shí)注入的漿液被涌水沖散流失的問(wèn)題，提出了利用井下鉆孔在涌水裂隙內(nèi)添加骨料阻水的工藝。井下鉆孔內(nèi)注入骨料要使用骨料添加器，利用注水方式把骨料推送到涌水裂隙中去。以某礦FL8-1處的巷道頂板涌水堵漏為例，對(duì)井下鉆孔骨料添加工藝技術(shù)要求進(jìn)行了較為全面的介紹。指出注漿連通試驗(yàn)是判斷鉆孔內(nèi)是否具備注入骨料的重要手段，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)鉆孔內(nèi)注入的水泥漿在極短時(shí)間內(nèi)全部跑出時(shí)，說(shuō)明導(dǎo)水通道寬大、直短，適合注入骨料，注入時(shí)要采用粗細(xì)結(jié)合的方式進(jìn)行；相反，與涌水點(diǎn)連通性差的鉆孔內(nèi)則不具備注入骨料的條件。

巷道涌水；高壓大流量；注漿堵漏；骨料添加；連通試驗(yàn)

0 前言

地下水是影響煤礦開(kāi)采和運(yùn)營(yíng)安全的主要自然災(zāi)害之一。注漿是治理煤礦地下涌突水的最有效手段之一。在如何封堵煤礦突然涌水技術(shù)方面，很多專(zhuān)家進(jìn)行了研究[1-10]，提出了充填骨料阻水等技術(shù)措施[1-5]。因骨料可以在較大裂隙內(nèi)留存，堵塞導(dǎo)水通道，減緩水流，給隨后注入的漿液的留存和固結(jié)創(chuàng)造條件。因受地下水水壓的影響，井下鉆孔內(nèi)注入骨料難度較大，必須研究使用特殊的骨料添加工藝。

2007年2月新汶礦業(yè)集團(tuán)龍固煤礦輔二運(yùn)輸大巷穿過(guò)三灰含水層時(shí)，揭露FL8-1斷層后，在頂板形成流量為85m3/h的集中涌水。2007年4月～11月期間有關(guān)單位對(duì)該涌水封堵多次，因地質(zhì)和封堵方法原因最終失敗。2009年3月，山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)采用了井下鉆孔骨料添加工藝，結(jié)合注漿，成功封堵了該涌水。

1 井下鉆孔骨料添加工藝

骨料添加裝置需安裝在井下鉆孔安全閥門(mén)外端，其結(jié)構(gòu)由端蓋、骨料倉(cāng)、注水管a、注水管b、高壓閘閥3和注水三通等組成，如圖1所示。其現(xiàn)場(chǎng)安裝及工藝操作步驟如下：

(1)注漿鉆孔揭露導(dǎo)水裂隙后，按照順序分別在孔口安全高壓閘閥外端依次連接注水三通，注水管b，高壓閘閥3，骨料倉(cāng)，端蓋和注水管a等。

A改進(jìn)型 B常規(guī)型圖1 井下鉆孔注入骨料工藝原理Figure 1 Underground borehole aggregate injection technological principle

(2)關(guān)閉孔口安全高壓閥門(mén)、注水管b、注水管a和高壓閘閥3。打開(kāi)端蓋后，向骨料倉(cāng)內(nèi)添加軟骨料。填滿(mǎn)后，旋上端蓋密封骨料倉(cāng)。分別打開(kāi)孔口安全高壓閘閥、高壓閘閥3和注水管a，通過(guò)注水管a向骨料倉(cāng)內(nèi)注水，用水推動(dòng)骨料向鉆孔套管內(nèi)運(yùn)移。

(3)骨料倉(cāng)內(nèi)骨料全部被水沖出后，關(guān)閉高壓閘閥3、注水管a，打開(kāi)注水管b,通過(guò)注水管b繼續(xù)向鉆孔套管內(nèi)注水，把鉆孔套管內(nèi)的骨料全部推入到導(dǎo)水裂隙內(nèi)。同時(shí)打開(kāi)端蓋，向骨料倉(cāng)內(nèi)填骨料。

(4)骨料倉(cāng)填滿(mǎn)后，關(guān)閉注漿管b和端蓋，打開(kāi)高壓閘閥3，打開(kāi)注漿管a注水。重復(fù)(3)～(4)步驟直到導(dǎo)水裂隙內(nèi)填滿(mǎn)骨料，達(dá)到阻水效果后為止。

本工藝(圖1A)與以往骨料添加工藝(圖1B)相比有了較大改進(jìn)，主要有以下2點(diǎn)：

(1)施工效率提高一倍。以往骨料添加工藝是只有等骨料倉(cāng)內(nèi)填滿(mǎn)骨料后方能通過(guò)注水管a注水；在向鉆孔內(nèi)注水時(shí)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)向骨料倉(cāng)內(nèi)添加骨料。該工藝 解決了以往骨料添加工藝中骨料倉(cāng)內(nèi)骨料添加和鉆孔內(nèi)注水不能同步進(jìn)行的不足，提高施工效率100%。

(2)安全上更有保障。改進(jìn)后增加了高壓閘閥3和注水管b，規(guī)避了孔口安全高壓閥門(mén)損壞泄漏后，高壓水直接進(jìn)入骨料倉(cāng)，通過(guò)敞開(kāi)的端蓋處對(duì)添加骨料人員造成傷害的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)孔口安全高壓閥門(mén)出現(xiàn)泄漏后，既可通過(guò)關(guān)閉高壓閘閥3阻止孔內(nèi)高壓水進(jìn)入骨料倉(cāng)，還可通過(guò)打開(kāi)注漿管b進(jìn)行泄水。

2 骨料添加工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 巷道集中涌水頂板水文地質(zhì)概況

某礦FL8-1處的巷道頂板涌水水源為三灰含水層。三灰厚8～10m，發(fā)育有網(wǎng)狀裂隙，水壓3.0MPa，三灰水通過(guò)裂隙和斷層涌入巷道。涌水集中且量大、水溫高達(dá)49℃。經(jīng)對(duì)涌水區(qū)域頂板灰?guī)r進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)，顯示灰?guī)r內(nèi)有兩個(gè)比較大的集中富水區(qū)，通過(guò)注漿試驗(yàn)和連通試驗(yàn)表明，集中富水區(qū)與導(dǎo)水?dāng)鄬勇?lián)系密切，導(dǎo)水通道短，涌水集中，流速快，是造成前期注漿堵水失敗的主要原因。

2.2 注漿堵水鉆孔布置及注漿情況

根據(jù)巷道頂板涌水區(qū)域水文地質(zhì)條件及井下施工環(huán)境，分別在3號(hào)硐室和4號(hào)硐室內(nèi)共施工了10個(gè)鉆孔。其中5個(gè)鉆孔直接揭露集中富水區(qū)，為注漿堵水關(guān)鍵鉆孔(圖2)。

以4-6孔為例介紹關(guān)鍵孔注漿情況。該孔涌水深度52m，初始水量60 m3/h，水壓2.4MPa。水泥單液注漿中觀(guān)測(cè)到巷道頂板集中涌水點(diǎn)15min后跑漿嚴(yán)重。后注入C-S雙液漿，因雙液配比調(diào)節(jié)不當(dāng)造成堵孔。復(fù)鉆到65～69m處水量增為110 m3/h左右，水壓2.0MPa。鉆孔放水試驗(yàn)時(shí)，巷道頂板集中涌水點(diǎn)水量略有減少。后用單液水泥漿做連通實(shí)驗(yàn)，巷道冒頂區(qū)集中涌水點(diǎn)30min跑漿嚴(yán)重，其它鉆孔內(nèi)無(wú)串漿現(xiàn)象。隨后在該孔內(nèi)持續(xù)注海帶901kg，鋸末251kg。涌水量由110m3/h減為2m3/h，說(shuō)明海帶阻堵水效果明顯，最終注入密度較高的單液水泥漿對(duì)充水裂隙進(jìn)行了充填加固，使用雙液漿封閉鉆孔，達(dá)到該孔注漿設(shè)計(jì)目的。

2.3 井下鉆孔骨料添加工藝技術(shù)要求

(1)骨料尺寸要求。海帶絲要求有粗細(xì)兩種，分別為寬度0.5～1.0cm、長(zhǎng)度10cm的條狀或1～3mm寬、5cm左右長(zhǎng)的絲狀。鋸末粒徑不大于2mm。

(2)骨料添加順序。本著由細(xì)-粗-細(xì)的原則注入。先注入鋸末，發(fā)現(xiàn)鋸末從涌水點(diǎn)跑出時(shí)，改注海帶絲，海帶絲要粗細(xì)結(jié)合。兩者摻雜體積比為3∶1。涌水點(diǎn)處有細(xì)海帶絲或粉碎狀海帶出現(xiàn)時(shí)，說(shuō)明效果較好，可持續(xù)按照原配比注入。涌水點(diǎn)有減弱現(xiàn)象時(shí)，改注細(xì)海帶絲和鋸末，二者摻合比例為1∶2～1∶3。

圖2 某礦輔二運(yùn)輸大巷頂板集中涌水區(qū)堵水鉆孔布置Figure 2 Water plugging boreholes layout in a coalmine main haulage roadway auxiliary No.2 roof concentrated water gushing area

(3)骨料添加中堵孔及處理。要均勻適量加入骨料，否則堵孔。注水泵壓力表的示數(shù)升高時(shí)說(shuō)明已堵孔，可增大泵量或加壓沖孔，否則要下鉆透孔。為提高效率，可用密度為1.3～1.4 g/cm3的水泥漿攜帶骨料。

(4)注骨料后的注漿操作。注入骨料后，要及時(shí)用水泥漿補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)選用42.5R的復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥漿液密度控制在1.5～1.70g/cm3。注漿結(jié)束后，使用C-S雙液漿封閉鉆孔。

(5)復(fù)鉆檢查或補(bǔ)注漿。注漿候凝結(jié)束的鉆孔要復(fù)鉆到原孔涌水部位，觀(guān)察是否涌水。若涌水，再次注漿；不涌水，則進(jìn)行注水試驗(yàn)檢驗(yàn)是否達(dá)到鉆孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 是否具備注入骨料的判據(jù)

注漿連通試驗(yàn)是判斷鉆孔內(nèi)是否具備注入骨料的重要手段。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)鉆孔內(nèi)注入的水泥漿在極短時(shí)間內(nèi)全部跑出時(shí)，說(shuō)明導(dǎo)水通道寬大直短，適合注入骨料。相反，與涌水點(diǎn)連通性差的鉆孔內(nèi)不具備注骨料的條件。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)鉆孔內(nèi)是否具備注骨料條件，要根據(jù)鉆孔注漿和連通試驗(yàn)結(jié)果判斷。

(2)骨料只起阻水作用，單液漿用于地層加固，雙液漿用于堵水。三者只有有機(jī)結(jié)合，才能達(dá)到長(zhǎng)期徹底封堵突水的效果。

(3)井下鉆孔骨料的添加工藝非常復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況研究實(shí)施。

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Underground Aggregate Adding Technology in Roadway Roof High Pressure Large Flow Concentrated Water Gushing Quick Plugging

Pan Dongyi

(The Third Exploration Team, Shandong Bureau of Coal Geological Exploration, Taian, Shandong 271000)

To deal with the issue of roadway roof high pressure and large flow concentrated water gushing grouting plugging, cement slurry is dispersed by gushing water deactivated and run off, a plugging technology of aggregate adding through underground borehole into water gushing fracture put forward. To inject the aggregate into borehole the aggregate adder should be used, through water injection propelling aggregate into water gushing fractures. Taking the FL8-1 roadway roof water gushing plugging in a coalmine as example, carried out a rather overall introduction to underground aggregate adding technology requirements. Pointed out that the grouting connection test is an important means to judge if the borehole can inject aggregate properly, when the injected cement slurry completely run out, indicated that the water channel is wide, straight and short, thus suitable for aggregate injection; the injection should carry out through the way of thick and thin particles mingled. On the contrary, in the boreholes have poor relation with water gushing point, thus not have the condition to inject aggregate.

roadway water gushing; high pressure and large flow; grouting plugging; aggregate adding; connection test

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.12

1674-1803(2017)07-0052-03

潘東懿(1969.7—)，男，山東臨清人，鉆探工程師，長(zhǎng)期從事現(xiàn)場(chǎng)鉆探施工中安全及技術(shù)管理工作。

2017-02-22

責(zé)任編輯：樊小舟

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A