尹思遠 皇 偉
(河南能源化工集團永煤集團陳四樓煤礦,河南 永城 476600)
陳四樓煤礦2801工作面位于八采區(qū),工作面對應(yīng)地面標高為+35.16m,工作面標高為-529.0~-579.5m,走向長908~965m,傾斜長105~234m,總面積198079m2。
由于2801工作面區(qū)域的灰?guī)r含水層水位標高遠高于煤層標高,如不采取可靠的措施,無法保證工作面的安全開采。
根據(jù)出水鉆孔水壓值及孔口標高,計算出2801工作面區(qū)域太原組上段灰?guī)r含水層水位標高約為-93m,二2煤下距太原組上段L11灰?guī)r52.74m,由此推測2801工作面底板隔水層所受灰?guī)r靜水壓力為4.9~5.4MPa。
根據(jù)采煤工作面安全水頭壓力值計算公式:
P=TSM
則:M=P/TS
其中:
P-水壓,MPa;
Ts-突水系數(shù)(一般情況下,在具有構(gòu)造破壞的地區(qū)按0.06MPa/m計算,隔水層完整無斷層構(gòu)造破壞地區(qū)按0.1MPa/m計算);
M-隔水層厚度,m;
工作面底板灰?guī)r靜水壓力取最大值5.4MPa,則2801工作面按正常塊段計算安全隔水層厚度:
M=P/Ts=5.4MPa/0.1=54m
根據(jù)《陳四樓煤礦煤層底板擾動規(guī)律及突水預(yù)測預(yù)報研究》結(jié)果,得到底板破壞深度(h1)和采深(H)之間的預(yù)測公式:
h1=6.3615ln(H)-26.946
式中:
ln-代表以e為底的自然對數(shù);
H-工作面采深(工作面對應(yīng)地面標高與工作面底板標高的絕對值之和),m;
已知工作面對應(yīng)地面標高為+35.16m,回采范圍內(nèi)二2煤底板標高-529.0~-579.5m,計算得到H=564.16~614.66m,則工作面采動對煤層底板破壞深度:
h1=6.3615ln(H)-26.946=13.36~13.90m
由以上計算可知,工作面安全回采隔水層厚度為54m,工作面采動對煤層底板破壞深度取最大值13.90m,則工作面安全隔水層厚度應(yīng)為69.90m。已知L11灰?guī)r距離二2煤層52.74m,即在無褶曲、斷層等構(gòu)造破壞的正常地層塊段內(nèi),工作面也存在底板太原組灰?guī)r水突水威脅。
為確保2801工作面安全回采,確定將工作面底板改造至L10灰?guī)r下部約75m厚的完整巖層,從而起到安全隔水的作用。
因2801工作面為八采區(qū)首采面,受F13-1、F13斷層影響,水文地質(zhì)單元相對獨立,因此隨著底板注漿工程的開展,根據(jù)施工鉆孔出水量、出水深度、水壓資料進行分析后,對于出水量較大、富水異常、水壓較大區(qū)域可考慮延孔鉆進至L8灰?guī)r,以達到板注漿加固效果,增強煤層底板有效隔水層厚度的目的。
鉆探設(shè)備選用ZDY3200S型全液壓鉆機,開孔選用Φ140mm鉆頭,正常鉆進期間為Φ92mm的PDC復(fù)合片鉆頭;圓鉆桿Φ73mm,單根長1m,三棱鉆桿Φ73mm,單根長1m及配套直徑4寸高壓閘閥和防噴裝置。
注漿設(shè)備:井下注漿泵選用2TGZ-60/210型和2TGZ-120/105型,地面注漿站選用3NBB-260/7型泥漿泵。見表1。
表1 鉆探注漿設(shè)備一覽表
每組鉆場包括鉆機窩、注漿泵窩、沉淀池及其連通的水溝。
鉆場采用工作面一側(cè)布置,切眼與停采線間每100m布置一組,遇有斷層或其他構(gòu)造影響時可做適當調(diào)整。
注漿泵窩用于放置注漿泵、鉆機泵站、注漿材料、配件等。
(1)鉆孔出水后必須測定出水深度、出水量、水溫、水壓等基本參數(shù),以便于進行分析。
(2)當鉆孔施工過程中揭露斷層及其破碎帶時,易發(fā)生塌孔埋鉆現(xiàn)象。因此,要進行注漿加固破碎帶,封堵導(dǎo)水裂隙,防止在鉆孔揭露含水層后,出現(xiàn)斷層裂隙帶跑水或跑漿現(xiàn)象,并能解決塌孔埋鉆問題。
注漿方式采用下行式注漿:當鉆孔出水后,由于水量較大頂水無法鉆進或鉆孔水量達到20m3/h以上,滿足地面注漿條件時,可以拔鉆地面注漿,每次地面注漿終壓必須達到11MPa,待孔內(nèi)漿液凝固12h后方可透孔鉆進,直至終孔。鉆孔注漿合格后,必須于2d內(nèi)進行封孔處理,以達到較好的封孔效果,防止由于放置時間過長造成封孔質(zhì)量下降。
(3)判定單孔施工質(zhì)量合格并結(jié)束應(yīng)滿足以下要求:鉆孔施工按設(shè)計傾角、方位施工并達到設(shè)計孔深;地面及井下注漿壓力達到設(shè)計壓力值;注漿量(以t為單位)小于出水量(以m3/h為單位)的1/2,經(jīng)過掃孔、延孔的;鉆孔封孔后周邊無漏水、滲水。
(4)判定鉆場施工質(zhì)量合格并結(jié)束應(yīng)滿足以下要求:鉆場內(nèi)所有設(shè)計鉆孔均施工合格并經(jīng)過驗收;鉆場內(nèi)所有設(shè)計鉆孔的套管露出底板長度均不大于100mm;鉆場內(nèi)出現(xiàn)掉鉆具、塌孔無法鉆進、注漿量與出水量不匹配等異常鉆孔補加鉆孔施工;鉆場內(nèi)針對富水異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)域所施工的檢驗鉆孔,出水量須小于該鉆場原出水鉆孔的平均水量的1/2;鉆場內(nèi)所有鉆孔封孔質(zhì)量合格。
(5)每個鉆孔施工完畢后,都要進行驗收和總結(jié)。內(nèi)容包括鉆孔開孔日期、終孔日期、下套管長度及質(zhì)量、出水深度、出水層位、出水量、水壓、水溫、注漿量、封孔質(zhì)量、施工過程中出現(xiàn)的故障等,對鉆孔注漿質(zhì)量進行分析評價,對施工的鉆孔分段記錄施工負責人和施工人員,并分鉆場、工作面建立技術(shù)檔案。
(6)綜采工作面底板灰?guī)r含水層富水性中等,灰?guī)r含水層富水性、裂隙發(fā)育程度不均一,施工期間重點對斷層附近灰?guī)r含水層及底板裂隙、物探異常區(qū)和鉆探富水區(qū)進行注漿改造,施工中通過引流注漿的方法提高鉆孔的可注性,使其注漿量提高。
2801工作面施工鉆孔終孔層位為L8灰?guī)r,工作面里段區(qū)域鉆孔出水量較小,工作面外段區(qū)域?qū)Τ鏊枯^大的灰?guī)r含水層加密布置鉆孔,使鉆孔對工作面L11、L10、L8灰?guī)r做到了全覆蓋,富水含水層以L10灰?guī)r為主,各層灰?guī)r含水層注漿量與出水量比值遠大于0.5:1,注漿質(zhì)量較好。
后期根據(jù)鉆孔的出水層位、出水量、注漿量和施工順序進行綜合分析,對部分出水量較大、注漿量較小的區(qū)域周邊20m范圍進行了補孔檢查和驗證,最后序次施工的檢驗、驗證鉆孔在L11、L10灰?guī)r未出水或出水量小于20m3/h,在L8灰?guī)r出水量小于30m3/h,證明部分鉆孔雖注漿量較小,但由于灰?guī)r裂隙發(fā)育不均一,注漿期間已對灰?guī)r主要裂隙進行了封堵,達到了較好的注漿效果。
2801工作面通過開展底板灰?guī)r含水層改造,有效封堵了煤層底板導(dǎo)水裂隙,將煤層底板至灰?guī)r底部的灰?guī)r含水層改造成有效隔水層及弱含水層,可以確保工作面安全回采,降低防治水成本,達到增加經(jīng)濟效益的目的。