張曉明 王 凱
(臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)處,山東 臨沂 276017)
水害是我國煤礦的五大災(zāi)害之一,極大威脅著煤礦的安全生產(chǎn)工作。近年來隨礦井開采深度日趨增大,資源賦存條件越來越復(fù)雜,礦井水害呈現(xiàn)高頻率、強(qiáng)危害特征。山東能源臨礦集團(tuán)王樓煤礦屬大水礦井,2013年礦井三采區(qū)13301工作面回采通過斜穿工作面的斷層組后,出現(xiàn)斷層組滯后出水,水量最大達(dá)900m3/h,一度造成工作面被迫停產(chǎn)。針對王樓煤礦13301工作面斷層組活化導(dǎo)水治理難題,采用千米定向鉆進(jìn)技術(shù)對斷層組進(jìn)行注漿加固,封堵導(dǎo)水通道,降低礦井開采成本,為類似礦井?dāng)鄬铀χ卫硖峁┙梃b。
王樓煤礦位于濟(jì)寧煤田的南部,行政區(qū)劃屬于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)。礦井采用立井單水平開拓,開采水平-680m,主采山西組3上煤層,采深700~1200m。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力0.9Mt/a,核定生產(chǎn)能力1.2Mt/a。
王樓煤礦13301工作面是三采區(qū)的第一個綜采工作面,走向長約1160m,傾斜寬160m,埋深900~960m,煤層平均厚度2.15m,傾角5~12°。工作面內(nèi),距切眼約220m左右發(fā)育一組密集正斷層(F21、F22、F23),該斷層組斜穿工作面,走向長約400m,與3煤斷煤交線總寬度約140m,斷層最大落差約17m。工作面推采揭露、通過斷層組時并未出現(xiàn)涌水迅速增加現(xiàn)象,但當(dāng)回采工作面通過斷層組560m時,工作面涌水量由130m3/h快速增加至900m3/h,造成工作面被迫停產(chǎn),礦井排水費(fèi)用增加,開采成本增長。工作面平面示意圖見圖1。
定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計要求進(jìn)行延伸鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)層位的一種鉆探方法。
以往的防治水工程中常使用地面立孔注漿,加固封堵涌水通道。普通的立孔注漿與目的層接觸為一個點,漿液擴(kuò)散半徑有限,施工鉆孔多,加固封堵區(qū)域小,費(fèi)用高,效率低。如果采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行前進(jìn)式注漿,定向鉆孔與目的層接觸為一條線,注漿輻射成一個面,只需布置少數(shù)幾個定向鉆孔就可以對斷層進(jìn)行全面加固封堵,工程量少且效率上大大提高。
鑒于定向鉆孔上述優(yōu)勢,王樓煤礦提出將定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于13301工作面斷層組的注漿加固封堵工程中。
圖1 13301工作面平面圖及鉆孔設(shè)計圖
13301工作面涌水的主要充水水源為煤層頂板砂巖水和侏羅系水,充水通道為斷層組活化導(dǎo)水。根據(jù)充水水源及充水通道的分析,通過地面定向水平鉆孔及水平分支鉆孔在13301工作面斷層組上部對應(yīng)的石盒子組和侏羅系地層內(nèi)進(jìn)行通道探查治理,封堵充水通道,將該層段形成一個有效的阻水層,降低工作面及礦井涌水量,減小排水費(fèi)用及礦井開采成本,保障生產(chǎn)安全。
本次工程設(shè)計1個主孔和3個分支孔,平面布置圖見圖1。設(shè)計注漿層位在3上煤層頂板之上85~110m 左右。
(1)鉆孔結(jié)構(gòu)
鉆孔采用三級孔徑:
一開:孔深0~300.00m,孔徑Φ311mm,下入Φ244.5×8.94mm石油套管,其套管與孔壁間環(huán)狀間隙用42.5#水泥全封閉;
二開:孔深300.00m~煤層頂板以上80.00m,孔徑Φ216mm,該段下入Φ177.8×9.19mm石油套管,并與上部套管重疊50m,其套管與孔壁間環(huán)狀間隙用42.5#水泥全封閉;
三開:煤層頂板以上80.00m至設(shè)計深度,孔徑Φ132mm,裸孔。鉆孔結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
(2)施工工藝
地面定向鉆孔施工時,首先采用螺旋鉆桿常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工大傾角下斜鉆孔至設(shè)計層位,下入孔口套管并試壓合格;然后使用螺旋鉆桿隨鉆測量定向技術(shù)進(jìn)行造斜施工,鉆孔軌跡的實時準(zhǔn)確測量和控制使鉆孔按設(shè)計軌跡在欲加固層鉆進(jìn)延伸,待成孔后進(jìn)行前進(jìn)式注漿形成人工隔水層[1]。定向鉆施工流程圖如圖3。
圖3 定向鉆孔工藝流程圖
(1)注漿壓力
注漿壓力的控制是注漿的關(guān)鍵。當(dāng)注漿壓力較小時,漿液的擴(kuò)散半徑及擴(kuò)散范圍有限,造成注漿效果達(dá)不到設(shè)計要求;當(dāng)注漿壓力過大時,造成漿液擴(kuò)散半徑過大、漿液浪費(fèi)現(xiàn)象。因此,注漿壓力的控制在注漿加固效果上起到至關(guān)重要的作用。允許注漿壓力根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算:
Pa=βρgT+Ckαh[2]
式中:
Pa-允許注漿壓力,kPa;
β-系數(shù),在1~3之間;
ρ-注漿段以上巖土層的密度,t/m3;
g-漿液比重;
T—地基覆蓋厚度,m;
C-與注漿次序有關(guān);
k-與注漿方式有關(guān),前進(jìn)式注漿k=0.8,后退式注漿k=0.6;
α-與地層性質(zhì)有關(guān),結(jié)構(gòu)疏松且滲透性強(qiáng)的地層取0.5,結(jié)構(gòu)緊密且滲透性弱的地層取10;
h-注漿段深度,m。
(2)注漿材料
注漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、水玻璃。漿液類型采用單液漿及雙液漿聯(lián)合注漿堵水。雙液漿根據(jù)巖層吸漿量、漿液漏失大小,現(xiàn)場確定水玻璃的加入量;單液漿密度一般控制在1.2~1.6g/ml。
(3)擴(kuò)散半徑
注漿擴(kuò)散半徑可根據(jù)劉嘉材[3]公式計算。
劉嘉材公式:
式中:
R-擴(kuò)散半徑,cm;
Pc-注漿壓力,kPa;
po-地下水壓力,kPa;
t-注漿時間,s;
δ-裂縫寬度,cm;
u- 漿液黏度,mPa·s;
rc-注漿孔半徑,cm。
(4)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)
注漿壓力應(yīng)不小于受注含水層最大靜水壓力6MPa。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計壓力后,應(yīng)逐次換擋降低泵量,直至泵量達(dá)到10L/min,并維持30min。之后進(jìn)行壓水試驗(試驗壓力為結(jié)束壓力的80%),測得單位吸水率q不得大于0.01L/min.m。只有同時滿足以上兩個條件的情況下,才能認(rèn)為受注段達(dá)到了注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),可以停止注漿。
(1)定向鉆進(jìn)技術(shù)在13301工作面斷層組治理過程中,可精確控制注漿層位,有效封堵了充水通道,使工作面涌水量減小250m3/h,降低了礦井排水費(fèi)用和開采成本。
(2)較以往普通立孔注漿技術(shù),地面定向鉆孔前進(jìn)式注漿具有開孔點少、一孔多方位探測、無效進(jìn)尺少、目標(biāo)點準(zhǔn)確、注漿輻射范圍廣、效率高,綜合成本低等優(yōu)勢[4]。
(1)鉆進(jìn)時鉆桿不旋轉(zhuǎn),螺桿電動機(jī)扭矩小,對地層適應(yīng)能力差,如遇縮徑泥巖、易塌孔泥巖,容易發(fā)生孔內(nèi)事故;
(2)鉆進(jìn)期間采用前進(jìn)式注漿,單孔施工周期長,原孔內(nèi)狀況易發(fā)生變化,增大了孔內(nèi)事故發(fā)生概率。
(1)通過定向鉆孔注漿進(jìn)一步驗證了13301工作面的充水機(jī)理為斷層組活化導(dǎo)水,充水水源為煤層上覆砂巖水及侏羅系砂礫巖水,充水通道為斷層導(dǎo)水。
(2)通過定向鉆孔注漿有效地封堵了13301工作面導(dǎo)水通道及集中出水點,工作面涌水量由600m3/h減小至350m3/h,堵水效果明顯。
(3)定向鉆孔注漿在斷層導(dǎo)水、裂隙帶導(dǎo)水、巖溶陷落柱導(dǎo)水等水害治理方面亦可應(yīng)用。