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        4301工作面突水因素分析與注漿堵水工程

        2021-10-11 12:16:42
        2021年10期
        關(guān)鍵詞:突水太原灰?guī)r

        賈 佳

        (山西長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司,山西 長治 047100)

        能源賦存結(jié)構(gòu)決定了煤炭是我國的主要消費能源,隨著煤炭需求量和開采強度的不斷增加,煤炭開采向深部轉(zhuǎn)移,我國中東部礦井開采深度已超過了1 000 m。近年來,隨著開采深度的不斷增加,工作面受底板高承壓水影響,突水事件時有發(fā)生,影響了礦井的正常生產(chǎn),突水嚴重時將造成極大的經(jīng)濟損失[1-5]。4301工作面位于一水平三采區(qū),開采4號煤層,煤層厚度6.34 m,在4301工作面回采過程中發(fā)生了突水現(xiàn)象,突水水量約180 m3/h。

        1 工作面充水條件與突水因素分析

        1.1 工作面充水條件

        1) 頂板直接充水含水層。山西某礦4301工作面開采煤層位于太原組頂部,頂板直接充水含水層主要為P1s、P1x、P2s組的K4、K5、K6砂巖含水層。鄰近工作面回采資料顯示,工作面回采前頂板涌水量為160~170 m3/h,工作面回采后,頂板涌水量逐漸衰減至100 m3/h,表明頂板含水層存在動靜水量。

        2) 煤層底板含水層組。據(jù)計算,4301工作面采動底板破壞深度大于30 m。資料顯示,4301工作面與太原組K3砂巖層間距為7.43~28.68 m,因此,煤層底板含水層組為4301工作面直接充水含水層。

        3) 太原組底部灰?guī)r、本溪灰?guī)r含水層組。太原組底部灰?guī)r厚度3.33 m,K1砂巖厚度6.17 m,本溪灰?guī)r厚度2.44 m,含水層組總厚11.94 m,工作面底板出水后施工的補期孔3號(2-0)鉆孔在本溪灰?guī)r層位出水100 m3/h,水壓4.3 MPa,并有噴渣現(xiàn)象。

        4) 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。工作面受奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層影響,屬于帶壓開采,帶壓約6 MPa。

        1.2 突水因素分析

        1) 突水水源分析。4301工作面回采過程中發(fā)生突水現(xiàn)象,突水水量約180 m3/h,突水水量長期穩(wěn)定,表明突水水源補給源穩(wěn)定。4301工作面底板出水水質(zhì)類型與太原組含水層水及與奧陶系灰?guī)r水質(zhì)均有一定差異。因此,判斷4301工作面突水水源為混合型水源。

        2) 突水通道分析。經(jīng)計算,4301工作面底板奧灰突水系數(shù)為0.052 MPa/m,突水點分散??碧劫Y料顯示,試驗工作面附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)陷落柱,根據(jù)近期鉆孔施工現(xiàn)場反饋,在試驗工作面施工鉆孔時,出現(xiàn)嚴重卡鉆現(xiàn)象,鉆孔涌水量顯著增加(100 m3/h),并碰觸大量泥巖、細砂巖等巖石碎塊,因此,判斷突水通道為隱伏導水構(gòu)造。

        2 注漿堵水工程與效果

        2.1 注漿堵水工程

        1) 鉆孔布置。 4301工作面注漿堵水工程共設(shè)計注漿堵水鉆孔15個,在4301工作面輔運巷布置2個鉆場,共計6個鉆孔(具體包括1-1、1-5、2-0、2-3、2-4、2-5),4301工作面膠帶巷布置2個鉆場,共計9個鉆孔(具體包括3-0、3-1、3-2、3-3、4-1、4-2、4-4、4-5、4-6),設(shè)計鉆孔總進尺2 514m,鉆孔具體參數(shù)見表1。

        2) 鉆孔結(jié)構(gòu)。注漿堵水鉆孔采用三徑套管結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:①一開D168 mm鉆進11 m,下入D159 mm護管10 m;②二開D133 mm鉆進36 m,下入D127 mm孔口管35 m;③三開D110 mm鉆進61 m,下入D89 mm孔口管60 m;④以下用D75 mm鉆頭鉆進至終孔層位。

        表1 注漿鉆孔參數(shù)

        3) 單孔鉆孔注漿結(jié)束標準。在實體煤區(qū)域底板較完整塊段施工的鉆孔,注漿終壓采用底板巖溶含水層靜水壓力的1.5倍,在采空區(qū)附近及周邊底板破壞區(qū)施工的鉆孔,注漿終壓不宜太高,以免發(fā)生底板壓裂破壞事故??紤]到工作面淺部底板破碎,巖石完整性差,注漿終壓根據(jù)實際情況來確定,一般比靜水水壓高0.5~1.5 MPa。

        4) 注漿工藝。采用分段注漿和全孔段注漿方式注漿,具體如下:

        分段注漿,適應條件:①鉆孔出水量大,繼續(xù)鉆進困難時;②塌孔嚴重,難以繼續(xù)鉆進時。

        全孔段注漿,適應條件:鉆進過程中鉆孔水量﹤20 m3/h;孔壁穩(wěn)定,無塌孔現(xiàn)象。

        5) 漿液比重。①水泥漿:按照先稀后濃的原則,水泥漿比重為1.1~1.5,如受注層的可注性好,可考慮提高0.1個比重或摻加粘土漿,何時摻加粘土漿以及摻加比例要結(jié)合受注層的可注性和受注層單孔水量大小而定。②粘土水泥漿:粘土漿比重在1.12左右,最高不得超過1.16,最低不得低于1.08,按照先稀后濃的原則,分檔控制,如現(xiàn)場發(fā)生跑漿、底鼓等特殊情況,要及時采取停止注漿、降低壓力、加入速凝劑、投入軟骨料、或改為引流注漿等可靠措施,防止事故擴大。

        2.2 注漿工程量與效果分析

        注漿工程共施工井下注漿堵水鉆孔15個,實際進尺2 514 m,累計注漿總干料3.9×103t,其中水泥2.2×103t,粘土1.7×103t。工作面排水資料顯示,注漿工程施工前,4301工作面底板涌水量180 m3/h,注漿工程施工后,工作面剩余水量32 m3/h,減少148 m3/h,詳見圖2和表2,注漿堵水率82%.同時,注漿工程施工后,揭露的底板太原組砂、灰?guī)r含水層水壓為2.7~3.6 MPa,相比提高了1.4 MPa,太原組底部灰?guī)r、本溪灰?guī)r含水層組水壓為4~5.6 MPa,相比提高了2.1 MPa,奧灰水水壓為5.4 MPa,相比提高了1.1 MPa,奧灰水水位已接近正常,綜上所述,注漿堵水工程取得了明顯的效果。

        圖2 注漿工程施工前后工作面水量

        表2 工作面注漿堵水率

        3 結(jié) 語

        文章總結(jié)了4301工作面的充水條件,分析了4301工作面的突水因素,認為工作面突水水源為混合型水源,突水通道為隱伏導水構(gòu)造。基于此,設(shè)計了注漿堵水工程,共設(shè)計鉆孔15個,設(shè)計總進尺2 514 m,注漿堵水工程實施后工作面底板出水量由180 m3/h減小至32 m3/h,堵水率82%,奧灰水水位已接近正常,注漿堵水工程取得了明顯的效果。

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