鞏建雨

(河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì),河北 邯鄲市 056000)

0 引言

煤炭是中國(guó)的主體能源[1]。然而,在煤炭開(kāi)采所引起的諸多環(huán)境問(wèn)題中,如瓦斯、水害等,尤其以開(kāi)采沉陷最為突出。我國(guó)以高達(dá)90%的井工開(kāi)采比例導(dǎo)致目前有超過(guò)110萬(wàn)hm2的采煤損毀地,并以每年3萬(wàn)～4萬(wàn)hm2的速度增長(zhǎng)[2]。煤炭燃燒利用后產(chǎn)生的粉煤灰成為中國(guó)目前年排放量和累計(jì)堆積量最大的工業(yè)廢棄物之一[3]。我國(guó)煤矸石累計(jì)堆存已達(dá)70億t,且以1.5億t/a的速度增長(zhǎng),占地面積約70 km2,約為全國(guó)耕地保有面積的6.79%[4]。如何控制煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的地表沉陷,處理煤炭利用產(chǎn)生的粉煤灰及煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的矸石成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。離層注漿技術(shù)是一種煤炭開(kāi)采減沉新技術(shù)[5],該技術(shù)既能有效抑制離層上方的地表沉陷[6-7],又提供了粉煤灰、矸石利用的新渠道。

煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采已普及,特別是地質(zhì)條件好的煤礦采用大采高、大采寬綜采走向長(zhǎng)壁采煤法,產(chǎn)煤量較以往采煤方法大大增加。為達(dá)到設(shè)計(jì)的下沉值,滿足建(構(gòu))筑物Ⅰ級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的規(guī)定,實(shí)現(xiàn)采煤不破壞建(構(gòu))筑物的綠色開(kāi)采理念,給以減沉為目的的離層注漿技術(shù)提出了更高的要求,需在注漿工藝的制漿、注漿系統(tǒng)等多方面進(jìn)行不斷地優(yōu)化,以適應(yīng)采煤工藝的進(jìn)步。

1 注漿方式由負(fù)壓注漿變?yōu)檎龎鹤{

負(fù)壓注漿即注漿泵的進(jìn)漿口高于攪拌池內(nèi)液面,常用于煤礦注漿堵水,一般注漿距離短,不大于500 m;注漿量小,水泥不大于300 t/d;常采用間歇注漿;注漿主原料是水泥,少量輔料是粉煤灰等,不易堵塞注漿管道,故負(fù)壓注漿對(duì)煤礦注漿堵水不產(chǎn)生任何負(fù)面影響。離層注漿技術(shù)直接沿用了該負(fù)壓注漿方式,但離層注漿有自身獨(dú)有的特點(diǎn)。

(1)注漿的連續(xù)性。注漿自開(kāi)始至單孔或項(xiàng)目結(jié)束長(zhǎng)達(dá)數(shù)月,無(wú)間歇注漿。

(2)注漿量大。注入量一般為2000～5000 t/d的粉煤灰、黃土或矸石等原料。

(3)注漿泵無(wú)自吸功能。注漿泵多采用F300、F500、3NB-350等型號(hào)石油鉆井泵,不具有自吸功能,負(fù)壓注漿時(shí),注漿泵每次啟動(dòng)時(shí),需要灌泵多次,才能正常供漿,影響注漿的連續(xù)性和注漿質(zhì)量。

(4)注漿工作面距離遠(yuǎn)。注漿站至注漿工作面距離近則2000 m,遠(yuǎn)則4000～8000 m,注漿管易堵塞。

一種用于注漿充填裝置的正壓制漿布置系統(tǒng)[8]如圖1所示,該系統(tǒng)中攪拌池頂面與地面±0 m 在同一水平,攪拌池的高度一般為2～5 m 不等,在攪拌池底布置出漿口,出漿口與注漿泵進(jìn)漿口布置在同一個(gè)水平面,泥漿池內(nèi)的漿液液面高度始終高于泥漿泵的進(jìn)口端,利用漿液面自然水頭的壓力將漿液壓入泥漿泵,注漿方式由負(fù)壓注漿變?yōu)檎龎鹤{,解決了注漿泵每次啟動(dòng)時(shí)需要灌泵的問(wèn)題。

圖1 一種用于注漿充填裝置的正壓制漿布置系統(tǒng)

2 干濕粉煤灰制漿機(jī)一體化

粉煤灰的運(yùn)輸方式有兩種:一種是濕式,由自卸汽車(chē)或帶式輸送機(jī)運(yùn)至注漿站儲(chǔ)灰場(chǎng),鏟車(chē)鏟入定制料斗,輸送至制漿機(jī)制漿;一種是干式,由罐車(chē)運(yùn)輸?shù)阶{站專(zhuān)用儲(chǔ)灰罐存儲(chǔ),通過(guò)配套的螺旋給料機(jī)、稱(chēng)重后進(jìn)入制漿機(jī)制漿。兩套制漿系統(tǒng),互不通用,不僅增加了投資,還占用了大量注漿場(chǎng)地,增加了注漿維護(hù)人員。

一種干、濕一體制漿機(jī)[9]如圖2所示,減去了儲(chǔ)灰罐、稱(chēng)重設(shè)備、制漿機(jī)等,在原濕式制漿機(jī)的基礎(chǔ)上,加裝了氣缸或油缸自動(dòng)驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)合的密封蓋和干灰進(jìn)灰系統(tǒng),快速轉(zhuǎn)換干、濕進(jìn)灰系統(tǒng),改變干、濕灰制漿模式,實(shí)現(xiàn)了一機(jī)兩用,經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,實(shí)用性強(qiáng)。

圖2 一種干、濕一體制漿機(jī)

3 攪拌池制作工廠預(yù)制化

傳統(tǒng)攪拌池需在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖基坑、打墊層、綁扎鋼筋、模板支護(hù)、水泥砂漿澆筑、水泥砂漿養(yǎng)護(hù)等多道工序,由鋼筋水泥砼制作而成。它有下列缺點(diǎn)。

(1)制作時(shí)間長(zhǎng),費(fèi)用高,且不能重復(fù)使用。

(2)注漿工程結(jié)束后,需要將攪拌池筒體的鋼筋水泥砼用風(fēng)鎬或電鎬一點(diǎn)一點(diǎn)清除,恢復(fù)土地原貌非常困難。

(3)不符合綠色環(huán)保、清潔生產(chǎn)的理念。

一種簡(jiǎn)易快速拼裝組合的制漿攪拌池[10]如圖3所示,攪拌池可以提前在工廠規(guī)?；?、規(guī)格化定制預(yù)加工,運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)即可快速拼裝組合使用,省工、省時(shí)、方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可重復(fù)使用,已取代砼制攪拌桶。

圖3 一種簡(jiǎn)易快速拼裝組合的制漿攪拌池

4 “檢修不停注漿”理念的提出與實(shí)現(xiàn)

隨著工作面采煤的不斷推進(jìn),離層空間的不斷產(chǎn)生,注漿應(yīng)隨即充填離層空間,達(dá)到隨采隨充,采充匹配,自注漿開(kāi)始至單孔、項(xiàng)目注漿結(jié)束,離層注漿是連續(xù)的,非特殊情況不得停止注漿。從原料供應(yīng)至漿液注入離層,中間各個(gè)環(huán)節(jié)導(dǎo)致的注漿間隔可通過(guò)以下措施解決。

4.1 制漿原料供應(yīng)

為避免因運(yùn)料的不暢通等原因?qū)е碌耐Ｖ构┝?儲(chǔ)料場(chǎng)內(nèi)應(yīng)保證有2～3 d的最大用料量存儲(chǔ)備用。

4.2 制漿設(shè)備

粉煤灰等粉狀制漿系統(tǒng)的檢修可通過(guò)增加備用制漿設(shè)備的套數(shù)來(lái)解決,為一用一備或兩用一備;矸石等塊狀制漿系統(tǒng)因濕式球磨機(jī)的投資較高,一般是單配套,有條件一用一備,確保從制漿的源頭保證漿液的正常供給。

4.3 攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)

攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)因漿液具有掛壁性、漿液內(nèi)攜帶的殘?jiān)?以及依層狀流態(tài)流動(dòng)等多種因素的共同作用,攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)內(nèi)易產(chǎn)生殘?jiān)恋砼c內(nèi)垢,影響供漿,需要不定期進(jìn)行清理,攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)如圖4所示,該布置會(huì)導(dǎo)致清理期間注漿中斷。

圖4 泵前供漿系統(tǒng)

一種不間斷注漿的二次攪拌筒及泵間吸漿系統(tǒng)[11]如圖5所示,充分利用現(xiàn)有的管道,改供水管8為供水與備用供漿兩用管。檢修攪拌池時(shí),進(jìn)漿口1根據(jù)需要調(diào)節(jié)漿液進(jìn)入不同的攪拌池,供漿時(shí)供漿管9、供水管8同時(shí)供漿,不影響供漿量;檢修供漿管9時(shí),供水管8臨時(shí)供漿,注漿均不間斷。各節(jié)點(diǎn)之間的所有法蘭、螺絲連接改為卡箍連接,清理管內(nèi)掛漿結(jié)垢及沉渣時(shí),拆卸、安裝簡(jiǎn)單方便、快捷,既省時(shí)又省力。解決了因清理管道、攪拌池內(nèi)壁掛漿結(jié)垢、沉渣而導(dǎo)致無(wú)法連續(xù)注漿的問(wèn)題。

圖5 一種不間斷注漿的二次攪拌筒及泵間吸漿系統(tǒng)

4.4 注漿泵

注漿泵根據(jù)離層注漿的階段不同,常采用兩種規(guī)格的注漿泵,用于前期注水憋壓和末期的維護(hù)補(bǔ)漿,如NBB-390等,排量為3～23 m3/h;用于注漿初、中期的大排量注漿,如F-350、F-500、5G-450等,F-350、F-500排量為45～120 m3/h,5G-450排量為89～213 m3/h。注漿泵配置時(shí)至少有一臺(tái)套NBB-390的注漿單元和一臺(tái)套F300、F500、5G-450的注漿單元作為備用,以保證注漿的連續(xù)性。

4.5 泵后注漿管道系統(tǒng)

注漿泵布置連接多為一臺(tái)泵對(duì)應(yīng)一條管道和一個(gè)注漿鉆孔。檢修、保養(yǎng)注漿泵前,為避免漿液沉淀堵塞管道和注漿孔,需要將注漿管道內(nèi)的漿液用清水頂替到孔底,并附加一定的富余量,而后才能停泵更換注漿泵,根據(jù)注漿管道的距離及選用的管徑不同,一次注入清水10～30 m3不等,用時(shí)約1～2 h。注漿期間若因注漿泵意外原因突然停止注漿,極易導(dǎo)致注漿管道和鉆孔堵塞,不能保證注漿的連續(xù)性。

一種快速串、并聯(lián)的注漿管道連接布置系統(tǒng)[12]如見(jiàn)圖6所示,將所有注漿管串、并聯(lián)在一起,系統(tǒng)中始終有一臺(tái)套備用注漿泵單元,檢修保養(yǎng)注漿泵或因意外停止注漿時(shí),無(wú)須再用清水沖洗注漿管道,只須開(kāi)啟、關(guān)閉系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)關(guān),即可實(shí)現(xiàn)備用注漿泵單元參與注漿,亦可實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)套注漿泵與任意注漿管連接的鉆孔之間、清水與漿液之間有序任意轉(zhuǎn)換。

圖6 一種快速串、并聯(lián)的注漿管連接系統(tǒng)

4.6 孔口裝置

孔口裝置是連接注漿管和鉆孔的轉(zhuǎn)換裝置,孔口裝置目前沒(méi)有專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn),均由施工單位現(xiàn)場(chǎng)自行加工制作。該裝置應(yīng)能確保注漿的連續(xù)性與注漿管出現(xiàn)跑漿等異常情況下的安全性。一種適用于離層注漿的井口裝置[13]如圖7所示,該裝置的缺點(diǎn)是主閥門(mén)安裝不方便或安裝后內(nèi)徑小于套管的內(nèi)徑,嚴(yán)重影響注漿時(shí)的過(guò)漿量。改進(jìn)井口裝置如圖8所示。

圖7 一種適用于離層注漿的井口裝置

圖8 改進(jìn)井口裝置

(1)去除主閥門(mén),在注漿口串聯(lián)安裝閥門(mén)兩個(gè),常開(kāi)備用閥門(mén)始終處在開(kāi)位,作為備用閥門(mén),管體及閥門(mén)均不影響注漿時(shí)的過(guò)漿量。

(2)常開(kāi)工作閥門(mén)在非正常情況下開(kāi)啟與關(guān)閉,損壞后,關(guān)閉常開(kāi)備用閥門(mén),更換后繼續(xù)使用。

(3)在壓力表上串聯(lián)了安全閥,可更換損壞的壓力表。

(4)在注漿口、堵頭焊接到井口裝置管體后,又采取了安全冗余的加強(qiáng)措施,確保萬(wàn)無(wú)一失。

4.7 鉆孔

鉆孔孔位根據(jù)工作面的采寬等情況沿傾向單排或雙排布置,排間孔為一組兩孔,一主一輔,兩用或一用一備,實(shí)現(xiàn)工作面注漿的連續(xù)性。

5 首排注漿鉆孔套管防破壞措施

在采煤工作面停采線側(cè)、切眼側(cè)的首排孔注漿時(shí),注漿鉆孔設(shè)計(jì)為直孔,且處在滑移角的移動(dòng)面外,同時(shí)存在因未準(zhǔn)確把握注漿時(shí)機(jī)的雙重安全隱患。漿液若不能及時(shí)補(bǔ)充已形成的目標(biāo)離層空間,巖層繼續(xù)向上移動(dòng)與變形,擾動(dòng)到已成孔的注漿孔孔段,導(dǎo)致套管擠扁、拉伸、剪切等破壞,無(wú)法建立過(guò)漿通道,進(jìn)而導(dǎo)致項(xiàng)目注漿失敗的嚴(yán)重后果。

現(xiàn)有成熟的防范措施是在套管內(nèi)下入中心油管作為注漿管,當(dāng)注漿孔技術(shù)套管被破壞后,不影響漿液順利注入離層,起到了冗余安全防護(hù)的作用。但該措施的弊端是:被動(dòng)地防范套管破壞;在現(xiàn)有的鉆孔結(jié)構(gòu)下,下入的油管一般為Φ89 mm 或Φ114 mm,較原技術(shù)套管Φ178 mm 的過(guò)漿管徑而言,無(wú)法滿足注漿初期一孔多泵同時(shí)盡最大泵量注入漿液。

一種防止離層注漿首排鉆孔破壞的設(shè)計(jì)方法[14]如圖9所示,利用地層固有的滑移角而設(shè)計(jì)的定向孔,鉆孔的裸孔段靶點(diǎn)位于注漿目標(biāo)注漿離層內(nèi),技術(shù)套管段的鉆孔軌跡在離層發(fā)展至孔底時(shí),均位于巖石移動(dòng)角、表土層移動(dòng)角移動(dòng)面以及目標(biāo)關(guān)鍵層破斷距的安全范圍內(nèi),且有一定的安全冗余距離。該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了:主動(dòng)預(yù)防套管破壞;無(wú)須再下入注漿油管,節(jié)省資金的同時(shí),不影響套管的內(nèi)徑,可最大限度地滿足注漿初期的多泵同時(shí)對(duì)同一個(gè)鉆孔最大泵量注入漿液;可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)離層,并及時(shí)注漿支撐上部目標(biāo)關(guān)鍵層,防止目標(biāo)關(guān)鍵層的再次破斷,避免了因套管被擠扁變形、拉斷、剪切等破壞而導(dǎo)致的項(xiàng)目失敗。

圖9 一種防止離層注漿首排鉆孔破壞的設(shè)計(jì)方法

6 結(jié)論

從注漿站設(shè)備布置的系統(tǒng)化、規(guī)范化到正壓注漿、干濕一體制漿機(jī)、攪拌池、制漿、注漿系統(tǒng),注漿孔套管防破壞等多個(gè)環(huán)節(jié)的改進(jìn)與優(yōu)化,使覆巖離層注漿工藝更加趨近于成熟,完全能滿足大采高、大采寬走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤工藝高強(qiáng)度開(kāi)采條件下的減沉注漿要求,達(dá)到建(構(gòu))筑物Ⅰ級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的規(guī)定,實(shí)現(xiàn)采煤不破壞建(構(gòu))筑物的綠色開(kāi)采理念。

(1)提出了“檢修不停注漿”的理念并使該理念從原料供應(yīng)到漿液注入離層的各個(gè)環(huán)節(jié)得以實(shí)現(xiàn),保證了注漿的連續(xù)性,克服了檢修、保養(yǎng)等期間注水的弊端。

(2)正壓注漿,漿液由“吸”入式變?yōu)椤皦骸比胧?解決了因灌泵引起的系列不良問(wèn)題,并增加了注漿泵的有效容積效率。

(3)提出了首排注漿鉆孔套管防破壞的技術(shù)預(yù)防措施,變被動(dòng)防范為主動(dòng)預(yù)防,避免了因套管破壞跑漿導(dǎo)致的項(xiàng)目失敗。

(4)注漿站設(shè)備布置的系統(tǒng)化、服務(wù)的長(zhǎng)期化,隨著遠(yuǎn)距離漿液輸送問(wèn)題的解決,以制漿站為專(zhuān)職的母站和專(zhuān)職注漿的臨時(shí)子站為特征的“母子站”成為注漿發(fā)展方向,將會(huì)在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。