常德青峰煤矿四号井三水平二采区地面钻孔注浆堵水工艺

王 亮

(安徽省煤田地质局水文勘探队,安徽宿州 234000)

湖南省常德青峰煤矿年生产能力 18万吨,四号井三水平二采区在 -473m水平煤巷掘进时发生煤层顶板突水,突水时间 2009年 5月,突水量 600m3/h,加上采区原坑道涌水量 200 m3/h,采区总涌水量 800m3/h左右,出水量超过矿井下排水能力致使 -453m水平以下淹井。为了尽快消除此水患,青峰煤矿利用地面钻孔注浆技术,从 2009年 9月至 2010年 7月,共计施工注浆堵水钻孔 4个,累计工程量为2 245.58m,投入骨料14393m3,注入水泥2 560 kg,堵水率近100%。

矿区主采煤层之上为栖霞组,其下部为泥灰岩隔水层,中、上部为栖霞组灰岩含水层厚 25m。茅口组下段炭质硅质泥岩隔水层,整合于栖霞组上部灰岩含水层之上。突水点附近的构造主要由熊家湾逆断层,断层深度约 320m,走向近南北,倾向西,倾角 50°,落差 15～20m,该断层不导水。突水点附近地层倾角 20～40°。

1 突水因素分析

青峰煤矿四号井为大水矿井,井田水文地质条件属复杂类型。由于该矿主采煤层之上为栖霞组,岩性大部分为石灰岩,且溶洞裂隙发育,富水性强,含水层间水力联系密切。茅口组下段炭质硅质泥岩隔水层平均厚 42m,整合于栖霞组上部灰岩含水层之上。具井下开采实际观察资料,导水裂隙带最大高度为 58.76m,大于栖霞组下部隔水层厚度 8.28 m,因此栖霞组中上部灰岩含水层为该次突水的主要水源。

2 堵水方案的提出

自从 -473m水平煤巷掘进时发生煤层顶板突水,致使-453m水平以下被淹后。严重影响矿井正常生产,为了尽快消除此水患,青峰煤矿组织施工队伍采用地面打钻灌注浆、投添骨料等方法,采取堵住突水点、封堵导水通道的堵水方法治理水害。

2.1 注浆钻孔布置

注浆钻孔布置合理与否,直接影响着注浆堵水效果。经研究决定在突水区范围内布设 4个注浆孔,其中注 1孔设计孔深 560m,布置在采空区预留煤柱附近,对采空区充填砂石骨料并注浆;注 2孔和注 3孔设计孔深 570m,钻孔进入巷道附近,采用盖帽的方法充填砂石骨料,减缓突水量流出;注 4孔设计孔深 560 m,用大的砂骨料充填采空区突水点,并注浆封堵突水点灰岩水向巷道涌水,达到彻底解决出水的目的。

2.2 注浆钻孔结构

松散层厚约 19m左右,孔径 φ500mm,下置 φ273mm套管护壁,孔壁与套管之间用水泥封闭固管。16～520m深度,孔径 φ215.9mm,下置 φ168mm注浆套管,管外均采用水泥固管,520～570m段裸孔,孔径 φ142.5 mm,(巷道煤层顶板上留 3～5m)为注浆段,注浆结束后再钻进至巷道,对巷道内进行注浆。

2.3 注浆工艺

2.3.1 注浆材料

骨料据情况依次选用:粉砂、细砂、中粗砂、φ10 mm米石、φ10mm～φ30mm公分石等。水泥采用散装 32.5普通硅酸盐水泥,其它材料有工业盐和三乙醇胺。

2.3.2 压水试验

注浆前冲孔后需做压水试验,通过注前压水,疏通受注层段岩溶裂隙,取得注浆段的吸水量,为注浆及浆液配比提供依据。注浆后压水试验,目的是冲洗管路,以利于扫孔和复注。

2.3.3 注浆结束标准

(1)采用水泥浆单液注浆,当注浆压力达到终压及注入量达到 50～60l/m in时,继续以同样的压力,以较稀的浆液注入时间 20～30m in注浆合格,注入时间 30m in以上优质。

(2)采用水泥 -水玻璃浆双液注浆,当注浆压力达到终压及注入量达到 100～120L/m in时,继续注入时间 10～15 m in注浆合格,15m in以上注浆达到优质。

2.3.4 注浆方式

地面钻孔注浆方式有分段下行压入式,分段上行压入式和上下结合式三种,通常注单液水泥浆多采用下行式。根据本次注浆孔的地质、水文地质条件及所注浆液种类,并减少止浆程序,四个注浆孔都采用下行压入式注单液水泥浆,这样易于判断各段吸浆量的大小,对分析突水通道及堵水效果有帮助。

2.3.5 注浆段划分

本次注浆主要是对采空区段,目的是充填采空区突水点,对突水区煤层底板起到充填盖帽和加固作用。另外通过压力注浆对冒落带裂隙也起到充填加固作用,从而彻底切断水源。

2.3.6 投骨料

1)投骨料的目的

投骨料的目的是充填采空区,增大水流阻力,变管道流为渗流,对出水区的采空区起到充填盖帽的作用,减少注浆时跑浆。骨料能否对采空区充填完整是本次工程成功的关键。其工艺流程如图 1所示。

图1 投骨料工艺流程

2)骨料粒径的选择

骨料粒径的大小要根据注砂孔本身的条件来决定,前期采空区冒落裂隙较多,因此以粉砂、细砂、中粗砂为主;中期采空区空间大,大多为管道流,通道水流大,这时以米石和公分石为主,防止细小砂砾被水冲跑造成不必要的浪费;后期管道流已改变为渗流,因此以粉砂、细砂为主,主要是充填中期投入大颗粒骨料间的裂隙;注砂的水砂比均较大为 35:1,目的就在于使砂子能尽可能大范围充填采空区。具体如注 4号孔,该孔正好处于突水点水流向机巷的通道上,因此,以注直径大于1 cm的瓜子片为主,而注 1、注 2、注 3孔以空隙、裂隙为主,为了避免大颗粒砂堵孔并尽可能地大面积充填老塘,以直径小于10mm的巨粗砂为主。骨料大小有粉砂、细砂、中粗砂、φ10mm米石、φ10mm～φ30mm公分石。

以上四孔投骨料后堵水效果非常明显。主要原因有以下两个方面:(1)注砂孔均按设计要求完工,终孔均在预想靶区。(2)注砂量充足,实际注入砂骨料14393 m3,把采空区完全充填死,起到对采空区充填盖帽的作用,改变水管流为水渗流,以便注浆加固,减少跑浆的目的。

2.3.7 注浆

1)浆液配置:浆液浓度是注浆质量的关键,每次注浆前要做压水试验,根据注浆段的吸水量确定浆液配比,一般情况下开始浆液较稀,根据压力情况逐渐加大浓度,直至注浆压力上升。

2)水灰比与水泥量的换算与统计

浆液浓度用水与灰量量之比 W/c表示,而现场直接用比重计测量出的是浆液比重 d2,因此,须用下式求出水灰比。

W/c=(d1-d2)/d1(d2-1)

式中 d1为水泥比重(kg/cm3)(现场使用复合硅酸盐水泥 32.5级,比重取值为 2.8 kg/c m3)

表一 浆液水灰比(W/c)与浆液比重(d)换算表

水灰比求出后根据下式求出单位时间注入水泥量:

W c=d2×V/(1+w/c)

式中:W c为单位时间水泥的注入量(m3/h);d2为浆液比重(kg/c m3);v为单位时间进浆量(m3/h);

3)水灰比的确定:对于某一具体注浆孔的具体受注层段来说,则要根据压水试验确定的单位吸水量值选用浆液性质和水灰比值。单位吸水量由下式求得:

q=Q/(H1-H0)

式中:Q为压水水压稳定时的压水量(l/m in);q为单位水头下的压水量(l/m in◦m);H0为钻孔压水前水位值(m);H1为压水稳定时水位值(如孔口有压力则应孔口压力与孔口标高之和)(m)

在注浆过程中如孔口逐渐升压,应改变水灰比降低将液浓度,直到最后达到结束标准。

4)注浆

压水结束后,选择合适水灰比与泵量开始注浆。注浆孔在注浆初期注浆时,应下井观察是否跑浆,其它钻孔同时观测水位变化,检查是否有串浆现象,根据注浆效果确定合适的浆液配比及注浆时间。注浆后期,如钻孔属于缓慢正常升压,则应连续注。如孔口压力达到结束标准 3.0M pa。则应依次把泵量由 4档─→3档─→2档变化。如注浆泵泵量为二档(80升/分)孔口仍有 3.0 Mpa的压力,则需向孔内压水,把孔中浆液压入受注层段内,本受注层段注浆结束。如孔口属不正常快速升压,应停止注浆,检查原因清除故障,下次再注。

5)注后压水:注浆结束后,立即向注浆孔中压水。压水量略大于钻孔体积与管路体积之和,其目的在于冲洗注浆泵、管路,把孔中浆液压入注层中,以减少水泥的浪费,也有利于扫孔,同时保持裂隙通畅以利于下次再注。如果压水时,注浆孔孔口无压或压力不大,则根据钻孔体积,略多一些水量即可安全地把浆液压入受注段中。但注浆后期,孔口压力升高时,一定要控制好压力及压水量。当压水时空口压力超过3 Mpa时,应停止压水,卸掉孔口装置进行透孔,透孔后在压水,如孔口压力仍大于3 Mpa,则可结束注浆,不可强行加压压水。这是由于注浆段为裂隙发育,或是有投入骨料组成的砂层,刚注完浆后强度不高,高压注水会鼓破刚完浆的层段,扩大通道面积,可能造成突水量增大。

6)单孔结束标准

注浆压力的大小直接影响到灰浆扩散距离与有效充填范围以及水泥被在实的程度。为使灰浆扩散范围适当,既不可将注浆压力定的太低,以免造成漏注,也不可将压力的过高,致使灰浆扩散过远,甚至增加新的裂隙,出现新的突破口,增加水泥消耗量,注浆总压是由钻孔内浆柱自重压力和通过注浆泵产生的压力两部分组成 ,计算公式如下:

P0=pm+(H.r-h)/100

式中:P0为注浆总压力(Mpa);pm为孔口压力(M pa);H为孔口至注浆段 1/2处的高度(m);r为浆液比重(kg/cm3);h为注浆前注浆段 1/2(主要含水层)的水柱高度(m)

根据以往的注浆经验及本次突水的特点及受注层的岩性特征,孔口压力达到3Mpa可认为该孔压力达到结束标准。

3 注浆效果

工程施工至 2010年 7月,由注 4孔投大骨料完成了突水拦截,井下水量明显减少,然后在通过投入细砂对大骨料之间裂隙充填,基本上达到了堵水效果,再有注浆加固,根据井下观察及鉴定,工程总堵水率近 100%,堵水工程已达优质标准。至此,本工程累计完成工程量为2 245.58 m,投入骨料14 393 m3,注入水泥2 560 kg,注浆量3 320m3,工程顺利通过专家组验收。

注浆堵水工程是青峰煤矿组织的大型堵水工程,从钻探到注浆,包括所需材料总投资大约在九百万元左右。但是收回投资成本仅节约电费一项只需要 11个月时间,并且通过本次堵水工程,彻底切断水源,根治水患,保证了矿井的正常生产。同时也减少了煤矿自身的负担,提高了煤矿的经济效率,为矿职工赢得了福利,也为地方财政提供了来源,从而推动了当地经济的发展。

[1]王建学,万建仓,沈慧.钻井工程.石油工业出版社.2008.

[2]张正浩.煤矿水害防治技术.煤炭工业出版社.2010.

[3]淮北矿物局杨庄煤矿注浆堵水技术总结.