复杂突水条件下矿井注浆堵水技术

2014-07-13姬中奎

钻探工程 2014年5期

姬中奎

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054;2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077)

矿井发生特大突水需要在动水条件下进行注浆时，一般情况下过水通道的位置都比较清楚，截流段容易确定，若是掘进中突水，则掘进巷道为过水通道，可在该独头巷道实施截流;若是工作面回采出水，则上下顺槽是过水通道，可对两条巷道实施截流[1～9]。我国是世界煤炭生产大国，全国各地矿井众多，水文地质条件多样，采掘情况复杂，有时候矿井发生特大突水，但突水点可能不在本矿生产系统内，这时候堵水就不像在本矿内那么简单。2011年8月7日，陕西韩城桑树坪煤矿发生特大突水，原因是临近小煤矿越界开采本矿深部煤层，底板奥灰突水淹没该小煤矿，之后水流上行进入到桑树坪矿生产系统。由于突水量巨大，导致矿井深部被淹。为了保住矿井上部系统，桑树坪矿不得不在强排控制井下水位的情况下进行动水注浆堵水。要进行动水截流，首先要明确堵水段的位置，为定向钻探指明方向，但小煤矿的采掘系统不清楚，过水通道及截流段难以确定，要想在短时间内成功堵水，难度非常大。面对困难，桑树坪煤矿想方设法查清了过水通道，确定了截流段的准确位置，经过动水注浆，最终成功堵水。研究总结桑树坪矿在复杂突水条件下的堵水方法和经验，对于提高矿井防治水技术水平、在类似条件下实现快速抢险堵水具有十分重要的意义。

1 矿井及突水概况

1.1 矿井概况

桑树坪煤矿位于陕西省韩城市北部约35 km的桑树坪镇，矿井隶属陕煤化集团韩城矿业公司，现主采山西组2号煤和3号煤，年生产能力约为1.5 Mt。桑树坪井田面积约49 km2，地貌属构造剥蚀低山丘陵区，地形复杂，沟谷发育，高差幅度大，低处标高约为440 m，最高处达1044 m，沟谷及两侧基岩裸露，山腰及山顶多为黄土覆盖。地表凿开河以近东西向贯穿井田，把桑树坪井田分为南北两翼，黄河在井田的东部。由于历史的原因，桑树坪矿东部浅埋区小煤矿众多，历史上发生过多起越界开采的现象。

1.2 突水概况

2011年8月7日0:05时，桑树坪矿安全巡视员发现北二车场绕道密闭墙处有大量的水涌出，涌水很快冲垮密闭墙，矿调度室紧急通知撤人。由于涌水量峰值达到13200 m3/h，远远大于矿井最大排水量，矿井深部被淹没。为了保住矿井上部生产系统，桑树坪煤矿在韩城矿业公司及陕煤化集团公司的大力帮助下日夜奋战，从全国各地调用大泵，全力展开强排工作，最终在矿井总排水能力达8000 m3/h的情况下将井下淹没水位控制在333 m标高处。

2 突水条件分析及堵水方案制定

2.1 突水条件分析

本次突水的水量巨大，根据淹井时计算，突水量的峰值为13200 m3/h，在强排将水位控制在333 m标高的情况下，稳定突水量约8000 m3/h，除奥灰外本地没有其他含水层有这么大的补给能力。本地奥灰的水位标高为375 m，突水在井下排水情况下的动态淹没水位为333 m，符合奥灰水的水位特征。桑树坪矿有一个报废井内有奥灰水，发生突水后，该井的水位下降了约6 m，奥灰水位能下降6 m，表明突水为有奥灰水参与。刚发生突水时，所取水样矿化度为3319 mg/L，水质类型为 SO4·Cl－Ca·Na·Mg型水，具备当地老空水的特征，后期水质稳定后所取水样矿化度为2324 mg/L，水质类型为Cl·SO4－Na·Ca型水，符合当地奥灰水的水质特征。综合分析以上突水量、矿井淹没水位、观测井水位变化及突水水化学特征(见表1)，确定本次突水的水源为奥灰水。

表1 桑树坪矿突水条件分析

由于桑树坪矿本身没有发生奥灰突水，很显然，本次突水与附近小煤矿有关。经过对附近小煤矿的排查，发现临近禹昌煤矿越界开采了桑树坪煤矿11号煤，该处11号煤与奥灰的平均间距不到20 m，煤层底板承受的水压约为0.7 MPa，突水系数Ts为0.0875 MPa/m。调查得知该矿在11号煤采掘中发生了奥灰底板突水，突水淹没禹昌矿后，水流通过禹昌顺矿采空区进入到桑树坪矿井，突水点应该位于禹昌矿采掘头附近。虽查清了突水的矿井及突水原因，但禹昌矿的采掘巷道空间展布情况不清楚，不知道突水究竟是从哪一条巷道过来，该条巷道的精确三维坐标更是无从知晓。由于众所周知的原因，一方面小煤矿开采没有大的工作面和系统的采掘计划，随意性较强;另一方面小煤矿采掘填图工作不完善，采后无相关采掘图件;加之即使有相关图件，小煤矿也未必能如实提供。因此，虽然抢险工程迫在眉睫，地面急需给定截流巷道的空间位置进行定向钻探，但现场无法给出截流段的精确位置。很显然，本次突水情况比一般的本矿采掘中突水要复杂得多，堵水难度较大。

2.2 堵水方案制定

为了保住矿井上部生产系统，堵水必须在动水的情况下选择一条巷道进行截流。由于小煤矿资料不全、图纸不可靠，简单的方法是在桑树坪矿内选取一段巷道堵水，这样做的好处是巷道空间位置明确，可以迅速开钻，但缺点是放弃了本矿一部分生产系统，截流后矿井不能完全恢复生产。经过研究，决定把截流段放在禹昌矿越界的11煤巷道中，突水的总体堵水方案为:第一步，先采取各种手段查明截流巷道的位置;第二步，在截流巷道位置确定后实施地面截流堵水工程;第三步，截流成功后在开展矿井追排水和恢复生产的同时，先后延伸截流孔至11煤底板和奥灰顶部，对11煤底板和奥灰顶部进行加固注浆。

3 巷道截流段探查

过水巷道截流段的探查是本次堵水的难点和重点，为了查明截流段准确位置，桑树坪矿采取了多种探查手段，包括走访调查、井上下物探、井下钻探及示踪试验等方法。

3.1 小煤矿调查

在确定是禹昌矿采掘11煤发生奥灰突水后，桑树坪矿有关工作人员多次去该矿进行走访调查。因该矿深部已被突水淹没，无法下井查看，只能通过该矿人员了解采掘情况。工作人员最初曾经获得了一部分资料，之后通过深入调查和对比，证明该资料完全不可靠。后来又反复去该矿做工作，最终获得了一个相对真实的资料，但该图纸是采用罗盘加步测的方式用直尺标注的，准确性较差。尽管如此，根据该资料，结合桑树坪煤矿采掘工程图，仍发现禹昌矿有一条采巷是突水外流的必由之路，该巷道恰好从桑树坪矿365中巷下方约40 m深度处通过，若能找出该巷道的确切位置，该处是实施截流的最佳地点。

3.2 井上下物探

有了大体位置后，先采取了物探方法对巷道进行了探查，其中地面采取的是瞬变电磁方法，井下采取的是高密度电法勘探。地面电法在长360 m×120 m的区域内以20 m×20 m的网度布置测点，共布置7条测线，每条测线上有19个测点，探测深度为+310 m，超过11煤底板。勘探结果表明测区南部有低阻异常区，推断该异常为11号煤采空区。井下电法在365上中巷以联巷口布置测点，测点间距5 m，共布置测点66个，编号为－6～60;365下中巷以上中30号测点为起点，向南按5 m间距布置测点40个，为－10～30。探查结果表明，在2条测线的4号点附近下方约50 m处有一条宽约20 m的低阻区，疑似过水巷道，且4号点恰好位于瞬变电磁测区南部。

3.3 井下钻探

根据物探结果，先在4号测点附近布置钻孔进行验证，钻孔见11煤后未发现掉钻，之后在4号测点两侧扩大钻探范围。施工中9号和12号钻孔最先掉钻探测到落空段，落空长度为3 m，与禹昌矿巷道高度相符，同时钻孔有水涌出，之后在9号孔和12号孔两侧布设加密钻孔，探查巷道边界和宽度。整个井下探查工程共布置了20个孔位，相邻孔位间距为5 m，其中部分钻孔孔位施工了3个钻孔，垂直方向上分别为0°、15°和30°，整个井下钻探工程共施工了32个钻孔，总进尺为1551.7 m。钻探中7号孔至12号孔段之间均遇见空洞，－6号孔至6号孔段、13号孔至15号孔段之间的钻孔均揭露实煤体。据此分析，过水通道在7号孔至12号孔之间，与物探异常区边界很接近。井下钻探工程及过水通道推测边界详见图1。经分析，由于小煤矿的多采用巷采方式，加上突水水流的持续冲刷，禹昌矿越界采巷宽约23.5 m，高约3 m，断截面约70.5 m2，动水的过水断面较大。

图1 探查孔、截流孔及推测通道平面示意图

探查中先安排2台钻机对物探异常点进行施工，钻机为ZDY1500型全液压坑道钻机，后为了加快进度，增加2台共4台钻机在巷道中一字摆开。由于365中巷距离过水巷道垂高仅为40 m，且巷道为岩层，底板标高比奥灰水头低10m，比井下排水点水头高32 m，因此采用裸孔钻进技术，不下孔口管直接开钻，孔径为75 mm。钻探工艺为普通回转钻进，不配泥浆直接用清水钻，钻探过程中要求严密观测钻孔返水或漏水情况。由于钻孔距离突水点近，过水巷道内水头较高，最后透巷后钻孔有水溢出但水压不大。钻孔封孔采用下木塞的方式，用钻杆将木塞下至孔中，上部灌入水泥，木塞浸水膨胀及水泥凝固后孔口无水溢出。

3.4 示踪试验

为了证明落空段为过水巷道，钻进中掉钻后进行了示踪试验，示踪剂为食品红。9月15日，在12号孔掉钻2.4 m后，将5 kg示踪剂与1 m3水混合后压入钻孔中，约45 min后，观测人员在禹昌矿排水点检测到食品红成分。9月19日，9号孔掉钻3 m后如法进行示踪试验，42 min后，禹昌矿排水点检测到示踪剂成分。示踪试验证明，9号孔和12号孔所揭露该段巷道为突水的过水通道。

4 堵水工程实施

4.1 动水注浆截流

由于过水巷道的断面宽面积大，堵水中在截流区布置两排8个钻孔，钻孔错开成梅花形，其中Z1和Z2为第一排灌注孔，Z3、Z4和Z5为第二排灌注孔，两排钻孔间距离为15 m，Z6、Z7和Z8为过水巷道边界探测孔，钻孔具体位置详见图1。钻孔一开孔径311 mm，钻进11 m进稳定基岩后下入244.5 mm×8.94 mm一开套管;二开孔径216 mm，下入139.7 mm×8.05 mm二开通天套管，下至距离过水巷道顶板以上约20 m深度处，裸孔段110 mm，透巷处长度约20 m，截流孔钻探情况详见表2，钻孔结构详见图2。

钻探中为了加快抢险进度，采用美国雪姆公司T130型钻机进行定向钻进。一开钻孔段采用水钻，二开钻孔段采用风钻。为了防斜纠偏，而又不影响钻进速度，在钻孔施工中引进了复合钻进技术，利用单弯螺杆和PDC钻头，在不更换钻具状态下纠偏作业，纠偏后即可启动钻进，这样可减少起下钻时间，提高钻进时效。测斜使用单点测斜照相仪，每钻进20 m测斜一次，根据测斜结果及时导向。透巷前是钻孔最后的关键阶段，采用筒状扫铁钻头取心钻进，密切观测钻井液消耗漏失情况。接近巷顶时，孔底要减压至10 MPa以下，以免压塌巷道顶板。采用此钻探技术，钻孔从开钻到透巷基本都在5～7天内完成。

表2 钻孔情况及钻探工程量统计

图2 截流钻孔结构示意图

骨料灌注中，原计划通过定向钻探在Z1孔和Z2孔穿透365中巷后，利用井下探查孔对接进行注浆，因365巷道底板岩层破碎，不得已施工了两道挡水墙段对截流段上部365巷道进行了封闭，之后钻孔穿透365巷道底板，固结完二开套管后才进行灌注。整个截流工程中共灌入骨料25716 m3，其中细骨料砂子为25416 m3，米石为300 m3，各孔灌注情况详见表3。最终骨料在过水巷道接顶，涌水量衰减至150 m3/h，同时奥灰水位大幅回升，表明骨料已将巷道中的管道流截住。之后马上开始注入水泥浆，对阻水墙及周边裂隙进行加固，最后奥灰水位完全恢复，动水截流宣告结束。

表3 注浆工程量统计 /m3

骨料灌注采用射流自重灌注法，具体工艺为:钻孔孔口密封，连接一个灌砂管，灌砂管与三通漏斗相连，三通漏斗另两端分别为灌砂口和进水口。灌砂口朝上接受骨料的灌入，进水口平放连接注水管，注水管与排量为100 m3/h的潜水泵相连，潜水泵产生的高速水流可把自重落入漏斗的骨料冲进钻孔中，然后通过钻孔输送到巷道中堵水。加固注浆中水灰比为1∶1，采用连续快速注入方式，以免加固不及时水流突破堵水墙。注浆终压时要求为孔口压力≮3 MPa，注浆泵量≯50 L/min，并在高压力和小泵量的情况下维持30 min以上。通过加固注浆，堵水墙与巷道周边煤岩体连成了一个整体，可有效防止水流通过墙体与巷道之间的裂隙漏水。

4.2 底板延伸注浆

动水截流后，一方面突水点探查还需工程量，另一方面为了避免小煤矿再次偷采，没有对突水点实施治理。但为了进一步从深部消除突水隐患，对原地面7个截流孔(Z1孔除外)进行了延伸钻探和注浆。先延伸钻孔至11煤底板，对底板岩层进行注浆加固;之后再次延伸至奥灰顶部约30 m，对奥灰顶部进行高压注浆。奥灰顶部注浆中，Z6孔进入奥灰后冲洗液大量漏失，最终注入水泥浆14550 m3后起压，注浆量在所有钻孔中最大，说明该孔揭露到奥灰顶部岩溶通道，对封堵奥灰岩溶通道有重要的作用。

底板延伸注浆中钻探采用PDC钻头常规回转钻探技术，孔径110 mm，不下套管逐步延伸钻进。注浆中水灰比为1～2，注浆方式采用连续式与间歇式相结合，对Z3等吃浆量少的钻孔，采用稀浆连续注入，对于Z6等吃浆量大的钻孔，采用稠浆间歇注入。注浆的终孔标准同截流加固注浆，要求在孔口压力≮3MPa、注浆量≯50 L/min的情况下维持30 min以上。