井筒煤与瓦斯突出的地面预注浆法治理

2014-09-28周卫金刘书杰

采矿技术 2014年2期

关键词：副井风井井筒

周卫金，刘书杰

(1.淮北矿业(集团)有限责任公司安徽淮北市 235000； 2.天地科技建井研究院北京 100013)

井筒煤与瓦斯突出的地面预注浆法治理

周卫金1，刘书杰2

(1.淮北矿业(集团)有限责任公司安徽淮北市 235000； 2.天地科技建井研究院北京 100013)

介绍涡阳矿区信湖煤矿3个千米深井筒地面预注浆方案及效果。该煤矿开采深度大，地质构造复杂、瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、煤层透气性低，煤与瓦斯突出的危险性很高。利用地面预注浆法对危险煤层进行防突预治理，提高了煤层的整体稳定性，封堵了瓦斯突出的裂隙通道，节省了凿井过程中揭煤的工期，使井筒施工安全快速地穿过突出危险煤层，取得了较好的社会经济效益。

井筒；煤与瓦斯突出；地面预注浆；揭煤

1 工程概况

信湖煤矿位于涡阳县花沟镇，年设计生产能力3 Mt/a，服务年限为61 a，采用立井开拓方式，工业广场内设计3个立井，主、副、风井井筒深度分别为1009.5,1043.5 m和989.5 m，井筒净径分别为6,8.1 m和7 m。副井井筒掘砌过程中需依次穿过1煤、2煤、3煤三个煤层，主、风井依次穿过1煤、2煤两个煤层，主要煤系地层为二叠系下石盒子组，有泥岩、粉砂岩及砂岩相间分布，砂岩各层间均被泥质岩类分隔，一般砂岩裂隙不发育，即使局部地段裂隙稍发育，但亦具有不均一性。

根据井筒检查孔资料，瓦斯突出综合指标K达到57.14，放散初速度△P为12，煤层坚固性系数f为0.21，煤层孔隙率达到6.76%。

该在建矿井属于淮北矿区的涡阳含煤区，地质构造复杂、瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、煤层透气性低，煤与瓦斯突出灾害严重。

2 地面预注浆法的特点

地面预注浆技术原理是：在井筒开凿之前，从地面围绕着井筒四周钻进一些注浆孔到受注地层，然后，使用地面注浆设备，把配置好的浆液通过注浆管路和钻杆注入到地层的裂隙及孔道中，最终，在井筒开凿荒径外的岩层中形成一定厚度的注浆帷幕。地面预注浆具有以下优势：

(1) 地面预注浆法的最大特点是井筒未开凿之前进行煤层防突先治理，治理煤与瓦斯突出不占用井筒工作面掘进的时间；

(2) 采用“S”定向钻孔技术，注浆孔的地面开孔位置可以远离井盘，因此，在注浆过程中不影响井筒建设的正常进行；

(3) 地面预注浆施工过程中，注浆设备及浆液制备设备均位于地面厂房中，具备使用新型高压注浆泵的良好条件，可以保证浆液在地层中达到足够的扩散距离；

(4) 煤与瓦斯突出的地层，以注入粘土水泥浆液为主，此种浆液可以进入较细小的裂隙，浆液配制工艺简便，浆液配比可以随时调整，且成本低廉；

(5) 地面预注浆法不仅能够治理煤与瓦斯的突出地层，而且，地下水的联系通道也被浆液充填闭合，改善了井筒凿井时的工作环境，提高了施工效率。

由于地面预注浆法的一系列优点，信湖煤矿三个立井井筒均采用地面预注浆工艺进行地层治理。

3 施工工艺

主井、副井、风井三个井筒采用“S”定向注浆孔，注浆孔个数分别为6、8、6个，地面布孔圈径40～50 m，根据井盘附近的用地情况进行调整，注浆孔落点圈径分别为11，12，11.5 m，同一切面上的注浆孔均匀分布。具体注浆参数见表1。

注浆压力为注浆段静水压力的2～2.5倍，粘土水泥浆在基岩中的扩散距离不少于10 m；粘土水泥浆主材选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，粘土塑性指数不宜小于10，粘粒(粒径小于0.005 mm)含量不宜低于25%，含砂量不宜大于5%，有机物含量不宜大于3%。

表1 信湖煤矿主、副、风井井筒注浆参数

以主井井筒S孔地面预注浆为例，图1和图2分别为S型注浆孔的平面布置图和轨迹剖面图，3个井筒的注浆压力都达到了设计值，注浆量分别为：主井43 m3/m、副井48 m3/m、风井44 m3/m，注浆形成的有效帷幕厚度分别为：主井11 m，副井10 m，风井10.6 m。

图1 S型注浆孔平面布置

4 注浆后的效果

(1) 注浆后，在井筒荒径外形成了一个低透气性带，即“止浆帷幕圈”，封闭了地层中的裂隙及孔隙等通道，使帷幕圈外的瓦斯源无法渗透到井筒内，截断了瓦斯补给源，减少了井筒内瓦斯释放量，降低了瓦斯突出的可能性。注浆帷幕厚度分别为：主井11 m、副井10.2 m、风井10.6 m，井筒掘砌过程中，爆破等施工作业对注浆帷幕的破坏是有限的，一般影响范围2～3 m，不会人为造成帷幕圈内外的沟通，保证了井筒凿井的进度。实际注浆时，注浆压力达到了注浆段静水压力的2倍以上，粘土水泥浆在地层中的有效扩散半径可达10～12 m，保证浆液在不同深度均能交圈，地层中实际的注浆帷幕不是理想的圆圈，是一种各向不均匀状态的闭合帷幕。

图2 S型注浆孔剖面轨迹

(2) 注浆帷幕以内地层中瓦斯压力比原生状态有所增大，导致煤层及孔隙中部分游离状态的瓦斯转向吸附状态。因此，井筒掘砌施工过程中，用打钻孔排放瓦斯，三个井筒工作面监测瓦斯压力为0 MPa，通过综合指标判断已无突出危险。

(3) 注浆起到了加固煤体的作用，增强了煤层的稳定性。井筒掘进过程中，从揭露注浆后煤层看出，裂隙及孔隙中有明显的灰黄色浆液充填物，充填密实，该充填物是粘土水泥浆在高压脱水的条件下形成的固结体，抗压强度与煤相近，从钻孔取煤样化验结果看出，煤体的平均坚固性系数提高10%。而且，充填物与裂隙周边的煤体结合紧密，局部破碎岩体的完整性大大提高，避免了掘进过程中片帮事故的发生，煤层突出的风险大幅降低。