孟津矿11011工作面突水水源判别及高压动水注浆研究

张建英张东营

(1.河南能源化工集团有限公司,河南省郑州市,450046; 2.义马煤业集团股份有限公司,河南省义马市,472300)

孟津矿11011工作面突水水源判别及高压动水注浆研究

张建英1张东营2

(1.河南能源化工集团有限公司,河南省郑州市,450046; 2.义马煤业集团股份有限公司,河南省义马市,472300)

针对孟津矿11011工作面突水情况,通过水质、水温、水压等因素对其突水水源进行了判别,根据突水区域的地层结构、裂隙发育及底板充水等情况特征,根据查治结合、封堵通道、堵水截源、根治水患的指导思想制定了堵水方案并进行了相应工程的实施,利用原有瓦斯抽采底板岩巷再施工一条平行于停采线的底板岩巷作为治水巷(后期还可以用于瓦斯抽采),先加固突水区域外围,防止突水点转移,最后集中对突水靶区注浆封堵通道和出水点。

矿井突水 高承压 突水水源 动水注浆 防治水

1 研究区概况

1.1 矿井概况

孟津煤矿位于孟津县西部,井田东西走向长约7.0 km,南北倾向宽约5.7～10 km,面积约57.52 km2。矿井主采山西组二1煤层,设计生产能力1.2 Mt/a,服务年限43年,属煤与瓦斯突出矿井。矿井开拓方式为立井开拓,中央并列式通风。目前,各个生产系统及首采面已形成,正处于试生产阶段。11011工作面为煤矿首采工作面,走向宽120 m,倾斜长1000 m,可采长度为770 m,为俯采面。地面标高＋412～＋438 m,煤层埋深691～758 m。平均煤层厚4.0 m,可采储量37.3万t。工作面采用倾向长壁法采煤,自然垮落法管理顶板。

1.2 矿井水文地质条件

孟津井田位于新安煤田的东部,属新安水文地质单元。矿井地质构造简单,断层不发育,其整体结构为一宽缓倾向南东的单斜构造,煤岩层倾角3°～10°。井田北侧为黄河小浪底水库,距11011工作面最近距离2.75 km。

矿井主要含水层为奥陶系马家沟组灰岩岩溶含水层,距离二1煤层底板58～83 m,平均66 m,水压4.7～5.5 MPa,为弱～中等富水性的含水层,富水性极不均一;矿井直接充水含水层主要有二叠系大占砂岩、香炭砂岩、冯家沟砂岩、砂锅窑砂岩含水层及石炭系太原组薄层灰岩含水层;主要隔水层有山西组顶界上部紫色泥岩和砂质泥岩、底板至L7灰岩顶部的砂质泥岩和泥岩、本溪组铝土质泥岩三层,其中,底板本溪组铝土质泥岩隔水层平均厚度10.2 m,井田内普遍发育。

11011工作面于2012年9月26日开始试采。回采到15 m时,工作面采空区出水,水量约10 m3/h,回采到50 m时,水量约50 m3/h,随后逐渐增大到210 m3/h,之后一直稳定。2013年4月14日工作面顶板周期来压,老顶垮落,4月16日8点班,工作面下巷底板瓦斯抽采巷涌水量开始增大,4月19日7时,矿井涌水量达到1990 m3/h(含原矿井涌水量210 m3/h),之后缓慢下降。截至2013年12月15日,涌水量下降至1680 m3/h,累计涌水量980万m3。

经现场观测,出水点在11011下巷底板瓦斯抽采巷距切眼外170～180 m处,由下巷底板瓦斯抽采巷瓦斯抽放孔及工作面采空区流出。

2 突水水源判别及突水原因简析

2.1 突水水源的判别

(1)水质因素。通过对11011工作面涌水水质化验分析,可以看出两个明显的规律:一是钙镁离子越来越高,并稳定在60%的高位,二是钾钠离子越来越低,基本稳定在30%的低位。从水质类型上判定此水质属于砂岩水与灰岩水的混合,且以灰岩水为主。

(2)水温因素。突水前工作面涌水主要来自顶板淋水,水温在29℃,突水初期的水温在31℃,经过6 d后水温稳定在36℃。据11011工作面已施工钻孔揭露资料显示,奥灰水水温为32～36℃,根据水温的变化曲线可以初步推断,突水前期顶板水占主要权重,后期奥灰水占主要权重。

(3)水压因素。从相关的奥灰等水位线图可以看出,在工作面出水区域其奥灰水位逐渐下降至＋60 m左右,比正常水位低了150 m,形成了明显的降落漏斗。

由此推断,工作面涌水系奥灰含水层出水。

在初中数学课程标准中，要求学生能够通过对数学这门课程的深入学习，将所学知识应用在生活中。这就需要教师在教学中注重生活化。这样不仅能够进一步提高学生学习这门课程的积极性和主动性，还极大的提高其对问题的分析能力和解决能力。

2.2 突水水源综合判别

11011工作面底板承受的水压为5.5 MPa,高水压为突水提供了动力条件;工作面底板瓦斯抽采巷的施工人为地减少了底板隔水层的厚度,为突水增加了可能。采掘活动是本次突水的诱发因素,并提供了突水的空间。工作面突水点在采空区内。因此,矿压及水压的联合作用使工作面底板破坏深度达到了底板灰岩奥灰层内,底板灰岩水通过隐伏导水构造及其导水裂隙涌入工作面。综上,认为工作面突水水源为底板奥灰水,顶板水有少量参与。初步判断分析,底板水约为1500～1600 m3/h,顶板砂岩水约为200 m3/h。

3 注浆堵水工程设计

3.1 总体思路

此次堵水是在工作面涌水量达1680 m3/h动水条件下实施注浆堵水工程,根据突水区域的地层结构、裂隙发育及底板充水等情况特征,确定堵水方案的指导思想是查治结合、封堵通道、堵水截源、根治水患。利用原有的瓦斯抽采底板岩巷再施工一条平行于停采线的底板岩巷作为治水巷(后期还可以用于瓦斯抽采),先加固突水区域外围,防止突水点转移,再集中对突水靶区注浆封堵通道和出水点。堵动水减少涌水量以注骨料为主,堵源截流以注浆改造含水层为主。

3.2 布孔方案

布孔方法以井上和井下相结合,以井下孔为主,地面孔送骨料。井下围绕出水区域布孔找通道,灌注骨料减水后,围点打源,堵源截流。钻孔在平面和剖面上均为扇形布置,长短结合。根据目前掌握的出水区域是停采线后近50 m宽的范围,堵水打钻工程重点放在11011工作面停采线附近出水区域,摸清突水通道,找准导水通道后再集中注浆堵水。因此井下钻孔布置以U型方案围绕着工作面出水的区域布置。初定此区域井下钻孔48个,具体要结合现场堵水效果和与堵水通道的联通情况确定,注浆终孔最深为奥灰顶界面下垂深30 m,浅止则于奥灰顶界面以上20 m。

3.3 注浆及堵水材料

注浆材料中减水以骨料为主,注浆改造、堵源截流以水泥浆、粘土水泥浆为主。骨料采用河沙和米石,备料时按粒径0.25～0.35 mm、0.35～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、3～5 mm各备5～10 m3。待减水到一定程度后尝试用高浓度水泥注浆进一步封堵出水点,少用锯末。其中地面施工1个输送骨料钻孔到井下堵水地点附近巷道,在巷道中找到该孔后用钢丝胶管连接送料孔与井下孔,以输送骨料到堵水目的层。

地面注浆站需要恢复粘土水泥注浆管路系统,前期用于实施注浆堵水,后期用于工作面注浆加固。

3.4 注浆工艺流程

注浆采取渐进式注浆,二级套管下入后均进行耐压试验,压力不小于15 MPa,耐压试验合格后换用ø75 mm钻头钻进。钻孔出水量达到15 m3/h开始注浆,达到终压停止注浆,凝固24 h扫孔钻进,如此循环,直至达到设计深度。

采用地面注浆站注浆,终孔压力为水压2～3倍,采用粘土、纯水泥为材料,以最大注浆量、最大扩散半径、最大限度的充填岩溶裂隙为目的,分孔、分次序连续注浆。主要流程为:地面制浆→注浆泵→地面输浆管路→井下输浆管路→孔口→含水层。

注浆浆液主要有水泥浆、粘土浆和混合浆。精浆比重控制在1.12～1.18范围内,含砂率在1%以下,在整个注浆过程中浆液的浓度按照稀→稠→稀的原则进行,先注粘土浆,总量不小于40 m3,然后注粘土水泥混合浆,从5∶1(土∶水泥重量比)开始,根据孔口压力情况,逐步升高(4∶1～1∶2)。

如孔口压力达到12～13 MPa,干料值没有达到出水量的3倍时,立即改为压清水,降挡位将孔口压力降下来,降至9 MPa以下恢复注浆,先注纯粘土浆,稳定后再注混合浆,若压力还升高,可以停注。若注浆量达到要求,但压力在6～8 MPa、瞬间流量在7～8 m3/h(三挡)或10～11 m3/h(四挡),要增加水泥量。当孔口注浆压力与设计注浆压力(14 MPa)差0.5 MPa时,通知地面注浆站用三挡压水,期间如果压力升至注浆终压,应立即打开泄压阀,再关闭进浆阀和4英寸闸阀,注浆终止标准为孔口压力不低于孔内水压的2.5～3倍且持续时间不低于30 min。

对涌水量为5 m3/h以上的钻孔,采用地面注浆站注浆,注浆量较小时,视情况进行扫孔多次注浆;对涌水量为5 m3/h以下或无水的钻孔,采用井下注浆泵注浆,注浆结束标准与地面注浆结束标准相同。

4 工程施工情况

(1)地面注骨料钻孔深718 m,完成井上、下设备安装具备注骨料条件。

(2)施工11011工作面L型治水巷473 m,12个钻场44 m,合计517 m。

(3)12个钻场完成注浆钻孔70个,累计长度10433.9 m,其中检查钻孔8个。

(4)钻孔总出水量2275 m3/h,其中,砂岩含水层钻孔出水量246 m3/h,奥灰含水层出水量1989 m3/h。各钻孔出水情况如表1。

表1 各钻场出水情况

(5)累计注浆量10328 t,其中,水泥8043 t,粘土2285 t。关键及重要钻孔注浆量如表2所示。

表2 关键及重要钻孔注浆量统计表

(6)注浆后共施工检查钻孔8个,8个检查孔出水量均小于15 m3/h,符合设计要求。

5 工程治理效果评价

11011工作面涌水量变化曲线如图1所示,工作面突水量在2013年4月16日当天急剧增大后趋于稳定,即这个阶段称为Ⅰ突水期和Ⅱ稳定期;自2013年8月开始实施注浆堵水工程后,在加固突水区域外围,施工了大量钻孔,减水850 m3/h,减水率达50%,封堵外围导水通道后,水量有一定的衰减,即到了Ⅲ衰减期;最后直接面对突水区域集中注浆封堵突水源,施工大量钻孔,减水500 m3/h,减水率达24%,即称为Ⅳ攻坚期,这个时期涌水量急剧下降;后期复矿后再补充钻孔,水量可下降至210 mm3/h以下,实现底板灰岩水91%封堵,成功封堵了突水。

图1 11011工作面涌水量变化曲线

[1] 侯进山.21101综采面底板注浆改造技术研究及应用[J].煤炭工程,2013(6)

[2] 张建奎,乐志军,郭萌.底板注浆加固技术在河南汝州煤田朝川矿的应用[J].中国煤炭地质, 2011(2)

[3] 王利.龙固煤矿岩巷注浆堵水中基于关键孔的信息化治理体系研究[J].中国煤炭,2013(3)

[4] 李燕,徐智敏,刘勇.矿井突水水源判别方法概述[J].煤炭技术,2010(11)

[5] 冀焕军,王保群.井下动水注浆堵水技术研究[J].陕西煤炭,2012(5)

[6] 郝彬彬,李冲,王春红.灰色关联度在矿井突水水源判别中的应用[J].中国煤炭,2010(6)

[7] 赵苏启,武强,郭启文等.导水陷落柱突水淹井的综合治理技术[J].中国煤炭,2004(7)

[8] 张秋成,李金海等.地面返流注浆堵水技术及应用研究[J].中国煤炭,2011(10)

[9] 王思鹏.采场周围水文地质钻孔高压力大流量透水事故的封堵技术研究与实践[J].中国煤炭, 2004(1)

(责任编辑 张艳华)

Identification of water-inrush source at 11011 working face and study on dynamic water grouting in high pressure in Mengjin Mine

Zhang Jianying1,Zhang Dongying2
(1．Department of Technical Management of Henan Energy and Chemical Industry Group Co．,Ltd．,Zhengzhou,Henan 450046,China; 2．Geological Survey Department of Yima Coal Industry Group Co．,Ltd．,Yima,Henan 472300,China)

Aimed at the water inrush at 11011 working face in Mengjin Mine,the sources were identified by water quality,water temperature,and water pressure and so on．According to the stratum structure,fracture development and water filling on coal seam floor,the water sealing scheme was made and conducted under the guide of the combination of check and control, pass sealing,water sealing and source cutting as well as fundamental solution of water disaster．The water-control roadway was constructed by taking advantage of original gas-drainage floor rock roadway which is parallel to the stopping line(also used for the gas drainage in the later stage)．The outside of water-inrush zone was strengthened to prevent the transfer of location of water inrush．Finally,the pass and the water-inrush site were sealed by grouting．The dynamic water was sealed to reduce water inflow by aggregate injection,while the source sealing and flow cutting were achieved by grouting to alternate aquifer．

water inrush in coal mine,high-pressure support,water-inrush source,dynamic water grouting,water-disaster control

TD745

A

张建英(1985－),男,甘肃金昌人,工程师,现任河南能源化工集团技术管理部地测防治水主管,从事煤矿地质防治水技术管理工作。