塑性早强水泥浆在矿井集中涌水防治中的应用

刘 洋

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)



塑性早强水泥浆在矿井集中涌水防治中的应用

刘 洋

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

针对某矿涌水地层的特点，结合矿井水文地质条件，分析了涌水来源和通道，提出了选用塑性早强水泥浆液进行注浆堵漏止水，取得了良好的效果，为类似地层条件下涌水的防治提供了借鉴。

矿井涌水，注浆堵水材料，塑性早强水泥浆，水位标高

1 矿井工程地质概况

根据某矿综合柱状图，井筒穿过地层主要有第四系、二叠系上石盒子组、二叠系下石盒子组、二叠系山西组、石炭系太原组。

1.1 第四系地层

厚度在0.00 m～97.98 m，平均厚度59.76 m，包括冲洪积物，由卵石、砾石、砂质黄土等组成，分布于河谷底部；淡黄色亚砂土，垂直节理发育，分布于梁峁及山坡上部，分布广泛；暗红色、棕红色亚砂土，含有2层～3层钙质结核层。底部有钙质胶结的砾层。与下伏岩层为不整合接触。

1.2 二叠系上石盒子组

厚度在182.01 m～219.37 m，平均厚度199.19 m，该组地层主要为粘土岩与泥岩、砂岩互层结构。主要包括灰色粘土岩、灰绿色泥岩、灰绿色砂岩。

1.3 二叠系下石盒子组

厚度在76.00 m～95.10 m，平均厚度83.63 m，该组地层主要为灰色粘土岩、粉砂岩与泥岩。

1.4 二叠系山西组

厚度在60.15 m～85.00 m，平均厚度78.68 m，该组地层主要包含灰色泥岩夹细泥岩及6层不稳定薄煤层，2层稳定薄煤层。

1.5 石炭系太原组

厚度在82.36 m～112.10 m，平均厚度97.71 m，该组地层本井田主要含煤地层。该组地层为石灰岩、泥岩互层结构，间夹煤层。本组地层含两层稳定煤层及两层不稳定煤层。

2 矿井水文地质条件

根据地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构，本次将地下水含水层划分为4层：

1)第四系松散层孔隙含水层，该层补给主要靠大气降水补给，但补给有限，多为透水层，弱富水性。

2)二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层，地面多以泉的形式出露，泉流量一般小于20 m3/d。

3)二叠系下石盒子组、山西组砂岩裂隙含水层，单位涌水量：0.000 2 L/(s·m)，渗透系数：0.000 08 m/d，弱富水性。

4)石炭系太原组砂岩裂隙夹石灰岩岩溶裂隙含水层，岩溶裂隙发育，强富水性含水层，单位涌水量0.42 L/(s·m)，渗透系数1.92 m/d。

3 井下涌水基本情况

某矿的充水水源主要为老空、采空水，太原组10煤层顶板以上的L1,L2,L5灰岩水以及砂岩裂隙水，据《矿井水文地质类型划分报告》，太原组灰岩岩溶裂隙含水层水位标高1 235.36 m，奥灰岩溶含水层水位标高1 250.1 m。太原组岩溶裂隙含水层主要为L1,L2,L5灰岩，平均厚度分别为6.79 m,6.23 m,3.35 m，L1灰岩厚度最大，岩溶裂隙较发育，富水性中等，距10号煤10 m左右，对该煤层影响较大。主要涌水点有三个，基本情况如表1所示。

表1 主要涌水点基本情况

1号区域涌水点位于轨道暗斜井中部，该巷道为穿层巷道，拱形断面，巷宽4.5 m，高3.5 m，全岩，坡度为17°，方位244°，采用锚网喷浆联合支护。现巷道涌水点区域顶部有一处淋水，巷帮下侧3处集中出水(其中两处为巷帮裂隙出水，一处为钻孔出水，该钻孔为掘进期间巷道起坡处超前探放水孔，开孔位置10号煤顶板，安设注浆管孔径90 mm,终孔孔径60 mm,钻探深度107 m时出水停钻，钻孔方位245°，倾角17°)，涌水量合计21 m3/h。该处涌水点标高1 138 m，承受太原组灰岩水头压力0.95 MPa, 承受奥灰岩溶水水头压力1.10 MPa。

2号区域涌水点位于回风暗斜井中部，该巷道为穿层巷道，拱形断面，起坡10号煤，巷宽3.2 m，高2.5 m，全岩，方位335°，坡度为30°，采用锚网喷浆联合支护，巷帮下侧集中涌水点3处(其中两处为巷右帮裂隙出水，一处为左帮钻孔出水，钻孔开孔位置6号煤，方位335°，倾角30°，安设注浆管孔径90 mm,终孔孔径60 mm，深度90 m时探通上部原枝柯二坑3号老空出水停钻)，该处涌水点标高1 088.59 m，承受太原组灰岩水头压力1.43 MPa, 承受奥灰岩溶水水头压力1.58 MPa。涌水量合计25 m3/h(其中钻孔涌出的老空酸性水流量14 m3/h，巷帮裂隙涌水量11 m3/h)。推测为太灰含水层出水。

3号区域涌水点位于主斜井中部6号甩车场，巷道沿6号煤层底板掘进，宽4.5 m，高3.5 m，全岩拱形巷道，坡度0°，采用锚网喷浆联合支护，集中涌水点为巷道顶板、侧帮岩石裂隙出水，涌水量18 m3/h。涌水点标高1 091 m，承受太原组灰岩水头压力1.41 MPa,承受奥灰岩溶水水头压力1.56 MPa。推测为L5灰岩及K3砂岩裂隙水。

4 注浆堵水材料和工艺

4.1 注浆堵水材料

综上所述，以上涌水点均为裂隙出水，水源为煤层上部采空区积水、灰岩水和砂岩裂隙水，水量较大，水压较高，需要选用合适的注浆材料和施工工艺进行治理。目前主要的注浆堵水材料特性如表2所示。

表2 主要注浆堵水材料特性

以上三种材料均不能完全满足该矿涌水堵漏的要求：

1)单液水泥浆离析和收缩后无法填满裂隙；2)黏土水泥浆强度增长缓慢，无法封堵大量涌水；3)水泥—水玻璃溶液易被侵蚀溶解，不能长时间保证堵漏效果。

相关研究表明，水泥基注浆材料絮凝结构破坏是导致水泥基注浆材料离析和收缩的主要原因，通过在浆液内加入微硅、悬浮剂和稳定剂，有效改善了浆液的絮凝结构体系，形成了既有单液水泥浆的加固性能，也具有黏土水泥浆稳定性和流动性的塑性早强水泥浆[1]，非常适用于裂隙发育的富水性涌水点注浆堵漏。因此选用该种新型注浆堵水材料处理涌水。

4.2 注浆工艺

采用分层注浆方式封堵漏水，第一层以加固为目的的浅孔注浆，第二层是以堵水为目的的深孔注浆，均采用前进跳孔注浆的方式。浅孔注浆采用水泥—水玻璃浆液，快速封堵表面裂隙；深孔注浆采用塑性早强水泥浆[2]。

集中涌水点钻孔布置方式：根据涌水点裂隙发育情况及涌水量，在出水裂隙2.5 m范围内布置钻孔6个～8个(见图1)。

孔口管固定分2个步骤，第一步在孔口管下方端头位置缠麻下入钻孔内，在第一步固定时，可能出现固定难度大的问题，除了缠麻丝外，还需借力已施工的锚杆协同固定，若孔口周围无可利用锚杆，需施工新的锚杆，保证孔口管的稳定。第二步注双液浆进行满管固定，第二步结束后，凝固12 h以上，经打压试验合格后，进行2次成孔。

出水点孔口管选用直径32 mm的焊管，长1.5 m，一头焊接长50 mm的1寸扣头，另一头有800 mm的马牙扣，孔打好后，注浆管缠麻丝打入，外露60 mm～100 mm。

根据矿方提供的地质资料，注浆终压值为净水压力的2倍～2.5倍，压水实验的压力值为注浆终压的1.2倍～1.5倍，注浆终压及试水压力值如表3所示。

表3 注浆终压及试水压力设计值 MPa

经过堵水治理，三个集中涌水点的涌水得到有效封堵，涌水量大大减少，治理前后涌水量对比如表4所示。

表4 注浆治理前后涌水点涌水量对比表 m3

5 结语

针对裂隙发育导通的上覆含水层和采空区积水矿井涌水点，在已有水泥基注浆材料无法满足要求的情况下，选用塑性早强水泥浆，并配合分层注浆堵漏的施工工艺，将总涌水量由64 m3降至2.4 m3，有效解决了涌水带来的安全隐患，为类似条件下矿井集中涌水的防治提供了参考和借鉴。

[1] 袁东锋.塑性早强水泥复合浆液研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2009.

[2] 周兴旺.注浆施工手册[M].北京：煤炭工业出版社，2014.

The application of plastic early strength cement slurry in mine centralized water inflow prevention and control

Liu Yang

(Beijing China Coal Mining Engineering Limited Company, Beijing 100013, China)

According to the characteristics of a mine water inflow stratum, combining with the mine hydrology geology conditions, this paper analyzed the water inflow source and channel, proposed the use of plastic and early strength cement slurry made grouting amount water plugging and stopping, achieved good results, provided reference for the prevention and treatment of similar stratum water inflow.

mine water inflow, grouting water plugging material, plastic early strength cement slurry, water level elevation

1009-6825(2017)16-0096-03

2017-03-09

刘 洋(1988- )，男，助理工程师

TU528.042

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