北辛窑14 采区井下巷道注浆堵水技术的应用研究

罗 刚

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037000）

北辛窑煤矿位于宁武煤田北端、朔南矿区东南部，属于同煤集团的在建主要矿井之一。矿井东西宽11.09km，南北长12.59km，面积53.29km2。矿井设计生产能力为4.00Mt/a，主采煤层为太原组2、5、6 号煤层，目前主要采掘2 号、5 号煤层。

为加快对煤炭资源的利用，该矿在南翼皮带大巷东侧开始进行14 采区皮带下山巷的掘进工作。该巷道沿-15°掘进，目前已掘进完成239m。在巷道222m 左帮探水硐室施工了5 个钻孔，其中4 个钻孔出水，水量12～42m³/h 不等，结果如表1 所示。根据水文地质资料分析，该出水水源为2 号煤层顶底板砂岩水及奥灰水。

根据对煤矿井下巷道内突水情况的分析，提出了一种新的注浆堵水技术。为了确保堵水的可靠性和效率，以P.O42.5 普通硅酸盐水泥为注浆堵水的材料[1]，注浆时可根据实际注浆情况依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1 等级别进行浆液稀稠调节，满足不同区域内的灌浆要求。实际应用结果表明，该注浆堵水方案与北辛窑传统井下堵水墙施工方案相比，施工效率提升了11.4%，施工成本降低了7.5%，具有效率高、成本低、可靠性好的优点，具有较高的应用推广价值。

表1 超前探钻孔涌水量情况表

1 注浆孔钻探

注浆钻孔布置如图1 所示。计划在14 采区回风下山迎头位置施工注浆钻孔，总体布置钻孔29个，呈扇形布置。1～25 号孔为帷幕注浆孔，26～29号孔为防止锚索出水注浆孔。钻孔参数如表2 所示。1～25 孔布置方式为：剖面上，钻孔底层钻孔编号为1～5#，终孔位置为底板下5m，每排钻孔保持终孔4m 间距，共布置5 排孔，顶部钻孔终孔位置为巷道顶板上7.6m；平面上，巷道左帮钻孔编号1#、6#、11#、16#、21#，终孔位置为左帮外侧6m，每竖排钻孔保持终孔4m 间距，共布置5 竖排，巷道右帮钻孔终孔位置为巷道右帮外侧6m。

图1 井下巷道注浆钻孔布置结构示意图

由于本次施工止水套管径Ф108mm，14 采区的出水水源基本为砂岩水及奥灰水，水压约为0.6～2MPa，根据《煤矿防治水细则》[2]规定，当1.0MPa ≤水压＜2.0MPa 时，止水套管长度应大于10m，因此本次止水套管长度取10m，端部与4 寸法兰盘焊接。

为有效防止浆岩帽及注浆压力对大巷围岩造成影响，各孔内套管的安装长度暂定为10m。套管安装时用钻机顶入孔内，然后通过注浆充填套管与孔壁之间的缝隙，待浆液凝固后（大约48h）以达到固定套管的目的，如图2 所示。

图2 孔口套管安装结构

为了确保注浆孔钻孔的安全性和效率，本次对钻孔施工的基本工序进行了规范。钻孔前首先由测量人员按设计要求进行标定，然后进行钻机的固定并下入直径Φ108×4.5mm 的套管10m。下管后42.5 水泥，按水灰比0.5:1，进行密封，水泥的凝固时间不少于24h。水泥浆凝固后扫孔，其深度超过封孔管长度0.5m 后，退出钻具，安装孔口闸阀，利用泥浆泵向孔内压水进行孔口管耐压检查。试验孔内压力能达到4MPa，保压30min 压降小于0.5MPa，则说明孔口管封孔合格，否则需重新加注水泥浆。其施工工艺流程可表示为钻孔定位→开孔钻进至孔口管设计深度→下入孔口管注浆封闭→变径钻进→钻进过程中遇水注浆→浆液凝固透孔钻进直至设计层位注浆完成→封孔→交验。

表2 钻孔尺寸汇总表

2 注浆堵水

注浆堵水时需要密封材料具有快速凝固和高强度的性能，传统的高强度快干水泥材料成本高，因此项目组经过多次试验验证后首次选择了P.O42.5普通硅酸盐水泥为注浆堵水的材料。根据注浆需要可采用水泥水玻璃双液浆，采用模数为2.4～3.4，浓度为30～45 波美度对水泥材料进行混合，提高注浆堵水时的可靠性[3]。

井下注浆系统由于受井下作业条件所限，制浆系统可简化由泥浆泵、搅拌机以及其他辅助设施组成，并根据现场堵水需要添加水玻璃等速凝材料和骨料。注浆孔孔口要安设耐震压力表，不低于10MPa。注浆前要对注浆管路进行耐压试验，试验压力不得低于6MPa，持续时间不得低于30min，发现漏水及时更换。

在注浆过程中，采用分段下行式注浆法，孔口止浆方式，连续与间歇相结合。当钻孔钻进过程中出现涌水且涌水量小于10m3/h 时，钻孔施工至终孔进行注浆；如钻进过程中涌水量大于10m3/h，则可随时停止钻进而启动注浆。在注浆的过程中只要未达到全孔注浆结束标准，每次注浆后均须压水，若压不进水，则下钻具进行透、扫钻孔至孔底，以便下次再注。单液浆在停注后8h 内开始扫孔。如果注浆材料为双液浆，则停注后待孔口压力归零立即扫孔。

浆液水灰比可根据临近注浆钻孔浆液参数进行比配，各钻孔可根据实际注浆情况依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1 等级别进行浆液稀稠调节[4]，首次开注水灰比可采用1:0.4 比级。当注浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而注浆压力持续升高时，不得改变水灰比。当某一级浆液注入时间已达1h，而注浆压力和注入率均无显著改变时，更换浓一级水灰比浆液灌注，或根据施工具体情况，越级变浓。注浆过程中，注浆压力（突然掉压）或注入率（突然增大）改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施处理。

在进行灌浆时需注意控制注浆压力，注浆压力可表示为：

P0-注浆前的静水压力，实测为2MPa。

确定本次终止注浆压力为6MPa。

在不揭露大溶洞或陷落柱的情况下，注浆量按下式估算：

V=L×K×δ×ξ×η×H/ω

L-注浆范围长度，有效注浆长度约65m；

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K-注浆范围宽度，30m；

H-受注层段厚度，取值30m；

η-受注层孔隙率，取值0.5%；

ξ-充填率，取值90%；

ω-浆液结石率，取值75%；

δ-流失系数，取值1.5。

参数带入计算后，得钻孔注浆量V 约为526m3，需水泥约500t。实际应用结果表明，该注浆堵水方案与北辛窑传统井下堵水墙施工方案相比，施工效率提升了11.4%，施工成本降低了7.5%，具有效率高、成本低、可靠性好的优点。

3 结论

针对北辛窑14 采区井下巷道涌水量大，长期维持排水设备的运行不仅极大地增加了矿井排水系统的排水负担而且极大地影响煤矿井下综采作业安全的现状，结合煤矿井下实际地质条件，提出了一种新的注浆堵水技术方案，对积水区域进行注浆堵水。实际应用表明：

（1）该堵水方案操作工艺简单，堵水效果良好，不仅降低了综采作业过程中的出水量，而且确保了井下综采作业的安全性。

（2）注浆堵水时选择P.O42.5 普通硅酸盐水泥为注浆堵水的材料，具有快速凝固和高强度的性能。

（3）在注浆过程中，采用分段下行式注浆法，孔口止浆方式，连续与间歇相结合，能够有效确保堵水的效果。

（4）该方案与北辛窑传统井下堵水墙施工方案相比，施工效率提升了11.4%，施工成本降低了7.5%，具有效率高、成本低、可靠性好的优点。