APP下载

粘土水泥浆在龙泉矿堵水工程中的应用研究

2021-02-26赵利涛

煤炭与化工 2021年1期
关键词:粘土水泥浆浆液

赵利涛

(河北煤炭科学研究院有限公司,河北 邢台 054000)

0 引 言

矿井水文地质条件是影响矿井安全高效生产的重要条件之一。我国北方煤系地层下部灰岩岩溶发育,裂隙分布,且强含水,在采动过程中底板破坏,极易形成导水通道,发生突水。为了煤矿的安全高效生产,通过对底板进行注浆改造,可以改善底板岩体强度,使本来的强含水层变成弱含水层或者隔水层,该方法既降低了成本,又保护了地下水环境。近些年来注浆技术快速发展,注浆材料呈现出多样化,由最初的单液水泥浆液发展到水泥水玻璃浆液,再到其它化学浆液,又发展形成了水泥粘土浆液。以太原娄烦龙泉煤矿4301 工作面为工程背景,针对煤层底板的水文地质特征及裂隙发育特征,对突水原因进行分析,科学合理使用粘土水泥浆,根据浆液在高压动水条件下的扩散规律,合理选择钻孔位置、注浆材料和注浆工艺,达到快速封堵导水通道的目的。

1 工程概况

太原煤气化龙泉能源发展有限公司位于娄烦县城北10 km 处,新舍科- 上龙泉- 下静游村一带,设计生产能力为400 万t/a。矿井主采4 号、7 号、9 号煤层,4 号煤层平均厚度6.47 m,7 号煤层平均厚度1.1 m,9 号煤层平均厚度11.68 m,主要煤种为气煤、肥煤,属于优质电煤和炼焦配煤,4号煤层受底板水害威胁。4301 工作面是4 号煤三采区第一个工作面,工作面走向长1 200 m,可采长度为715 m,倾向宽250 m,底板标高+525—+625 m,地面标高+1 186.2—+1 300.7 m,底板承受太灰水压达高5.4~6.4 MPa,据最近OW2 钻孔水位标高1 078 m,工作面切巷底板标高520 m,底板压力在5.53 MPa,4301 工作面底板隔水层承受奥陶系灰岩水压6.14~7.04 MPa。工作面回采后初次来压即发生底板涌水,最大值190 m3/h,最后稳定在180 m3/h。

2 注浆堵水机理及目的

2.1 注浆堵水机理

对岩体进行注浆的目的主要是堵水和加固,注浆技术发展的初期主要采用水泥浆液,随着注浆技术的发展及其对注浆材料的研究,注浆材料逐渐呈现多样化,此次注浆采用粘土水泥浆。粘土是一种抗蚀性材料,采用粘土水泥浆可以降低水泥消耗量,具有显著的经济性,改革了注浆工艺,提高了施工效率。

粘土水泥浆是由粘土浆、水泥、水玻璃组成的悬浊液,稳定性高、流动渗透性好,具有粘性、塑性、弹性三态变化规律,粘土水泥浆三态变化是其成功堵水的内因,在粘性状态下浆液具有良好的悬浮稳定性、流动性和扩散性;塑性强度增加可防止浆液沿单一裂隙超扩散,防止地下水渗透、稀释;弹性状态保证形成密实的堵水帷幕。

2.2 注浆工程目的

结合4301 工作面地质条件,通过水量、水压、水质注浆前后变化数据分析,认为出水通道为隐伏导水裂隙带,出水原因为回采导致底板破坏,底板裂隙与隐伏导水裂隙带导通。出水水源为太原组K3、L3、L2、L1 含水层组、9 煤底板K1、本溪灰岩含水层、奥陶系灰岩含水层多种水源参与的混合水源。此次底板水害探查治理钻探注浆工程的目的为快速封堵4301 工作面出水点,减少工作面涌水,满足工作面恢复生产的条件。

根据治理目的,此次工程主要任务是快速封堵涌水点,尽快减少或消除工作面底板涌水,减水率达到80%以上。

3 工程实践

3.1 钻探施工方案设计

依据4301 工作面现场地质条件,结合注浆堵水机理及注浆工程目的,对钻探施工方案进行设计。

工程为高压动水注浆堵水,钻孔布置在采空区出水区域附近,受采空底板破坏、矿压超前破坏和出水动压破坏多重影响,还要考虑钻孔后期高压注浆时的安全施工,必须对钻孔结构进行科学合理设计,保证钻探注浆工程安全实施,避免发生次生灾害。

最终确定施工钻孔个数为15 个,其中辅运巷1 号钻场2 个钻孔,2 号钻场4 个钻孔;胶带巷3号钻场4 个钻孔,4 号钻场5 个钻孔,设计总进尺2 514 m,4301 工作面设计钻孔布置如图1 所示。

图1 4301 工作面设计钻孔布置Fig.1 4301 working face design drilling layout

3.2 注浆工艺

3.2.1 粘土水泥浆的制作

先按照制纯粘土浆的工艺流程把粘土制成精浆储存在精浆池。制浆时,把粘土精浆、水按设计的重量比送入高速制浆机,把水泥也按照设计的重量比送入高速制浆机。配料完成后系统自动制浆,2~3 min 即可,将制好的粘土水泥浆送入储浆池。

3.2.2 注浆方式

此次注浆采用下行注浆,注浆改造工程应分序次施工,按照先疏后密、中间插补、相邻钻孔不得同时施工、同时注浆的原则方案。一般分3 个序次,每个序次按总工程量的30%控制,剩余10%按检查孔使用。在实体煤区域底板较完整块段施工的钻孔,注浆终压采用底板岩溶含水层静水压力的1.5 倍,注浆结束泵量规定为5 m3/h,即当泵量为5 m3/h 左右时达到上述注浆结束压力,视为达到注浆结束标准。结束注浆,注水泥进行封孔。

4 注浆效果评价

4.1 单孔注浆效果分析

采用吨水干料值来量化分析单孔注浆效果,钻孔的吨水干料值即单孔注浆量和单孔涌水量的比值,一般认为这个比值越大,注浆效果越好。从表1 可以看出,2-0、4-2、4-6 钻孔注浆吨水干料值均在10 以上,反应出这几个钻孔在注浆堵水中效果相对较好,在堵水中起到的作用也相对较大。

表1 4301 工作面注浆堵水钻孔吨水干料值计算Table 1 Calculation of tons of water dry material value of grouting water plugging hole on 4301 working face

4.2 整体注浆堵水效果分析评价

在现场施工过程中,最终施工钻孔个数为15个,实际总进尺2 547 m,累计注浆17 668.13 m3,总干料3 926.611 t,其中水泥2 212.052 t、粘土1 714.559 t。分3 次进行注浆,最后井下注水泥1 t封孔。

根据矿地测部门提供的工作面排水资料,4301工作面底板涌水量在堵水前一周平均182.14 m3/h,到2018 年8 月19 日,4301 工作面底板水量在32 m3/h,注浆堵水率82%,如图2 所示。达到了预期目的,4301 工作面于2018 年9 月12 日恢复生产。

图2 4301 工作面周涌水量注浆堵水变化曲线Fig.2 Variation curve of grouting water plugging with weekly water inflowat 4301 working face

5 结 论

(1) 粘土水泥浆粘性、塑性、弹性三态变化是其成功堵水的内因,为提高堵水效果,需要依据现场地质条件,结合注浆堵水机理及注浆工程目的,对钻探施工方案进行设计。

(2) 采用粘土水泥浆对4301 工作面进行注浆治理,单孔注浆效果良好,整体注浆堵水效果明显,最终工作面底板水量在32 m3/h,注浆堵水率82%,达到了预期目标,保障了工作面的安全回采,为类似工作面的堵水工程提供了借鉴。

猜你喜欢

粘土水泥浆浆液
胰腺实性浆液性囊腺瘤1例
脱硫系统用浆液循环泵汽蚀分析
粘土成了治理赤潮的利器?
低温早强低水化放热水泥浆体系开发
误诊为中心性浆液性脉络膜视网膜病变的孤立性脉络膜血管瘤1例
粘土玫瑰DIY
粘土多肉萌萌哒
水泥浆防窜流主要性能探讨
化学溶蚀作用下红粘土微细结构的变化规律
粉煤灰掺量对水泥浆体电阻率与自收缩的影响