倾斜厚煤层底板注浆改造技术在汾源煤业的应用

2021-08-10郝甲飞刘彦俊

陕西煤炭 2021年4期

郝甲飞，刘彦俊

(1.霍州煤电集团晋北煤业有限公司，山西霍州 031400；2.霍州煤电集团技术研究院，山西霍州 031400)

0 引言

汾源煤业5-101工作面为矿井+1 100 m水平首采工作面，走向长940 m，倾斜宽105 m，地面标高+1 560～+1 670 m，开采煤层为太原组5号煤层，煤层厚度约10.5 m，属于特厚煤层，开采方法为综采放顶煤，工作面底板标高+1 230～+1 300 m，低于奥灰静水位标高(奥灰静水位标高+1 466 m)，带压值1.66～2.36 MPa，5号煤层底板距下覆奥灰顶面平均间距为65 m，突水系数为0.036～0.046 MPa/m，小于0.06 MPa/m，位于带压开采安全区域。5-101工作面煤层整体为单斜构造，煤层走向N6°E，倾向西南，倾角为32°～42°，平均35°，属于高角度倾斜煤层。工作面掘进期间共揭露9条断层，落差<5 m的断层3条，落差5～10 m的断层4条，落差>10 m的断层2条。

5-101工作面主要含水层组为奥陶系中统石灰岩岩溶含水岩组、太原组、山西组砂岩、石灰岩裂隙含水岩组、二叠系、三叠系砂岩裂隙含水岩组以及第四系全新统砂砾石层孔隙含水层。其中,奥陶系中统石灰岩岩溶含水岩组是对本工作面影响最大的含水层组。

5号煤层底板与奥灰间主要岩性有煤层、泥岩、砂质泥岩、铝土泥岩、砂岩、灰岩等组成，泥岩类岩石占比较大，且松软破碎。

1 突水危险性分析

1.1 围岩多段松软、破碎

工作面附近施工有SW1、SW2和SW3水文钻孔，5号煤至奥陶系灰岩间岩层松软、破碎，泥岩所占比例达70%左右，泥岩抗压、抗剪强度小于砂岩1倍以上，即抵御底板奥灰水压的骨架刚性岩层力量不够，5号煤层底板至奥灰顶面下岩层岩石强度划分见表1。

表1 5号煤层底板至奥灰顶面下岩层岩石强度划分

1.2 临近矿井曾经出现过奥灰水淹井事故

临近矿井大远煤业开采上组煤(2号煤)，2号煤至奥陶系灰岩间距109～143 m之间，突水系数0.015～0.059 MPa/m。按突水系数理论和隔水层厚度不该发生突水事故，但该矿+1 200 m水平发生2次300 m3/h以上的底板奥灰突水，其中第2次属首采1201工作面突水量达1 390 m3/h，矿井被淹。5-101工作面与大远煤业矿井水文地质条件相似，5号煤层至奥陶系灰岩间距缩短至约65 m，已施工3个水文孔在揭露奥灰前见水，突水危险性更大。

1.3 地层完整性差

矿区地层为一整体走向SN，倾向W，倾角为20°～35°的单斜构造，工作面北部为一小型背斜构造，背斜轴走向大致N36°E。工作面揭露断层9条，其断层最大落差已达到20 m。断裂构造和褶曲构造的存在，使得地层完整性受到了较大破坏[1-5]。

1.4 煤层开采破坏深度大

由于煤层厚度大于10 m，属于特厚煤层，倾角较大(平均35°)，煤层开采后对底板破坏深度比水平薄煤层开采的破坏深度更大。5-101工作面有必要进行煤层底板注浆改造。

2 底板注浆改造设计

2.1 注浆改造目的

采用成熟的煤层底板含水层注浆改造技术对5-101工作面底板奥陶系灰岩用水泥浆进行注浆改造，使其变成隔水层或弱含水层，对煤层底板与奥陶系之间的破碎岩层进行加固，增强抗压强度，减少突水，确保工作面安全回采[6]。

2.2 设计内容

主要内容包括：钻场布置、钻孔结构、钻孔施工顺序、注浆系统、注浆方式、注浆材料、注浆参数、注浆顺序和注浆技术措施等。

初步设计6个钻场，79个钻孔，按设计的15%作为检查孔。

钻孔结构选用二级套管三级孔径，一级为孔口护壁管φ146 mm，至少穿过5号煤层底板下5 m以上；二级为止水套管φ108 mm，长度应根据岩层强度、水压、钻孔倾角等因素综合确定，但孔口管末端距离5号煤层底板垂距不小于15 m，注浆孔终孔孔径选择φ75 mm；套管管材一般选择DZ40普通地质管材，壁厚4.5 mm以上。根据现场施工情况可具体调节钻孔结构[7]。

注浆材料为水泥单液浆，水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥，单液水泥浆水灰比选择0.8∶1～1∶1(浓度为1.125～1.20 g/cm3)，注浆终压取受注含水层奥灰静水压的2～3倍，为确保扩散范围，选取注浆压力为7 MPa。注浆顺序为下行式逐段钻探逐段注浆、打一孔注一孔和交叉施工钻孔。

3 底板注浆改造施工

3.1 钻探工程

工程分3期施工，共施工140个钻孔(一期60个，二期63个，三期17个)，钻探进尺15 113 m。

一期注浆加固工程施工钻孔60个，注浆孔最大出水量200 m3/h，出水层位为奥灰，水压为3.2 MPa；二期注浆加固工程施工钻孔41个，最大出水量50 m3/h，出水层位为5号煤层底板43 m中砂岩，水压1.5 MPa，最大注浆量582.6 t；三期检验孔17个，钻孔最大出水量为7 m3/h，出水层位为奥灰顶面，水压为2.5 MPa，注浆量13 t。经过底板注浆加固后，底板破碎、裂隙带、导水断层和富水区域已被浆液填充，导水断层和含水层已被改造成不导水断层和隔水层；破碎、裂隙带得到加固，消除了底板的垂向导水通道，增加了底板的有效隔水厚度和岩层抗压强度[8]。

3.2 施工难点

开孔孔径146 mm，煤层厚度超过10 m，一级套管下设时容易塌孔，给现场施工带来很大困难，通过施工工艺优化和钻具改进，提高了施工进度。

在揭露奥灰之前的本溪组时有一层5～6 m厚的铝土泥岩，岩石中含有高岭石、蒙脱石等见水后膨胀矿物，钻头易糊，钻孔容易缩径，施工难度加大，通过加大水压和水量，提高钻进深度等方法，很好地避免了缩径埋钻等钻孔事故的发生[8-9]。

煤层底板5 m处有一层砂岩含水层，在一级套管未下设之前钻孔容易出水，在固结套管操作时对浆液的配比和浓度提出了很高要求，对套管固结质量产生较大影响，压水试验时出现反复，工序复杂。通过改进浆液配比和调整施工顺序等方法，把出水对施工的影响降到了最低。

3.3 注浆工程

地面集中建站、造浆，通过送料孔向井下管路送浆，利用注浆孔向含水层注浆，压力达到设计终孔压力7 MPa。注浆材料为PO 42.5普通硅酸盐水泥，浓度为1.125～1.20 g/cm3。

注浆要求边打边注，按下行分层、分段和见水即注(≥10 m3/h)法施工，注浆结束标准：达到设计终压，浆液流量在35 L/min以下，并持续20 min以上。

单孔最大注浆量注水泥2 231.4 t，三期钻探工程总注浆量14 051.52 t。

3.4 注浆效果检验

钻孔检查：检查孔布孔设计在物探和钻孔揭露的富水区域、施工钻孔的盲区，注浆质量相对较差的地段；采用多次施工检验原则，初次检查孔用水量超过10 m3/h时，对钻孔实施注浆加固，兼做补注孔使用；全部检验完成后，回采前做最后一次大样本抽检。检查孔布孔标准按照当水量大于5 m3/h时，要继续进行注浆改造，注后再检查，直至小于5 m3/h。

物探检查：在注浆改造之前先进行物探，注浆改造之后再进行物探比较，从而检查注浆改造的效果，其方法为瞬变电磁探测法、直流电法探测法和无线电波透视(即坑透)，共进行物探探测6次。

最终综合物探结果显示，5-101工作面煤层底板含水层注浆改造工程富有成效，但部分区域仍需要注意。后期对物探富水异常区进行了钻探验证，按照检验钻孔单孔出水量≤5 m3/h、注浆前的低阻异常区变为高阻或相对高阻区评价标准，注浆检验效果均达标[9-12]。