常德青峰煤礦四號井三水平二采區(qū)地面鉆孔注漿堵水工藝

王 亮

(安徽省煤田地質局水文勘探隊,安徽宿州 234000)

湖南省常德青峰煤礦年生產(chǎn)能力 18萬噸,四號井三水平二采區(qū)在 -473m水平煤巷掘進時發(fā)生煤層頂板突水,突水時間 2009年 5月,突水量 600m3/h,加上采區(qū)原坑道涌水量 200 m3/h,采區(qū)總涌水量 800m3/h左右,出水量超過礦井下排水能力致使 -453m水平以下淹井。為了盡快消除此水患,青峰煤礦利用地面鉆孔注漿技術,從 2009年 9月至 2010年 7月,共計施工注漿堵水鉆孔 4個,累計工程量為2 245.58m,投入骨料14393m3,注入水泥2 560 kg,堵水率近100%。

礦區(qū)主采煤層之上為棲霞組,其下部為泥灰?guī)r隔水層,中、上部為棲霞組灰?guī)r含水層厚 25m。茅口組下段炭質硅質泥巖隔水層,整合于棲霞組上部灰?guī)r含水層之上。突水點附近的構造主要由熊家灣逆斷層,斷層深度約 320m,走向近南北,傾向西,傾角 50°,落差 15～20m,該斷層不導水。突水點附近地層傾角 20～40°。

1 突水因素分析

青峰煤礦四號井為大水礦井,井田水文地質條件屬復雜類型。由于該礦主采煤層之上為棲霞組,巖性大部分為石灰?guī)r,且溶洞裂隙發(fā)育,富水性強,含水層間水力聯(lián)系密切。茅口組下段炭質硅質泥巖隔水層平均厚 42m,整合于棲霞組上部灰?guī)r含水層之上。具井下開采實際觀察資料,導水裂隙帶最大高度為 58.76m,大于棲霞組下部隔水層厚度 8.28 m,因此棲霞組中上部灰?guī)r含水層為該次突水的主要水源。

2 堵水方案的提出

自從 -473m水平煤巷掘進時發(fā)生煤層頂板突水,致使-453m水平以下被淹后。嚴重影響礦井正常生產(chǎn),為了盡快消除此水患,青峰煤礦組織施工隊伍采用地面打鉆灌注漿、投添骨料等方法,采取堵住突水點、封堵導水通道的堵水方法治理水害。

2.1 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔布置合理與否,直接影響著注漿堵水效果。經(jīng)研究決定在突水區(qū)范圍內布設 4個注漿孔,其中注 1孔設計孔深 560m,布置在采空區(qū)預留煤柱附近,對采空區(qū)充填砂石骨料并注漿;注 2孔和注 3孔設計孔深 570m,鉆孔進入巷道附近,采用蓋帽的方法充填砂石骨料,減緩突水量流出;注 4孔設計孔深 560 m,用大的砂骨料充填采空區(qū)突水點,并注漿封堵突水點灰?guī)r水向巷道涌水,達到徹底解決出水的目的。

2.2 注漿鉆孔結構

松散層厚約 19m左右,孔徑 φ500mm,下置 φ273mm套管護壁,孔壁與套管之間用水泥封閉固管。16～520m深度,孔徑 φ215.9mm,下置 φ168mm注漿套管,管外均采用水泥固管,520～570m段裸孔,孔徑 φ142.5 mm,(巷道煤層頂板上留 3～5m)為注漿段,注漿結束后再鉆進至巷道,對巷道內進行注漿。

2.3 注漿工藝

2.3.1 注漿材料

骨料據(jù)情況依次選用:粉砂、細砂、中粗砂、φ10 mm米石、φ10mm～φ30mm公分石等。水泥采用散裝 32.5普通硅酸鹽水泥,其它材料有工業(yè)鹽和三乙醇胺。

2.3.2 壓水試驗

注漿前沖孔后需做壓水試驗,通過注前壓水,疏通受注層段巖溶裂隙,取得注漿段的吸水量,為注漿及漿液配比提供依據(jù)。注漿后壓水試驗,目的是沖洗管路,以利于掃孔和復注。

2.3.3 注漿結束標準

(1)采用水泥漿單液注漿,當注漿壓力達到終壓及注入量達到 50～60l/m in時,繼續(xù)以同樣的壓力,以較稀的漿液注入時間 20～30m in注漿合格,注入時間 30m in以上優(yōu)質。

(2)采用水泥 -水玻璃漿雙液注漿,當注漿壓力達到終壓及注入量達到 100～120L/m in時,繼續(xù)注入時間 10～15 m in注漿合格,15m in以上注漿達到優(yōu)質。

2.3.4 注漿方式

地面鉆孔注漿方式有分段下行壓入式,分段上行壓入式和上下結合式三種,通常注單液水泥漿多采用下行式。根據(jù)本次注漿孔的地質、水文地質條件及所注漿液種類,并減少止?jié){程序,四個注漿孔都采用下行壓入式注單液水泥漿,這樣易于判斷各段吸漿量的大小,對分析突水通道及堵水效果有幫助。

2.3.5 注漿段劃分

本次注漿主要是對采空區(qū)段,目的是充填采空區(qū)突水點,對突水區(qū)煤層底板起到充填蓋帽和加固作用。另外通過壓力注漿對冒落帶裂隙也起到充填加固作用,從而徹底切斷水源。

2.3.6 投骨料

1)投骨料的目的

投骨料的目的是充填采空區(qū),增大水流阻力,變管道流為滲流,對出水區(qū)的采空區(qū)起到充填蓋帽的作用,減少注漿時跑漿。骨料能否對采空區(qū)充填完整是本次工程成功的關鍵。其工藝流程如圖 1所示。

圖1 投骨料工藝流程

2)骨料粒徑的選擇

骨料粒徑的大小要根據(jù)注砂孔本身的條件來決定,前期采空區(qū)冒落裂隙較多,因此以粉砂、細砂、中粗砂為主;中期采空區(qū)空間大,大多為管道流,通道水流大,這時以米石和公分石為主,防止細小砂礫被水沖跑造成不必要的浪費;后期管道流已改變?yōu)闈B流,因此以粉砂、細砂為主,主要是充填中期投入大顆粒骨料間的裂隙;注砂的水砂比均較大為 35:1,目的就在于使砂子能盡可能大范圍充填采空區(qū)。具體如注 4號孔,該孔正好處于突水點水流向機巷的通道上,因此,以注直徑大于1 cm的瓜子片為主,而注 1、注 2、注 3孔以空隙、裂隙為主,為了避免大顆粒砂堵孔并盡可能地大面積充填老塘,以直徑小于10mm的巨粗砂為主。骨料大小有粉砂、細砂、中粗砂、φ10mm米石、φ10mm～φ30mm公分石。

以上四孔投骨料后堵水效果非常明顯。主要原因有以下兩個方面:(1)注砂孔均按設計要求完工,終孔均在預想靶區(qū)。(2)注砂量充足,實際注入砂骨料14393 m3,把采空區(qū)完全充填死,起到對采空區(qū)充填蓋帽的作用,改變水管流為水滲流,以便注漿加固,減少跑漿的目的。

2.3.7 注漿

1)漿液配置:漿液濃度是注漿質量的關鍵,每次注漿前要做壓水試驗,根據(jù)注漿段的吸水量確定漿液配比,一般情況下開始漿液較稀,根據(jù)壓力情況逐漸加大濃度,直至注漿壓力上升。

2)水灰比與水泥量的換算與統(tǒng)計

漿液濃度用水與灰量量之比 W/c表示,而現(xiàn)場直接用比重計測量出的是漿液比重 d2,因此,須用下式求出水灰比。

W/c=(d1-d2)/d1(d2-1)

式中 d1為水泥比重(kg/cm3)(現(xiàn)場使用復合硅酸鹽水泥 32.5級,比重取值為 2.8 kg/c m3)

表一 漿液水灰比(W/c)與漿液比重(d)換算表

水灰比求出后根據(jù)下式求出單位時間注入水泥量:

W c=d2×V/(1+w/c)

式中:W c為單位時間水泥的注入量(m3/h);d2為漿液比重(kg/c m3);v為單位時間進漿量(m3/h);

3)水灰比的確定:對于某一具體注漿孔的具體受注層段來說,則要根據(jù)壓水試驗確定的單位吸水量值選用漿液性質和水灰比值。單位吸水量由下式求得:

q=Q/(H1-H0)

式中:Q為壓水水壓穩(wěn)定時的壓水量(l/m in);q為單位水頭下的壓水量(l/m in?m);H0為鉆孔壓水前水位值(m);H1為壓水穩(wěn)定時水位值(如孔口有壓力則應孔口壓力與孔口標高之和)(m)

在注漿過程中如孔口逐漸升壓,應改變水灰比降低將液濃度,直到最后達到結束標準。

4)注漿

壓水結束后,選擇合適水灰比與泵量開始注漿。注漿孔在注漿初期注漿時,應下井觀察是否跑漿,其它鉆孔同時觀測水位變化,檢查是否有串漿現(xiàn)象,根據(jù)注漿效果確定合適的漿液配比及注漿時間。注漿后期,如鉆孔屬于緩慢正常升壓,則應連續(xù)注。如孔口壓力達到結束標準 3.0M pa。則應依次把泵量由 4檔─→3檔─→2檔變化。如注漿泵泵量為二檔(80升/分)孔口仍有 3.0 Mpa的壓力,則需向孔內壓水,把孔中漿液壓入受注層段內,本受注層段注漿結束。如孔口屬不正?？焖偕龎?應停止注漿,檢查原因清除故障,下次再注。

5)注后壓水:注漿結束后,立即向注漿孔中壓水。壓水量略大于鉆孔體積與管路體積之和,其目的在于沖洗注漿泵、管路,把孔中漿液壓入注層中,以減少水泥的浪費,也有利于掃孔,同時保持裂隙通暢以利于下次再注。如果壓水時,注漿孔孔口無壓或壓力不大,則根據(jù)鉆孔體積,略多一些水量即可安全地把漿液壓入受注段中。但注漿后期,孔口壓力升高時,一定要控制好壓力及壓水量。當壓水時空口壓力超過3 Mpa時,應停止壓水,卸掉孔口裝置進行透孔,透孔后在壓水,如孔口壓力仍大于3 Mpa,則可結束注漿,不可強行加壓壓水。這是由于注漿段為裂隙發(fā)育,或是有投入骨料組成的砂層,剛注完漿后強度不高,高壓注水會鼓破剛完漿的層段,擴大通道面積,可能造成突水量增大。

6)單孔結束標準

注漿壓力的大小直接影響到灰漿擴散距離與有效充填范圍以及水泥被在實的程度。為使灰漿擴散范圍適當,既不可將注漿壓力定的太低,以免造成漏注,也不可將壓力的過高,致使灰漿擴散過遠,甚至增加新的裂隙,出現(xiàn)新的突破口,增加水泥消耗量,注漿總壓是由鉆孔內漿柱自重壓力和通過注漿泵產(chǎn)生的壓力兩部分組成 ,計算公式如下:

P0=pm+(H.r-h)/100

式中:P0為注漿總壓力(Mpa);pm為孔口壓力(M pa);H為孔口至注漿段 1/2處的高度(m);r為漿液比重(kg/cm3);h為注漿前注漿段 1/2(主要含水層)的水柱高度(m)

根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗及本次突水的特點及受注層的巖性特征,孔口壓力達到3Mpa可認為該孔壓力達到結束標準。

3 注漿效果

工程施工至 2010年 7月,由注 4孔投大骨料完成了突水攔截,井下水量明顯減少,然后在通過投入細砂對大骨料之間裂隙充填,基本上達到了堵水效果,再有注漿加固,根據(jù)井下觀察及鑒定,工程總堵水率近 100%,堵水工程已達優(yōu)質標準。至此,本工程累計完成工程量為2 245.58 m,投入骨料14 393 m3,注入水泥2 560 kg,注漿量3 320m3,工程順利通過專家組驗收。

注漿堵水工程是青峰煤礦組織的大型堵水工程,從鉆探到注漿,包括所需材料總投資大約在九百萬元左右。但是收回投資成本僅節(jié)約電費一項只需要 11個月時間,并且通過本次堵水工程,徹底切斷水源,根治水患,保證了礦井的正常生產(chǎn)。同時也減少了煤礦自身的負擔,提高了煤礦的經(jīng)濟效率,為礦職工贏得了福利,也為地方財政提供了來源,從而推動了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。

[1]王建學,萬建倉,沈慧.鉆井工程.石油工業(yè)出版社.2008.

[2]張正浩.煤礦水害防治技術.煤炭工業(yè)出版社.2010.

[3]淮北礦物局楊莊煤礦注漿堵水技術總結.