常德青峰煤礦地面鉆孔注漿堵水實(shí)踐

王 強(qiáng)

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽宿州 234000)

常德青峰煤礦地面鉆孔注漿堵水實(shí)踐

王 強(qiáng)

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽宿州 234000)

簡(jiǎn)要分析了湖南常德青峰煤礦突水礦井的水文地質(zhì)條件、突水因素，編制了注漿堵水方案，闡述了注漿堵水過(guò)程中注漿段的劃分、漿液的配置、注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)等工藝流程及所取得的成果。

礦井突水;地面鉆孔;注漿堵水

鉆孔注漿是礦山防治水最重要的手段之一，它是將水泥、水玻璃、化學(xué)材料及固體材料制成漿液壓入預(yù)定地點(diǎn)，使其擴(kuò)散、凝固、硬化后起到攔截地下水補(bǔ)給水源;加固巖層薄弱地層段，堵塞導(dǎo)水通道，起到減少突水概率或降低突水點(diǎn)涌水量作用。其主要應(yīng)用在礦井突水的恢復(fù)治理，井筒預(yù)注漿加固處理及薄含水層的注漿改造和帷幕注漿等。

鉆孔地面注漿堵水是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工程，涉及到地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造、物探、鉆探、材料等多方面內(nèi)容。筆者結(jié)合湖南常德青峰煤礦鉆孔注漿堵水實(shí)踐，總結(jié)采用地面鉆孔注漿治理礦井突水的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

湖南常德青峰煤礦年生產(chǎn)能力18萬(wàn)t，2009年5月4日，四號(hào)井三水平二采區(qū)在473 m水平煤巷掘進(jìn)時(shí)發(fā)生頂板突水，突水量600 m3/h，總涌水量800 m3/h，出水量超過(guò)礦井排水能力，致使－453 m以下淹井。為消除隱患，恢復(fù)生產(chǎn)，2009年7月2日～2010年7月27日，由我隊(duì)組織實(shí)施了青峰煤礦3208工作面注漿減水工程。共施工鉆孔4個(gè)，累計(jì)工程量2245.58 m，投入骨料14393 m3，注入水泥2560 t，堵水率達(dá)100%。

2 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)鉆孔資料，礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育地層有第四系、三疊系、二疊系、泥盆系等，主要構(gòu)造為近南北走向、傾向西南、傾角50°、落差15～20 m的熊家灣逆斷層。地層傾角20°～40°。

2.1 地質(zhì)情況

(1)第四系:由黃色粘土、灰?guī)r礫石組成，厚度19 m左右。

(2)三疊系(T1dy):厚40 m左右，由白云質(zhì)、泥質(zhì)石灰?guī)r組成。

(3)二疊系(P)。

上二疊(P2):厚度80 m左右，由長(zhǎng)興組、吳家坪組組成，巖性主要以灰色～深灰色灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r組成，致密堅(jiān)硬，含隧石結(jié)核。

下二疊(P1):茅口組上段(P1m3)，厚45 m左右，由灰?guī)r及硅質(zhì)灰?guī)r組成，堅(jiān)硬;茅口組中段(P1m2)，厚85 m左右，由灰?guī)r組成，堅(jiān)硬，裂隙巖溶發(fā)育;茅口組下段(P1m1)，厚240 m左右，由灰?guī)r組成，質(zhì)純，致密，堅(jiān)硬，裂隙巖溶發(fā)育;棲霞組(P1q2)，厚45 m左右，由灰?guī)r組成，致密，堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育;梁山組(P1l1)，厚5 m左右，由灰?guī)r、粉砂巖及煤組成，為該礦井主要可采煤層。

(4)泥盆系上統(tǒng)，黃家澄組(D3h)，厚度＞50 m，由紫紅色、中厚層狀石英礦巖組成。

2.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)主采煤層之上為棲霞組，其下部為泥灰?guī)r隔水層組，中上部為茅口組灰?guī)r含水層。茅口組下段硅質(zhì)泥灰?guī)r隔水層，整合于棲霞組上部含水層之上，裂隙發(fā)育，突水點(diǎn)附近是熊家灣逆斷層。

3 突水因素分析

青峰煤礦四井為大水礦井，井田水文地質(zhì)條件屬?gòu)?fù)雜類型。由于主采煤層之上為棲霞組，大部為灰?guī)r組成，且溶洞裂隙較發(fā)育，富水性強(qiáng)，含水層之間水力聯(lián)系密切。茅口組下段灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖隔水層平均42 m，整合于棲霞組上部灰?guī)r含水層之上。據(jù)井下實(shí)際開(kāi)采資料，導(dǎo)水裂隙最大高度為58.76 m，大于棲霞組下部隔水層厚度，因此棲霞組中上部灰?guī)r含水層是本次突水的主要水源。各灰?guī)r含水層間無(wú)明顯隔水層，裂隙發(fā)育，水力聯(lián)系密切，構(gòu)成了主要突水通道。

4 堵水方案設(shè)計(jì)

4.1 鉆孔的布置

地面鉆孔的布置直接影響注漿堵水效果，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析，決定在突水區(qū)布置4個(gè)注漿孔，設(shè)計(jì)進(jìn)尺2260 m，其中注1孔設(shè)計(jì)孔深560 m，布置在采空區(qū)預(yù)留煤柱附近，對(duì)采空區(qū)填骨料并注漿;注2、注3孔設(shè)計(jì)孔深570 m，布置在巷道附近，采用蓋帽廣泛充填骨料，減緩?fù)凰鞒?注4孔設(shè)計(jì)孔深560 m，布置在突水點(diǎn)附近，用骨料充填采空區(qū)，注漿封堵突水點(diǎn)灰?guī)r水。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

第四系地層厚度19 m，孔徑500 mm，下入φ273 mm護(hù)壁管，并用水泥固井;19～520 m，孔徑215.9 mm，下入φ168 mm注漿管，并用水泥固井;520～570 m，孔徑142.5 mm，為注漿段，巷道頂板預(yù)留3～5 m，上段注漿結(jié)束后鉆進(jìn)巷道，對(duì)巷道進(jìn)行注漿(見(jiàn)圖1)。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)采用水泥漿單液注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓及注入量達(dá)到50～60 L/min時(shí)，繼續(xù)以同樣的壓力，以較稀的漿液注入20～30 min為注漿合格，注入30 min以上為優(yōu)質(zhì)。

(2)采用水泥－水玻璃漿雙液注漿，注漿壓力達(dá)到終壓及注入量達(dá)到100～120 L/min時(shí)，繼續(xù)注入10～15 min為注漿合格，注入15 min以上達(dá)到優(yōu)質(zhì)。

(3)注漿壓力的大小直接影響到漿液擴(kuò)散距離與有效充填范圍。為使?jié){液擴(kuò)散范圍適當(dāng)，既不可將注漿壓力定的太低，以免造成漏注;也不可將壓力定的過(guò)高，致使?jié){液擴(kuò)散過(guò)遠(yuǎn)，甚至增加新的裂隙，出現(xiàn)新的突水口，增加水泥消耗量。

注漿總壓是由鉆孔內(nèi)漿柱自重壓力和通過(guò)注漿泵產(chǎn)生的壓力2部分組成，計(jì)算公式如下:

式中:P0——注漿總壓力，MPa;pm——孔口壓力，MPa;H——孔口至注漿段 1/2 處的高度，m;γ——漿液密度，kg/L;h——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(yàn)及本次突水的特點(diǎn)和受注層的巖性特征，孔口壓力達(dá)到3 MPa可認(rèn)為該孔壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 注漿方式

根據(jù)本次注漿孔的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及所注漿液種類，并減少止?jié){程序，4個(gè)注漿孔都采用下行壓入式注單液水泥漿。

4.5 注漿段劃分

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

4.6 投骨料

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(duì)出水區(qū)的采空區(qū)起到充填蓋帽的作用，減少注漿時(shí)跑漿。骨料能否對(duì)采空區(qū)充填完整是本次工程成功的關(guān)鍵。

骨料粒徑的大小要根據(jù)注砂孔本身的條件來(lái)決定，前期采空區(qū)冒落裂隙較多，因此以粉砂、細(xì)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(shí)以φ10 mm米石和φ10～30 mm公分石為主，防止細(xì)小砂礫被水沖跑造成浪費(fèi);后期管道流已改變?yōu)闈B流，因此以粉砂、細(xì)砂為主，主要是充填中期投入大顆粒骨料間的裂隙。

4.7 注漿

4.7.1 漿液配置

漿液濃度是注漿質(zhì)量的關(guān)鍵，每次注漿前要做壓水試驗(yàn)，根據(jù)注漿段的吸水量確定漿液配比，一般情況下開(kāi)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。

4.7.2 水灰比與水泥量的換算與統(tǒng)計(jì)

漿液濃度用水與灰量之比w/c表示，而現(xiàn)場(chǎng)直接用密度計(jì)測(cè)量出的是漿液密度d2，因此，須用下式求出水灰比Wc。

式中:d1——水泥密度，現(xiàn)場(chǎng)使用32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，取值為2.8 kg/L。

根據(jù)下式求出單位時(shí)間注入水泥量:

式中:Wc——單位時(shí)間水泥的注入量，m3/h;d2——漿液密度，kg/L;V——單位時(shí)間進(jìn)漿量，m3/h。

4.7.3 水灰比的確定

對(duì)于某一具體注漿孔的具體受注層段來(lái)說(shuō)，則要根據(jù)壓水試驗(yàn)確定的單位吸水量值選用漿液性質(zhì)和水灰比值。單位吸水量由下式求得:

式中:Q——壓水水壓穩(wěn)定時(shí)的壓水量，L/min;q——單位水頭下的壓水量，L/(min·m);H0——鉆孔壓水前水位值，m;H1——壓水穩(wěn)定時(shí)水位值(如孔口有壓力則應(yīng)孔口壓力與孔口標(biāo)高之和)，m。

在注漿過(guò)程中如孔口逐漸升壓，應(yīng)改變水灰比降低漿液濃度，直到最后達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4.7.4 注漿

壓水結(jié)束后，選擇合適水灰比與泵量開(kāi)始注漿。在注漿初期，應(yīng)觀察是否跑漿，其它鉆孔同時(shí)觀測(cè)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(shí)間。注漿后期，如鉆孔屬于緩慢正常升壓，則應(yīng)連續(xù)注漿。如孔口壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)3.0 MPa，則應(yīng)依次把泵量由4擋→3擋→2擋變化。如注漿泵泵量為2擋(80 L/min)孔口仍有3.0 MPa的壓力，則需向孔內(nèi)壓水，本受注層段注漿結(jié)束。如孔口屬不正?？焖偕龎?，應(yīng)停止注漿，檢查原因清除故障，下次再注。

4.7.5 注后壓水

注漿結(jié)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(fèi)，也有利于掃孔，同時(shí)保持裂隙通暢以利于下次再注。如果壓水時(shí)注漿孔孔口無(wú)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(shí)，一定要控制好壓力及壓水量。當(dāng)壓水時(shí)孔口壓力＞3 MPa時(shí)，應(yīng)停止壓水，卸掉孔口裝置進(jìn)行透孔，透孔后再壓水，如孔口壓力仍大于3 MPa，則可結(jié)束注漿，不可強(qiáng)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(qiáng)度不高，高壓注水會(huì)鼓破剛注完漿的層段，擴(kuò)大通道面積，可能造成突水量增大。

5 注漿效果

施工至2010年7月14日，根據(jù)井下觀察及鑒定，堵水率達(dá)100%，堵水工程達(dá)優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。至此，本工程累計(jì)完成工程量為2245.58 m，投入骨料14393 m3，注入水泥 2560 t，注漿量 3320 m3，工程順利通過(guò)專家組驗(yàn)收。

本次注漿堵水是青峰煤礦組織的大型堵水工程，通過(guò)本次堵水，徹底切斷水源，根治水患，減小礦井水對(duì)安全生產(chǎn)的威脅，保證了礦井的正常生產(chǎn)。

6 結(jié)論及建議

本次注漿堵水工程堵水率達(dá)100%，質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，是煤礦治理水害、復(fù)礦生產(chǎn)工程中又一成功例證。由于此次地面注漿堵水工程是以堵水復(fù)礦為目的，注漿孔布置在突水區(qū)范圍內(nèi)，注漿層位是把突水區(qū)范圍頂?shù)装暹M(jìn)行了加固。為此建議:

(1)建立井田開(kāi)采區(qū)含水層水位監(jiān)測(cè)，做好地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)工作。

(2)在復(fù)礦生產(chǎn)、井下采掘中應(yīng)時(shí)刻注意周圍的巖石淋水情況，一旦發(fā)現(xiàn)，要及時(shí)處理，確保礦井正常生產(chǎn)。

(3)應(yīng)適當(dāng)投入做好礦區(qū)水文地質(zhì)工作。

(4)在開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)井下鉆探、放水試驗(yàn)及時(shí)了解采區(qū)含水層、隔水層情況，及時(shí)消除安全隱患。

［1］王建學(xué)，萬(wàn)建倉(cāng)，沈慧.鉆井工程［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2008.

［2］張正浩.煤礦水害防治技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.

［3］趙書(shū)梅，賈立芹，王德強(qiáng)，等.金地鐵礦地面注漿堵水技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(2):59 －60，63.

［4］丁同福.望峰崗礦井一副井井筒地面預(yù)注漿堵水實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(7):41 －42，45.

［5］劉永杰，谷風(fēng)林，劉彥林.巖土灌漿技術(shù)在滑坡治理中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(3):66 －70.

Grouting for Water-proof of Surface Drilling in Qingfeng Coalmine of Changde

WANG Qiang(Anhui Provincial Bureau of Coal Geology Hydrologic Exploration Team，Suzhou Anhui 234000，China)

The paper briefly analyzed the hydrogeology conditions and water inrushing factors，and the water-proof plan was established.The division of grouting section，slurry matching ratio in the water-proof grouting procedure and grouting ending standard were discussed.

mine water bursting;surface drilling;grouting for water-proof

P634.5

A

1672－7428(2011)10－0063－03

2011－04－02;

2011－04－13

王強(qiáng)(1965－)，男(漢族)，安徽宿州人，安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)工程師，水文地質(zhì)專業(yè)，從事煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)技術(shù)及管理工作，安徽省宿州市東關(guān)地質(zhì)路4號(hào)，wang20060708@yahoo.com.cn。