動水注漿技術(shù)在山西大遠煤業(yè)快速復礦中的應(yīng)用研究①

王 卓 連會青 方秀珍

(1.冀中能源峰峰集團山西大遠煤業(yè)有限公司技術(shù)部，山西忻州 034000;2.華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

在礦山行業(yè)中，礦井水害帶來的危害越來越嚴重，僅次于瓦斯爆炸。目前主要治理礦井水害的手段有疏干排水、疏堵結(jié)合、注漿堵水等三種。而對礦井水進行疏干排水往往會導致地面沉降等工程地質(zhì)問題，還會引起一系列環(huán)境問題，同時也是對水資源的一種浪費。因此，采用注漿堵水方法防治水，對保護水資源和保證礦區(qū)持續(xù)發(fā)展具有重要的意義［2］。

本項目實施合理整合的動水注漿方案對山西大遠煤業(yè)有限公司試采過程中的1201南工作面上巷附近2煤底板突水進行封堵防治工作。突水防治前期治理采用地面注漿，為后期動水注漿堵水提供了便利條件，使動水注漿成為可能。山西大遠煤業(yè)有限公司動水注漿封堵成功，并快速復礦，為其取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

1 概況

1.1 基本情況

山西大遠煤業(yè)有限公司，位于山西省忻州市靜樂縣城東北部35km的杜家村鎮(zhèn)杜家村村北。井田南北長 3.54 km，東西寬 1.25 km，面積4.8554 km2，為一較規(guī)則南北向的長方形。井田總體走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角一般30°～35°，最大可達45°(見圖1)。煤盆地邊緣以斷裂構(gòu)造為主，褶曲為輔，煤盆地內(nèi)部以褶曲為主，斷裂構(gòu)造為輔。區(qū)域內(nèi)斷層較少，未見巖漿巖侵入，軌道暗斜井掘進過程中曾揭露一個軸長15m的陷落柱。井田內(nèi)部被新生界第四系中更新統(tǒng)、全新統(tǒng)覆蓋，由東向西依次出露石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組、三疊系下統(tǒng)劉家溝組，屬于典型的“三軟”地層構(gòu)造。

圖1 大遠煤業(yè)位置及構(gòu)造綱要圖

1.2 突水原因分析

1201南工作面標高+1118.5 m～+1212.3 m，工作面傾斜長150 m，走向長600 m，井田主要可采煤層為2、5+6號煤層(見圖2)。煤礦床以頂板砂巖裂隙含水層充水為主，根據(jù)抽水試驗資料，主要充水層富水性弱，井田內(nèi)構(gòu)造簡單。一般情況下，煤礦床的水文地質(zhì)勘探類型為二類一型，即水文地質(zhì)條件簡單的以頂板進水為主的砂巖裂隙充水礦床。該礦奧灰水位高(奧灰含水層水位標高+1493.97 m(2004年數(shù)據(jù)))，屬于帶壓開采，存在奧灰突水威脅，從1201南工作面未揭露任何構(gòu)造的情況下發(fā)生突水(突水量1400 m3/h，出水點標高+1210.3 m)進行初步判斷，煤層底板或裂隙發(fā)育或存在隱伏導水陷落柱。

圖2 大遠煤業(yè)井田水文地質(zhì)剖面圖

2 1201南工作面突水防治方案

2.1 整合的動水注漿方案

根據(jù)1201南工作面出水通道和礦井水文地質(zhì)條件，在動水條件下，采用動水注漿技術(shù)，為順利實施動水注漿的注漿封堵截流，整合了動水注漿方案，將方案分為注漿前期和注漿后期。動水注漿前期為后期動水注漿創(chuàng)造有利的條件，突水治理方案:采用地面注漿結(jié)合強排復礦的指導思路，注漿方法采用封堵突水通道為主、封堵主要過水巷道為輔的實施方案。由于前期在工作面上巷已注入一定量的固料，且1201南工作面采動后會因頂板的垮落與相鄰的老采空區(qū)相通，再充填巷道意義不是太大。因此，注漿方案后期，優(yōu)化鉆孔布置，優(yōu)化后的注漿堵水方案:以注漿封堵突水通道及充填突水水源奧灰含水層頂部裂隙為主，并采取動水注漿技術(shù)，堵水與強排復礦同步進行，力求盡快復礦。

2.2 鉆孔布置

為了實施動水注漿方案，根據(jù)大遠煤業(yè)的水文地質(zhì)條件，合理優(yōu)化布置鉆孔的位置和用途，確定鉆孔的深度、孔間距及分支孔的布置等。

前期，鉆孔共布置了5個孔(見圖3)。其中: 1#、2#、5#三個鉆孔(鉆孔的終孔層位及深度見表1)，為探查、堵水孔。由工作面實體區(qū)一側(cè)向采面突水區(qū)域定向施工。鉆孔穿過2#煤的位置距工作面煤壁水平投影距離保持10m以上，穿過2#煤后，延伸至5#煤以下20m終孔。通過1#孔鉆探、電測井，觀察耗漿量及測量水位等，探查地層層位、導水通道、導水構(gòu)造等技術(shù)參數(shù)。與此同時，選擇2#煤底板～5#煤下20m作為注漿段，采用下行注漿方式，即鉆進過程中只要揭露導水通道，就立即進行注漿封堵，然后再延伸，邊打邊注。主干孔打、注完畢，在綜合分析的基礎(chǔ)上，再打分支孔，一孔多支，優(yōu)化布局，點面結(jié)合，力求取得最佳堵水效果。3#、4#兩孔，為截流孔。鉆孔孔底直接命中工作面上巷(鉆孔的終孔層位及深度見表1)。鉆孔打透巷道后，投注固料(石子、河沙等)，在巷道內(nèi)堆積。主要作用是減緩上巷水流流速，阻滯部分跑漿在泵房、大巷沉淀，為排水復礦創(chuàng)造條件。

圖3 鉆孔布置平面圖

后期，按照優(yōu)化后的堵水設(shè)計繼續(xù)開展注漿堵水工作。先后對2#孔、3#孔進行延深，新開工了6#、7#(6#、7#主干孔及分支孔終孔層位及深度見表2)兩個鉆孔作為堵水孔，落點在工作面煤壁以外實體煤上，并在主干孔打、注完畢后，在綜合分析的基礎(chǔ)上，再打分支孔，分支孔呈放射狀布置，點面結(jié)合。6#主干孔和7－4分支孔鉆探、電測井，觀察耗漿量及測量水位等，探查地層層位、導水通道、導水構(gòu)造等技術(shù)參數(shù)。

由圖4可見，6#、7#和3#三個孔在后期，注漿效果明顯(6#、7#兩孔共注水泥9667 t)，說明孔位置布置合理，而1#、4#、5#和2#四個孔在前期注漿中充分發(fā)揮了封堵截流的作用，為后期動水注漿創(chuàng)造了有力的條件，使動水注漿技術(shù)在大遠煤業(yè)得以成功應(yīng)用于封堵截流。

圖4 各孔前后期材料消耗總量比率

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)大遠煤業(yè)的水文地質(zhì)條件和鉆孔的位置及用途，確定鉆孔的結(jié)構(gòu)，為順利實施整合的動水注漿方案打下基礎(chǔ)。對于注漿鉆孔而言，采用開孔Φ311mm的孔徑，下Φ244.5×8.94mm套管隔離第四系松散層，然后用Φ215.9 mm的孔徑下Φ177.8×8.05 mm套管隔離2#煤層，下入2#煤層底板10～15 m處。2#及3#鉆孔用Φ152 mm孔徑下入Φ146×5 mm的套管隔離2#煤層采空區(qū)，并對2#煤層采空區(qū)灌注砂、石子等固料，注完固料后，穿過采空區(qū)進入含水層頂部，對含水層實施注單液或雙液漿。

2.4 動水注漿

在動水條件下，為實現(xiàn)有效注漿截流，快速追水復礦，技術(shù)上采用地面注雙液漿、靈活添加各種固料、間歇注漿等方法進行動水注漿。動水注漿是根據(jù)鉆孔的可灌性和突水點突水量大小及在堵水過程中水量變化，在井下通過固料器可添加任何固料，通過混合器可調(diào)節(jié)漿液配比，控制漿液凝固時間，最終封堵出水點［3］。

根據(jù)1201南工作面水文地質(zhì)條件和出水通道，本次動水注漿主要采用:注單液、雙液(水泥、水玻璃)和固料(海帶、鋸末)相結(jié)合;連續(xù)注漿與間歇注漿相結(jié)合的綜合注漿堵水方法。

注漿工藝直接影響到注漿堵水的效果，本工程動水注漿施工過程中嚴把質(zhì)量關(guān)，并實時監(jiān)控注漿孔周圍的水文地質(zhì)情況，進行實時調(diào)整。動水注漿過程中主要注意到了以下各項:

1)不同鉆孔條件采用不同注漿材料和注漿工藝。

2)當鉆孔漏水量較小或消耗水時，以單液漿為主;當孔內(nèi)暢通跑漿嚴重時，以注固料或雙液漿為主。

3)注固料時先細后粗，速度適宜，孔內(nèi)鉆具轉(zhuǎn)動，以免埋住鉆具。

4)注雙液漿時首先做好配比試驗，計算好孔內(nèi)混合器的位置，確定混合段的長度;注雙液漿的時間不宜過長，視堵水效果確定一次注漿時間。

5)根據(jù)不同鉆孔條件，適當調(diào)整凝膠適宜時間。

6)注漿結(jié)束后，壓水保留通道以備下次再用。

7)保持適宜的注漿終孔壓力，避免導致底板再次活動，擴大出水通道，使出水量加大。

2.5 整合的動水注漿前后期分析

整合的動水注漿方案在大遠煤業(yè)成功注漿封堵截流與制定正確的堵水方案、準確施工堵水鉆孔、科學合理的注漿工藝、精心組織各項工作密不可分。

根據(jù)大遠煤業(yè)5+6號煤層至奧陶系頂面間的巖層厚60m左右，巖性以泥質(zhì)巖類為主的地質(zhì)條件，由表1可見，前期鉆孔主要布置在5+6號煤層下，能很好的完成整合的動水注漿方案的前期封堵突水通道的目的，并為后期動水注漿加固了底板，為動水注漿順利實施創(chuàng)造了有力條件。根據(jù)大遠煤業(yè)5+6號煤距奧灰含水層頂面間距60m的水文地質(zhì)條件，為實現(xiàn)整合的動水注漿方案后期充填突水水源奧灰含水層頂部裂隙的目的，由表2可見，后期布置的鉆孔能順利的完成注漿封堵突水通道的任務(wù)。

由圖5和圖6可見，注漿后期主要消耗的材料集中在鹽(21665 kg)、三乙醇胺(2094.9 kg)、鋸末(40215 kg)和水泥(17727 t)的有效使用上，實現(xiàn)了在動水條件下的有效注漿封堵截流，可見鹽、三乙醇胺、鋸末和水泥在動水注漿中起到了至關(guān)重要的作用，為順利實現(xiàn)動水注漿技術(shù)在大遠煤業(yè)的成功應(yīng)用創(chuàng)造條件;注漿前期主要消耗的材料集中在速凝劑(2000 kg)、水玻璃(401.4 t)、砂子(56 m3)和海帶(5000 kg)的合理使用上，實現(xiàn)了封堵突水通道的目的，可見速凝劑、水玻璃、砂子和海帶在封堵突水方面發(fā)揮了不可替代的作用。

表1 前期鉆孔的終孔層位及深度

表2 后期鉆孔的終孔層位及深度

圖5 注漿前期和后期孔的材料消耗比率

圖6 各孔消耗每種材料量

3 堵水效果

礦井注漿堵水工程共施工堵水鉆孔為主孔7個、分支孔7個，鉆井總進尺4251.94m，共注水泥23749 t，鋸末50.815 t，海帶5.305 t，河沙60.5 m3以及三乙醇胺、鹽、水玻璃等輔助材料427 t。工程竣工后，實測原突水點(封堵前突水量1400m3/ h)涌水量僅剩40 m3/h，堵水率達到97.2%，目前礦井總涌水量已穩(wěn)定在220～230 m3/h(圖7，可見大遠煤業(yè)的注漿封堵、邊排邊注效果顯著，使動水注漿技術(shù)得到了成功應(yīng)用。

1201工作面采取動水注漿，堵水與強排復礦同步進行的快速復礦方案。注漿后期同時對礦井進行巷道清淤，在清淤過程中原出水點殘流水量未增加，由此證明此次注漿堵水工作效果良好。歷經(jīng)一年的時間后，礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)全部恢復。煤礦復礦后每年可實現(xiàn)利潤3.6億元，而且此次礦井動水注漿、邊注邊排的成功具有一定的工程推廣價值。

圖7 大遠煤業(yè)2008年5月－2012年5月涌水量變化曲線圖

4 結(jié)論

1)整合的動水注漿方案，邊注邊排同步進行。

2)動水注漿技術(shù)主要采用注單液、雙液和固料相結(jié)合，連續(xù)注漿與間歇注漿相結(jié)合的綜合注漿堵水方法。

3)此注漿堵水復礦工程的實施過程中地面打鉆、電測資料及實踐，有助于礦井水文地質(zhì)環(huán)境的再認識。

山西大遠煤業(yè)有限公司動水注漿堵水成功不但消除了突水對采區(qū)造成的威脅，而且恢復了1201工作面的正常回采，同時將煤礦水文地質(zhì)條件研究和防治水工作推到一個新的高度，并對以后研究寧武煤田以至全國相同類型的礦井防治水治理工作具有深遠的意義。

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