10101采煤工作面防治水技術(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李偉果

(西山煤電(集團(tuán))公司 馬蘭礦，山西 古交 030200)

礦井水害一直是制約和影響煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素，隨著煤層向深部開采，采煤工作面受深部奧灰高承壓水的影響和威脅的程度更加明顯，采煤工作面突水問題日趨嚴(yán)重。本文結(jié)合山西呂梁離石西山晉邦德煤業(yè)有限公司10#煤層10101采煤工作面的水文地質(zhì)情況，采取底板注漿堵水的方式，遏制了工作面的突水，給工作面安全生產(chǎn)提供了保障[1]。

1 工程概況

西山晉邦德煤業(yè)有限公司10#煤層平均厚度4.06 m，煤層傾角15°，頂板為粉砂巖，厚度5 m，底板為厚度4.5 m的泥巖，泥巖下方為厚度15 m的奧灰石灰?guī)r，奧灰?guī)r內(nèi)存在大量的涌水，經(jīng)過三維地震勘探，10#煤層底板泥巖存在較多的縱向和橫向裂隙，且奧灰?guī)r有較強(qiáng)的富水性，巖層的滲透系數(shù)一般在8～28 m/d，巖層內(nèi)的水壓在5～8 MPa。

綜合分析以上地質(zhì)條件，10#煤層在開采期間，底板隔水層泥巖厚度僅4.5 m，在開采10#煤層期間，隔水層泥巖抗壓強(qiáng)度較低，不能抵抗奧灰?guī)r的強(qiáng)大水壓，容易導(dǎo)致開采期間突水。因此，采用底板注漿堵水的措施對(duì)工作面底板進(jìn)行加固。

2 工作面防治水方案

10#煤層10101采煤工作面與奧灰?guī)r含水層的層位關(guān)系見圖1。

圖1 奧灰?guī)r與煤層層位關(guān)系圖

本次注漿采用在回采工作面底板垂直向下打穿層鉆孔，安裝孔口管進(jìn)行底板注漿堵水，即對(duì)隔水層的薄弱地帶進(jìn)行注漿加固，封堵突水的裂隙。強(qiáng)大的注漿壓力將奧灰?guī)r的水封堵到深部的層位，從而減少對(duì)工作面的威脅，使工作面在開采期間隔水層能夠起到一定的抵抗水壓的作用。

2.1 施工工序

考慮到10#煤層首采工作面的開采現(xiàn)狀，注漿鉆孔測(cè)點(diǎn)決定布置在距離開切眼100 m的范圍內(nèi)。鉆孔測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

考慮到奧陶紀(jì)灰?guī)r強(qiáng)大的壓力，為了達(dá)到較好的封堵水效果，設(shè)計(jì)注漿擴(kuò)散半徑R=4 m。因此，在煤層傾向方向上每間隔4 m設(shè)置一個(gè)注漿鉆孔，在煤層走向方向上每間隔5 m設(shè)置一列注漿鉆孔，共計(jì)480個(gè)鉆孔。

圖2 注漿鉆孔布置平面圖

鉆孔間距的布置情況：沿著煤層走向間距L=5 m，沿著煤層傾向間距L=4 m。

鉆孔的布置方式：各個(gè)鉆孔的方位角180°，鉆孔落底的間距為走向5 m，傾向4 m，采用鉆孔直徑為75 mm的鉆桿垂直工作面底板向下打穿層鉆孔，鉆桿直至進(jìn)入奧陶紀(jì)含水層為止，當(dāng)鉆桿鉆至預(yù)計(jì)位置后，要及時(shí)進(jìn)行用水量預(yù)測(cè)。

2.2 施工材料選取

本次工作面注漿堵水材料選用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為P.042.5R，經(jīng)過試驗(yàn)得出水灰比為1∶1的配料比較適合本次工作面注漿。

若在注漿過程中頻繁出現(xiàn)壓力表讀數(shù)較大且封堵水效果不好的情況，則考慮采用超細(xì)水泥進(jìn)行注漿。因普通水泥粒徑較超細(xì)水泥大，大量的水泥粒徑無法進(jìn)入到裂隙當(dāng)中[2]，容易導(dǎo)致注漿失敗。

2.3 注漿壓力參數(shù)選取

奧陶紀(jì)灰?guī)r以孔隙水為主，裂縫-微裂縫并存，如果注漿壓力較小，無法將水封堵到注漿安全半徑意外的范圍內(nèi)，影響注漿效果[3]。本次設(shè)計(jì)注漿終壓取靜水壓力的2～2.5倍。

注漿壓力按下列公式計(jì)算[4]：

P=(2～2.5)P0

式中：

P—注漿終壓，MPa；

P0—注漿孔口靜水壓，MPa。

實(shí)測(cè)孔口的靜水壓力為7.2～8.5 MPa，由此計(jì)算，得出注漿終壓為15～24.25 MPa。因此，本次注漿壓力選擇20 MPa。

3 施工措施及生產(chǎn)工序安排

1) 本次的注漿壓力較大，在注漿期間除了操作人員外，禁止注漿鉆孔附近有其他人員停留，以免壓力過大造成傷人事故。

2) 在注漿過程中，若發(fā)現(xiàn)長期注漿壓力表讀數(shù)依然很小，仔細(xì)觀察是否有漏漿和串漿現(xiàn)象。若沒有，則改用粒徑較大的水泥進(jìn)行注漿。

3) 由于奧灰?guī)r強(qiáng)大的水壓，在鉆孔過程中，要采取措施保持鉆機(jī)的穩(wěn)固，以免發(fā)生頂鉆、卡鉆現(xiàn)象。

4) 在工作面推進(jìn)過程中，注漿和工作面采煤交替進(jìn)行。工作面注漿期間，與之平行的作業(yè)是無突水區(qū)域的巷道掘進(jìn)，需保證煤礦工序的正常進(jìn)行。當(dāng)工作面在一定范圍內(nèi)注漿結(jié)束后，經(jīng)過突水效果的檢驗(yàn)，確定涌水量減少時(shí)，方可進(jìn)行采煤作業(yè)。采煤過程中要打前探孔進(jìn)行探水作業(yè)，發(fā)現(xiàn)涌水量增加，則再次進(jìn)行注漿作業(yè)。

4 注漿堵水效果分析

工作面在未進(jìn)行注漿前，當(dāng)鉆孔掃至預(yù)計(jì)位置后，采用涌水量預(yù)測(cè)法對(duì)鉆孔的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)注漿鉆孔距離開切眼5 m、10 m時(shí)，在注漿前后各個(gè)鉆孔的涌水情況見圖3～5。

圖3 距開切眼5 m鉆孔涌水量圖

圖4 距開切眼10 m鉆孔涌水量圖

圖5 注漿后距離切眼不同距離鉆孔涌水量圖

由圖3～5分析可知，本次注漿效果良好，在未進(jìn)行注漿前，各個(gè)鉆孔的涌水量平均大于30 m3/h，采取注漿措施以后，距開切眼不同的鉆孔單孔涌水量小于10 m3/h?？梢?，減少了工作面的涌水量，給后期煤層開采創(chuàng)造了良好的施工條件。

由圖5可知，鉆孔注漿結(jié)束后，在距離開切眼100 m的范圍內(nèi)，最小的單孔涌水量由原來的大于30 m3/h降低至2.2 m3/h，雖然仍有鉆孔涌水量較大的現(xiàn)狀，但是整體上工作面在開采過程中受水害的影響程度已經(jīng)大幅度降低。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]崔云龍.簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003：27-35.

[2]鄧文芳，黃德發(fā).礦井建設(shè)技術(shù)與管理[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998：5-12.

[3]車兆星，吳士良.井巷工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2005：20-23.

[4]AQ/T1047-2007.煤炭科學(xué)研究總院重慶分院.煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007：5-6.