井筒煤與瓦斯突出的地面預(yù)注漿法治理

周衛(wèi)金，劉書杰

(1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 安徽 淮北市 235000； 2.天地科技建井研究院 北京 100013)

井筒煤與瓦斯突出的地面預(yù)注漿法治理

周衛(wèi)金1，劉書杰2

(1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 安徽 淮北市 235000； 2.天地科技建井研究院 北京 100013)

介紹渦陽(yáng)礦區(qū)信湖煤礦3個(gè)千米深井筒地面預(yù)注漿方案及效果。該煤礦開(kāi)采深度大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟、煤層透氣性低，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性很高。利用地面預(yù)注漿法對(duì)危險(xiǎn)煤層進(jìn)行防突預(yù)治理，提高了煤層的整體穩(wěn)定性，封堵了瓦斯突出的裂隙通道，節(jié)省了鑿井過(guò)程中揭煤的工期，使井筒施工安全快速地穿過(guò)突出危險(xiǎn)煤層，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

井筒；煤與瓦斯突出；地面預(yù)注漿；揭煤

1 工程概況

信湖煤礦位于渦陽(yáng)縣花溝鎮(zhèn)，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3 Mt/a，服務(wù)年限為61 a，采用立井開(kāi)拓方式，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)立井，主、副、風(fēng)井井筒深度分別為1009.5,1043.5 m和989.5 m，井筒凈徑分別為6,8.1 m和7 m。副井井筒掘砌過(guò)程中需依次穿過(guò)1煤、2煤、3煤三個(gè)煤層，主、風(fēng)井依次穿過(guò)1煤、2煤兩個(gè)煤層，主要煤系地層為二疊系下石盒子組，有泥巖、粉砂巖及砂巖相間分布，砂巖各層間均被泥質(zhì)巖類分隔，一般砂巖裂隙不發(fā)育，即使局部地段裂隙稍發(fā)育，但亦具有不均一性。

根據(jù)井筒檢查孔資料，瓦斯突出綜合指標(biāo)K達(dá)到57.14，放散初速度△P為12，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為0.21，煤層孔隙率達(dá)到6.76%。

該在建礦井屬于淮北礦區(qū)的渦陽(yáng)含煤區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟、煤層透氣性低，煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重。

2 地面預(yù)注漿法的特點(diǎn)

地面預(yù)注漿技術(shù)原理是：在井筒開(kāi)鑿之前，從地面圍繞著井筒四周鉆進(jìn)一些注漿孔到受注地層，然后，使用地面注漿設(shè)備，把配置好的漿液通過(guò)注漿管路和鉆桿注入到地層的裂隙及孔道中，最終，在井筒開(kāi)鑿荒徑外的巖層中形成一定厚度的注漿帷幕。地面預(yù)注漿具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 地面預(yù)注漿法的最大特點(diǎn)是井筒未開(kāi)鑿之前進(jìn)行煤層防突先治理，治理煤與瓦斯突出不占用井筒工作面掘進(jìn)的時(shí)間；

(2) 采用“S”定向鉆孔技術(shù)，注漿孔的地面開(kāi)孔位置可以遠(yuǎn)離井盤，因此，在注漿過(guò)程中不影響井筒建設(shè)的正常進(jìn)行；

(3) 地面預(yù)注漿施工過(guò)程中，注漿設(shè)備及漿液制備設(shè)備均位于地面廠房中，具備使用新型高壓注漿泵的良好條件，可以保證漿液在地層中達(dá)到足夠的擴(kuò)散距離；

(4) 煤與瓦斯突出的地層，以注入粘土水泥漿液為主，此種漿液可以進(jìn)入較細(xì)小的裂隙，漿液配制工藝簡(jiǎn)便，漿液配比可以隨時(shí)調(diào)整，且成本低廉；

(5) 地面預(yù)注漿法不僅能夠治理煤與瓦斯的突出地層，而且，地下水的聯(lián)系通道也被漿液充填閉合，改善了井筒鑿井時(shí)的工作環(huán)境，提高了施工效率。

由于地面預(yù)注漿法的一系列優(yōu)點(diǎn)，信湖煤礦三個(gè)立井井筒均采用地面預(yù)注漿工藝進(jìn)行地層治理。

3 施工工藝

主井、副井、風(fēng)井三個(gè)井筒采用“S”定向注漿孔，注漿孔個(gè)數(shù)分別為6、8、6個(gè)，地面布孔圈徑40～50 m，根據(jù)井盤附近的用地情況進(jìn)行調(diào)整，注漿孔落點(diǎn)圈徑分別為11，12，11.5 m，同一切面上的注漿孔均勻分布。具體注漿參數(shù)見(jiàn)表1。

注漿壓力為注漿段靜水壓力的2～2.5倍，粘土水泥漿在基巖中的擴(kuò)散距離不少于10 m；粘土水泥漿主材選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粘土塑性指數(shù)不宜小于10，粘粒(粒徑小于0.005 mm)含量不宜低于25%，含砂量不宜大于5%，有機(jī)物含量不宜大于3%。

表1 信湖煤礦主、副、風(fēng)井井筒注漿參數(shù)

以主井井筒S孔地面預(yù)注漿為例，圖1和圖2分別為S型注漿孔的平面布置圖和軌跡剖面圖，3個(gè)井筒的注漿壓力都達(dá)到了設(shè)計(jì)值，注漿量分別為：主井43 m3/m、副井48 m3/m、風(fēng)井44 m3/m，注漿形成的有效帷幕厚度分別為：主井11 m，副井10 m，風(fēng)井10.6 m。

圖1 S型注漿孔平面布置

4 注漿后的效果

(1) 注漿后，在井筒荒徑外形成了一個(gè)低透氣性帶，即“止?jié){帷幕圈”，封閉了地層中的裂隙及孔隙等通道，使帷幕圈外的瓦斯源無(wú)法滲透到井筒內(nèi)，截?cái)嗔送咚寡a(bǔ)給源，減少了井筒內(nèi)瓦斯釋放量，降低了瓦斯突出的可能性。注漿帷幕厚度分別為：主井11 m、副井10.2 m、風(fēng)井10.6 m，井筒掘砌過(guò)程中，爆破等施工作業(yè)對(duì)注漿帷幕的破壞是有限的，一般影響范圍2～3 m，不會(huì)人為造成帷幕圈內(nèi)外的溝通，保證了井筒鑿井的進(jìn)度。實(shí)際注漿時(shí)，注漿壓力達(dá)到了注漿段靜水壓力的2倍以上，粘土水泥漿在地層中的有效擴(kuò)散半徑可達(dá)10～12 m，保證漿液在不同深度均能交圈，地層中實(shí)際的注漿帷幕不是理想的圓圈，是一種各向不均勻狀態(tài)的閉合帷幕。

圖2 S型注漿孔剖面軌跡

(2) 注漿帷幕以內(nèi)地層中瓦斯壓力比原生狀態(tài)有所增大，導(dǎo)致煤層及孔隙中部分游離狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)向吸附狀態(tài)。因此，井筒掘砌施工過(guò)程中，用打鉆孔排放瓦斯，三個(gè)井筒工作面監(jiān)測(cè)瓦斯壓力為0 MPa，通過(guò)綜合指標(biāo)判斷已無(wú)突出危險(xiǎn)。

(3) 注漿起到了加固煤體的作用，增強(qiáng)了煤層的穩(wěn)定性。井筒掘進(jìn)過(guò)程中，從揭露注漿后煤層看出，裂隙及孔隙中有明顯的灰黃色漿液充填物，充填密實(shí)，該充填物是粘土水泥漿在高壓脫水的條件下形成的固結(jié)體，抗壓強(qiáng)度與煤相近，從鉆孔取煤樣化驗(yàn)結(jié)果看出，煤體的平均堅(jiān)固性系數(shù)提高10%。而且，充填物與裂隙周邊的煤體結(jié)合緊密，局部破碎巖體的完整性大大提高，避免了掘進(jìn)過(guò)程中片幫事故的發(fā)生，煤層突出的風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

5 結(jié) 論

(1) 縮短了礦井建設(shè)工期。采用S型定向鉆孔進(jìn)行地面預(yù)注漿施工，煤層及附近巖體中的裂隙率減小，穩(wěn)定性提高，瓦斯吸附率增加，因此，為井筒順利揭煤創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，節(jié)省了揭煤工期。

按照井筒施工計(jì)劃，揭煤的計(jì)劃工期分別為：主井45 d、副井60 d、風(fēng)井45 d，實(shí)際的揭煤工期：主井12 d、副井36 d、風(fēng)井14 d。

(2) 節(jié)省了礦井建設(shè)的成本。井筒揭煤最初設(shè)計(jì)采用金屬骨架進(jìn)行超前支護(hù)，然而，采用地面預(yù)注漿法治理煤系地層后，煤體的抗壓強(qiáng)度得到了提高，煤層頂?shù)装宓膸r體穩(wěn)定性也增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)論證，揭煤時(shí)不采用金屬骨架超前支護(hù)；同時(shí)，簡(jiǎn)化了工序，鉆孔排放瓦斯等輔助施工的工程量減少，3個(gè)井筒共節(jié)省費(fèi)用600萬(wàn)元左右。

(3) 改善了礦建工作面的安全環(huán)境。地面預(yù)注漿法改善了煤系地層的性能，治理了煤與瓦斯突出的難題，也起到了堵水及地層加固的目的，信湖煤礦主、副風(fēng)3個(gè)井筒基巖段掘砌過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生過(guò)片幫掉塊、瓦斯異常等事故，為井下工人創(chuàng)造了安全舒適的工作面環(huán)境。

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2013-10-12)

周衛(wèi)金(1963-)，男，江蘇靖江人，碩士，高級(jí)工程師，從事礦山建設(shè)施工和管理，Email：125701782@qq.com。