井下探水鉆孔動(dòng)水條件下注漿治理

常英俊

(霍州煤電集團(tuán)公司，山西 霍州 031400)

探水鉆孔突水是水文地質(zhì)條件復(fù)雜的帶壓開采礦井經(jīng)常發(fā)生的具有一定危害性的安全隱患。如果長(zhǎng)期不治理，會(huì)增加排水費(fèi)用，甚至引發(fā)突水事故。因此，對(duì)于較大涌水量的鉆孔，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧┻M(jìn)行封堵。目前，鉆孔突水治理一般均采用水泥注漿，這種方法成本較低，但是對(duì)于水壓較大的鉆孔突水，由于水泥凝固時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致堵水效果較差。為此，采用能與水發(fā)生反應(yīng)的高分子化學(xué)漿作為堵水材料，縮短漿液凝固時(shí)間，進(jìn)而對(duì)鉆孔進(jìn)行有效的封堵。

1 礦井及出水位置概況

興盛園煤業(yè)為霍州煤電集團(tuán)所屬資源整合礦井，批準(zhǔn)開采1#、2#、10#、11#煤層，井田面積為6.425 7 km2，為帶壓開采礦井，主采煤層為山西組1#、2#煤層。1#、2#煤層礦井水文地質(zhì)類型中等，10#、11#煤層礦井水文地質(zhì)類型復(fù)雜。

該煤礦為了安全生產(chǎn)，在強(qiáng)排硐室開口處進(jìn)行了超前探水，根據(jù)瞬變電物探圈定的兩個(gè)異常區(qū)，進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證(探水鉆孔布置見圖1).3#探水鉆孔施工至41 m 時(shí)鉆孔出水，水沒有異味，涌水量約為35 m3/h.0 ～19.7 m 是巖層，19.7 ～22 m 是煤，22 ～41 m 是巖層(3#鉆孔巖層圖見圖2).3#探水鉆孔出現(xiàn)涌水后，關(guān)閉孔口管閥門，進(jìn)行了試壓，壓力表升至0.6 MPa，鉆孔附近的巷道壁后出現(xiàn)泄漏水，采取水泥注漿處理后未能封堵住涌水，涌水量最大時(shí)達(dá)65 m3/h.

圖1 強(qiáng)排硐室開口處探水鉆孔布置剖面示意圖

圖2 3#鉆孔巖層圖

2 突水機(jī)理

2.1 煤層頂?shù)装鍘r性

開采煤層為2#煤，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖、細(xì)砂巖。2#煤層頂、底板直接含水層為砂巖含水層，單位涌水量平均為0.009 2 L/s·m，屬弱富水含水巖組。2#煤層的間接含水層為太原組灰?guī)r(K2、K3、K4)和奧灰，太原組灰?guī)r含水層(組)單位涌水量為0.156 L/s·m，富水性中等;奧灰含水層單位涌水量為0.140 L/s·m，富水性中等。2#煤層底板直接含水層為弱富水含水巖組，K4 灰?guī)r含水層是2#煤層底板突水的間接充水因素，距孔口約33 m.探放水鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 探放水鉆孔技術(shù)參數(shù)表

2.2 突水水量分析

鉆孔初始涌水量為35 m3/h，最大涌水量為65 m3/h.根據(jù)涌水量變化曲線(見圖3)分析，涌水量可以劃分為4 個(gè)階段，即:

Ⅰ階段—涌水量由初始35 m3/h 驟增，是由于受到瞬時(shí)水壓和靜儲(chǔ)量的影響，使得涌水量增加。

Ⅱ階段—涌水量逐漸減少，由于K4 灰?guī)r含水層富水性不均一，含水層內(nèi)部補(bǔ)給有緩沖時(shí)間，不能及時(shí)補(bǔ)給鉆孔，使得涌水量開始減少。

Ⅲ階段—由于鉆孔水得到補(bǔ)給，涌水量開始增加，直至最大涌水量65 m3/h.

Ⅳ階段—最后穩(wěn)定在60 m3/h 左右，含水層內(nèi)部形成穩(wěn)定的補(bǔ)給條件，使得涌水量趨于穩(wěn)定。

2.3 水質(zhì)類型對(duì)比分析

根據(jù)已有霍州礦區(qū)水質(zhì)資料，太原組灰?guī)r含水層組的富水性不均一，水質(zhì)類型較復(fù)雜，一般以HCO3·Cl－Ca 型、HCO3－Na、HCO3·SO4－Ca·Mg 型為主，礦化度為0.5 ～1.5 g/L. 經(jīng)取興盛園煤業(yè)強(qiáng)排硐室3#探水鉆孔水水樣化驗(yàn)得知，該鉆孔水化學(xué)類型為HCO3·SO4－CaMg(Na)，總礦化度為1.1 g/L.因此，該鉆孔涌水水源應(yīng)為太原組灰?guī)r水。

圖3 涌水量與時(shí)間的關(guān)系曲線圖

2.4 構(gòu)造發(fā)育情況分析

根據(jù)礦井采掘巷道及物探、鉆探情況，強(qiáng)排硐室掘進(jìn)過程中沒有揭露斷層、陷落柱等構(gòu)造現(xiàn)象，只是探水鉆孔鉆進(jìn)至K4 灰?guī)r層時(shí)發(fā)生了突水。因此，可以說明鉆孔內(nèi)涌水是由于鉆進(jìn)打通了K4 灰?guī)r含水層，導(dǎo)致發(fā)生突水事故。

綜合對(duì)比分析出水點(diǎn)位置情況、頂?shù)装鍘r性、主要含水層、突水水量、水質(zhì)類型以及構(gòu)造發(fā)育情況，可以判定該處突水事故是由探水鉆孔打通含水層引起的鉆孔涌水事故，涌水水源為K4 石灰?guī)r水，涌水通道為探水鉆孔。

3 堵水方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選

封堵鉆孔涌水的方法主要有兩種:通過一定方法在一定深度注漿堵水;從巷內(nèi)壁后注漿封堵出水點(diǎn)。

本次優(yōu)選方案是在一定深度注漿堵水，即從鉆孔內(nèi)完整并隔水的巖層部位進(jìn)行封堵。選擇這種方法的原因是:由于強(qiáng)排硐室處的巷道壁后為軟巖層或煤層，出水裂隙分布不勻，采取壁后注漿后涌水會(huì)從其它地方竄出，不能從根本上將涌水進(jìn)行全封閉。從鉆孔內(nèi)完整并隔水的巖層部位進(jìn)行封堵，采用化學(xué)漿液將裂隙填充和固結(jié)軟巖層或煤層，避免注漿后涌水從其他地方竄出，從根本上將涌水封閉在涌水巖層內(nèi)。

鉆孔注漿堵水施工圖見圖4.

圖4 鉆孔注漿堵水施工圖

3.2 鉆孔掃孔及打撈鉆桿

由于通過鉆桿注漿時(shí)尚有24 m 鉆桿存于鉆孔內(nèi)，因此，應(yīng)用專用工具對(duì)其進(jìn)行打撈，然后用D110擴(kuò)孔鉆具，從上至下對(duì)鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔，便于下一步注漿施工。

3.3 下止?jié){管

鉆孔擴(kuò)孔后，往孔內(nèi)放特制的止?jié){裝置。止?jié){管位置選擇在巖層穩(wěn)定隔水的層位，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料確定在5#煤下面的砂質(zhì)泥巖和泥巖(21 ～25 m)處。

3.4 注漿

1)注漿材料。采用高分子化學(xué)注漿材料，該材料黏度低、可注性好，能注入巖土層中的細(xì)小裂隙或孔隙并形成良好的擴(kuò)散充填，能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間生成膠體，與圍巖結(jié)合形成永久性的隔水體。

2)注漿壓力。P終壓=(水頭壓力2 ～3 倍)=3 ×0.4 MPa =1.2 MPa

3)注漿機(jī)具。專用化學(xué)注漿泵及配套管路閥門。

4)注漿量。依公式V=λπR2Lпβ 計(jì)算或按實(shí)際注漿量計(jì)算。式中:

V—注漿(化學(xué)漿液)量，L;

π—取3.14;

λ—漿液損失系數(shù)，可取0.1 ～0.3;

R—漿液擴(kuò)散半徑，m;

L—注漿孔深度，m;

п—巖體裂隙率，可取0.5% ～3%;

β—漿液在孔隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，可取0.85.

相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得出V=1 500 kg.

5)注漿原理。利用氣動(dòng)注漿泵將化學(xué)漿壓入鉆孔中，該化學(xué)漿能與水發(fā)生反應(yīng)，瞬間變?yōu)槿闋钅z體，利用氣壓將其頂入鉆孔周圍的裂隙中，與圍巖結(jié)合形成永久性的隔水體，從而達(dá)到封堵鉆孔涌水的效果。

6)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值或孔口返出濃漿為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 方案實(shí)施

安裝鉆機(jī)→擴(kuò)孔、打撈鉆桿→下止?jié){管→注漿→結(jié)束。

3.6 注漿效果的檢查

經(jīng)注漿堵水施工后，鉆孔及周邊無滲漏水即為合格。

4 封堵效果

前期采用常規(guī)水泥注漿，由于水壓較大，水泥凝固時(shí)間較長(zhǎng)，無法對(duì)動(dòng)水條件下鉆孔水進(jìn)行有效封堵，且成本高。采用化學(xué)漿封堵后，孔內(nèi)不再涌水，周邊無滲漏水，說明涌水層位得到徹底封堵。

5 結(jié) 語

1)此次探水鉆孔出水是由于揭露了含水層，突水形成后按照以往的水泥注漿進(jìn)行處理，沒有考慮到情況的特殊性，致使水量逐漸增大，造成煤礦安全生產(chǎn)隱患。

2)對(duì)于動(dòng)水條件下，具有較大水壓鉆孔涌水的治理，采用能與水迅速反應(yīng)的高分子化學(xué)漿比常規(guī)水泥注漿堵水效果好，且經(jīng)濟(jì)、高效。

3)工作面出水要重視水質(zhì)化驗(yàn)分析，及時(shí)收集整理礦井各含水層的水質(zhì)資料，發(fā)生突水時(shí)，做好資料對(duì)比分析，利于礦井水害的預(yù)防和治理。

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