小常煤業(yè)30222工作面導(dǎo)水陷落柱注漿加固實踐

侯意成

(山西三元南耀 小常煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000)

1 工程背景

小常煤業(yè)30222工作面在開展瓦斯順層抽放鉆探作業(yè)時，切眼及附近兩巷發(fā)生鉆孔出水，單孔最大涌水量達到120 m3/h，至2015年10月鉆孔累計疏放水量大于24萬m3。而瓦斯抽放孔135號和131號涌水量為59 m3/h。為進一步排查水源，委托長治市高原綜合勘探工程有限公司對30222工作面進行無線電波透視，其成果顯示距切眼90～130 m處有一異常區(qū)，分析認為：該異常范圍為井下鉆孔出水位置，此處無線電波場強吸收較強，煤層較為破碎，推測該范圍內(nèi)巖層破碎嚴(yán)重，可能發(fā)育一陷落柱，其短軸長30 m，長軸長63 m，對工作面回采影響較大。

2 工作面水文地質(zhì)情況分析

2.1 與3號煤層采掘活動關(guān)系比較密切的主要含水層

30222工作面主采3號煤層，3號煤層均厚6.82 m，煤層平均傾角4°，與3號煤層采掘活動關(guān)系比較密切的含水層有：①奧陶系裂隙巖溶含水巖組；②碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組，該含水層主要由K2、K3、K4、K5、K6石灰?guī)r組成，平均厚度為20.10 m，其中K2、K5巖溶裂隙相對較發(fā)育。3號煤層下距K6、K2灰?guī)r頂板距離分別為14 m、99 m，距離奧陶系灰?guī)r頂界面137 m。

2.2 30222工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)分析

3號煤層底板巖芯主要以炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，平均抗壓強度30.7 MPa，平均抗拉強度0.78 MPa。

根據(jù)物探資料顯示，30222工作面靠近切眼90～130 m處，有一疑似巖溶陷落柱。在該井田其它區(qū)域，曾經(jīng)實際揭露過巖溶陷落柱，與物探疑似陷落柱從位置上約有10 m左右的誤差。

2.3 水源分析

3號煤層底板自上而下依次為太原群灰?guī)r含水組、奧陶系含水組和寒武系灰?guī)r含水組，是該工作面乃至整個井田的主要含水層，其中太原群灰?guī)r含水組、奧陶系含水組與3號煤層層間距分別為14 m、137 m。太原群灰?guī)r含水組主要由K6至K2等若干薄層灰?guī)r組成，夾層主要為泥巖、灰質(zhì)泥巖和細粉砂巖，隔水效果較好。太原群灰?guī)r含水組和奧陶系含水組之間有山西組鋁質(zhì)泥巖發(fā)育，也是隔水效果很好的隔水層。在不存在構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，太原群灰?guī)r含水組和奧陶系含水組也同樣不具備抽放鉆孔出水的水文地質(zhì)條件。綜合以上分析認為，135孔、131孔及切眼瓦斯抽放鉆孔出水水源應(yīng)該是下部灰?guī)r水或奧灰水通過陷落柱導(dǎo)通3號煤層所致。且礦井以往在采掘作業(yè)過程中，曾有揭露過巖溶陷落柱，因此可以初步判斷導(dǎo)水通道為巖溶陷落柱。

3 導(dǎo)水陷落柱注漿方案設(shè)計

3.1 鉆孔設(shè)計

在物探資料分析基礎(chǔ)上，布置鉆孔本著“探注結(jié)合、一孔多用、重點區(qū)域加密、三邊施工”等原則[1-2]。

在原有鉆孔基礎(chǔ)上，本著節(jié)約進尺和施工就近原則，利用回風(fēng)巷25號鉆場施工6個鉆孔(1個探查孔，3個注漿堵水孔，2個注漿加固孔)，運巷利用原有的鉆場初步布置6個鉆孔(1個探查孔，2個注漿堵水孔，3個注漿加固孔)，鉆孔在平面與立體方向呈現(xiàn)交叉布置，主要針對前期施工鉆孔的空白區(qū)域進行加密探查。從上下兩巷進行探查控制，不僅利于探查范圍，而且多部鉆機同時施工，利于加快施工進度，縮短工期。如有必要還要在切眼內(nèi)布置鉆場進行施工。

所有鉆孔盡量做到一孔兩用，即探查孔可以作為注漿孔，同時對前期施工的鉆孔進行處理、具備注漿條件后，進行注漿，并根據(jù)現(xiàn)場情況再增加若干注漿鉆孔。鉆孔參數(shù)見表1。

表1 鉆孔參數(shù)

3.2 修改補充設(shè)計

從風(fēng)2、風(fēng)4、運1、運3四個鉆孔出水位置分析，鉆孔揭露出水位置分別位于K7砂巖、K6灰?guī)r、K5灰?guī)r，從而可以確定該陷落柱為一邊緣型出水陷落柱，即陷落柱導(dǎo)通K7、K6、K5地層，將K5灰?guī)r水導(dǎo)入3號煤層而形成積水，由抽放鉆孔釋放而突水。因此，決定對原設(shè)計方案進行修改調(diào)整：

1) 排除頂板水因素，主要針對K6、K5灰?guī)r設(shè)計鉆孔，而且鉆孔數(shù)量會相對增加。只有增加鉆孔數(shù)量，才能擴大撲捉涌水通道的概率，才能擴大漿液擴散的面積。

2) 需調(diào)整注漿材料，由于鉆孔吸漿量小，單注水泥漿容易堵塞，不利于擴散，因此需換成超高水化學(xué)料及膨潤粘土(400目)，便于漿液擴散滲透。

3) 配備高壓力注漿泵，增大注漿壓力將漿液大量地壓入地層，使?jié){液最大限度地擴散。

4 注漿工程施工

在原有回風(fēng)巷25號鉆場和運巷利用原有的鉆場初步各布置6個鉆孔的基礎(chǔ)上，再分別增加3個鉆孔，共布置18個鉆孔進行注漿。

本次鉆孔施工均采用三級孔徑結(jié)構(gòu)：一級孔徑為152 mm，深度6～8 m，下入D146 mm套管6～8 m，套管用水泥或化學(xué)料漿液封固，壓力不低于3 MPa；二級孔徑為113 mm，深度16～30 m，下入D108 mm套管16～30 m，套管用水泥封固，壓力不低于5 MPa；耐壓試驗合格后，進行三級鉆進，孔徑為75 mm至設(shè)計孔深。風(fēng)巷、運巷鉆場鉆孔剖面如圖1所示。

圖1 風(fēng)巷、運輸巷鉆場鉆孔剖面示意

注漿材料主要由水泥、超高水化學(xué)料、粘土及水組成：采用P42.5普通硅酸鹽水泥、強度42.5 MPa，超高水充填材料PACK、抗壓強度10～30 MPa，400目鉆井級膨潤粘土、塑化度為1.0 Pa/(MPa·s)、海帶、鋸末、水玻璃。選用NBB-260/7三缸單作用往復(fù)式泥漿泵，額定流量260 L/min，額定壓力7 MPa，功率45 kW。注漿工藝流程如圖2所示。

圖2 注漿工藝流程

本次總注漿量為1 383.7 t，其中注水泥470.5 t，超高水化學(xué)料462.8 t，粘土450.4 t。通過此次注漿加固，有效充填了底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，從而大大減弱了含水層的富水性，并切斷了水源補給的通道，把含水層改造成了隔水層，增加了有效隔水厚度，為工作面安全回采提供了安全保障。