北辛窯14 采區(qū)井下巷道注漿堵水技術(shù)的應(yīng)用研究

羅 剛

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

北辛窯煤礦位于寧武煤田北端、朔南礦區(qū)東南部，屬于同煤集團(tuán)的在建主要礦井之一。礦井東西寬11.09km，南北長(zhǎng)12.59km，面積53.29km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.00Mt/a，主采煤層為太原組2、5、6 號(hào)煤層，目前主要采掘2 號(hào)、5 號(hào)煤層。

為加快對(duì)煤炭資源的利用，該礦在南翼皮帶大巷東側(cè)開(kāi)始進(jìn)行14 采區(qū)皮帶下山巷的掘進(jìn)工作。該巷道沿-15°掘進(jìn)，目前已掘進(jìn)完成239m。在巷道222m 左幫探水硐室施工了5 個(gè)鉆孔，其中4 個(gè)鉆孔出水，水量12～42m3/h 不等，結(jié)果如表1 所示。根據(jù)水文地質(zhì)資料分析，該出水水源為2 號(hào)煤層頂?shù)装迳皫r水及奧灰水。

根據(jù)對(duì)煤礦井下巷道內(nèi)突水情況的分析，提出了一種新的注漿堵水技術(shù)。為了確保堵水的可靠性和效率，以P.O42.5 普通硅酸鹽水泥為注漿堵水的材料[1]，注漿時(shí)可根據(jù)實(shí)際注漿情況依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1 等級(jí)別進(jìn)行漿液稀稠調(diào)節(jié)，滿足不同區(qū)域內(nèi)的灌漿要求。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該注漿堵水方案與北辛窯傳統(tǒng)井下堵水墻施工方案相比，施工效率提升了11.4%，施工成本降低了7.5%，具有效率高、成本低、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

表1 超前探鉆孔涌水量情況表

1 注漿孔鉆探

注漿鉆孔布置如圖1 所示。計(jì)劃在14 采區(qū)回風(fēng)下山迎頭位置施工注漿鉆孔，總體布置鉆孔29個(gè)，呈扇形布置。1～25 號(hào)孔為帷幕注漿孔，26～29號(hào)孔為防止錨索出水注漿孔。鉆孔參數(shù)如表2 所示。1～25 孔布置方式為：剖面上，鉆孔底層鉆孔編號(hào)為1～5#，終孔位置為底板下5m，每排鉆孔保持終孔4m 間距，共布置5 排孔，頂部鉆孔終孔位置為巷道頂板上7.6m；平面上，巷道左幫鉆孔編號(hào)1#、6#、11#、16#、21#，終孔位置為左幫外側(cè)6m，每豎排鉆孔保持終孔4m 間距，共布置5 豎排，巷道右?guī)豌@孔終孔位置為巷道右?guī)屯鈧?cè)6m。

圖1 井下巷道注漿鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

由于本次施工止水套管徑Ф108mm，14 采區(qū)的出水水源基本為砂巖水及奧灰水，水壓約為0.6～2MPa，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[2]規(guī)定，當(dāng)1.0MPa ≤水壓＜2.0MPa 時(shí)，止水套管長(zhǎng)度應(yīng)大于10m，因此本次止水套管長(zhǎng)度取10m，端部與4 寸法蘭盤(pán)焊接。

為有效防止?jié){巖帽及注漿壓力對(duì)大巷圍巖造成影響，各孔內(nèi)套管的安裝長(zhǎng)度暫定為10m。套管安裝時(shí)用鉆機(jī)頂入孔內(nèi)，然后通過(guò)注漿充填套管與孔壁之間的縫隙，待漿液凝固后（大約48h）以達(dá)到固定套管的目的，如圖2 所示。

圖2 孔口套管安裝結(jié)構(gòu)

為了確保注漿孔鉆孔的安全性和效率，本次對(duì)鉆孔施工的基本工序進(jìn)行了規(guī)范。鉆孔前首先由測(cè)量人員按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行標(biāo)定，然后進(jìn)行鉆機(jī)的固定并下入直徑Φ108×4.5mm 的套管10m。下管后42.5 水泥，按水灰比0.5:1，進(jìn)行密封，水泥的凝固時(shí)間不少于24h。水泥漿凝固后掃孔，其深度超過(guò)封孔管長(zhǎng)度0.5m 后，退出鉆具，安裝孔口閘閥，利用泥漿泵向孔內(nèi)壓水進(jìn)行孔口管耐壓檢查。試驗(yàn)孔內(nèi)壓力能達(dá)到4MPa，保壓30min 壓降小于0.5MPa，則說(shuō)明孔口管封孔合格，否則需重新加注水泥漿。其施工工藝流程可表示為鉆孔定位→開(kāi)孔鉆進(jìn)至孔口管設(shè)計(jì)深度→下入孔口管注漿封閉→變徑鉆進(jìn)→鉆進(jìn)過(guò)程中遇水注漿→漿液凝固透孔鉆進(jìn)直至設(shè)計(jì)層位注漿完成→封孔→交驗(yàn)。

表2 鉆孔尺寸匯總表

2 注漿堵水

注漿堵水時(shí)需要密封材料具有快速凝固和高強(qiáng)度的性能，傳統(tǒng)的高強(qiáng)度快干水泥材料成本高，因此項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證后首次選擇了P.O42.5普通硅酸鹽水泥為注漿堵水的材料。根據(jù)注漿需要可采用水泥水玻璃雙液漿，采用模數(shù)為2.4～3.4，濃度為30～45 波美度對(duì)水泥材料進(jìn)行混合，提高注漿堵水時(shí)的可靠性[3]。

井下注漿系統(tǒng)由于受井下作業(yè)條件所限，制漿系統(tǒng)可簡(jiǎn)化由泥漿泵、攪拌機(jī)以及其他輔助設(shè)施組成，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堵水需要添加水玻璃等速凝材料和骨料。注漿孔孔口要安設(shè)耐震壓力表，不低于10MPa。注漿前要對(duì)注漿管路進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不得低于6MPa，持續(xù)時(shí)間不得低于30min，發(fā)現(xiàn)漏水及時(shí)更換。

在注漿過(guò)程中，采用分段下行式注漿法，孔口止?jié){方式，連續(xù)與間歇相結(jié)合。當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)涌水且涌水量小于10m3/h 時(shí)，鉆孔施工至終孔進(jìn)行注漿；如鉆進(jìn)過(guò)程中涌水量大于10m3/h，則可隨時(shí)停止鉆進(jìn)而啟動(dòng)注漿。在注漿的過(guò)程中只要未達(dá)到全孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，每次注漿后均須壓水，若壓不進(jìn)水，則下鉆具進(jìn)行透、掃鉆孔至孔底，以便下次再注。單液漿在停注后8h 內(nèi)開(kāi)始掃孔。如果注漿材料為雙液漿，則停注后待孔口壓力歸零立即掃孔。

漿液水灰比可根據(jù)臨近注漿鉆孔漿液參數(shù)進(jìn)行比配，各鉆孔可根據(jù)實(shí)際注漿情況依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1 等級(jí)別進(jìn)行漿液稀稠調(diào)節(jié)[4]，首次開(kāi)注水灰比可采用1:0.4 比級(jí)。當(dāng)注漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率保持不變而注漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。當(dāng)某一級(jí)漿液注入時(shí)間已達(dá)1h，而注漿壓力和注入率均無(wú)顯著改變時(shí)，更換濃一級(jí)水灰比漿液灌注，或根據(jù)施工具體情況，越級(jí)變濃。注漿過(guò)程中，注漿壓力（突然掉壓）或注入率（突然增大）改變較大時(shí)，應(yīng)立即查明原因，采取相應(yīng)的措施處理。

在進(jìn)行灌漿時(shí)需注意控制注漿壓力，注漿壓力可表示為：

P0-注漿前的靜水壓力，實(shí)測(cè)為2MPa。

確定本次終止注漿壓力為6MPa。

在不揭露大溶洞或陷落柱的情況下，注漿量按下式估算：

V=L×K×δ×ξ×η×H/ω

L-注漿范圍長(zhǎng)度，有效注漿長(zhǎng)度約65m；

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K-注漿范圍寬度，30m；

H-受注層段厚度，取值30m；

η-受注層孔隙率，取值0.5%；

ξ-充填率，取值90%；

ω-漿液結(jié)石率，取值75%；

δ-流失系數(shù)，取值1.5。

參數(shù)帶入計(jì)算后，得鉆孔注漿量V 約為526m3，需水泥約500t。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該注漿堵水方案與北辛窯傳統(tǒng)井下堵水墻施工方案相比，施工效率提升了11.4%，施工成本降低了7.5%，具有效率高、成本低、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

針對(duì)北辛窯14 采區(qū)井下巷道涌水量大，長(zhǎng)期維持排水設(shè)備的運(yùn)行不僅極大地增加了礦井排水系統(tǒng)的排水負(fù)擔(dān)而且極大地影響煤礦井下綜采作業(yè)安全的現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦井下實(shí)際地質(zhì)條件，提出了一種新的注漿堵水技術(shù)方案，對(duì)積水區(qū)域進(jìn)行注漿堵水。實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）該堵水方案操作工藝簡(jiǎn)單，堵水效果良好，不僅降低了綜采作業(yè)過(guò)程中的出水量，而且確保了井下綜采作業(yè)的安全性。

（2）注漿堵水時(shí)選擇P.O42.5 普通硅酸鹽水泥為注漿堵水的材料，具有快速凝固和高強(qiáng)度的性能。

（3）在注漿過(guò)程中，采用分段下行式注漿法，孔口止?jié){方式，連續(xù)與間歇相結(jié)合，能夠有效確保堵水的效果。

（4）該方案與北辛窯傳統(tǒng)井下堵水墻施工方案相比，施工效率提升了11.4%，施工成本降低了7.5%，具有效率高、成本低、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。