干河煤礦F14斷層破碎帶注漿治理工藝及效果研究

王永飛

(山西焦煤能源集團(tuán)股份有限公司， 山西 太原 030006)

煤礦突水是指大量含水層水突然涌入井巷。在某些帶壓嚴(yán)重礦井的采掘過程中，一旦揭穿導(dǎo)水構(gòu)造(斷層、陷落柱等)，極有可能造成水害事故。目前，突水的工程防治措施很多，其原理都是盡可能地保持固有地質(zhì)體及其水文地質(zhì)的平衡狀態(tài)，強(qiáng)化抗突能力，削弱突水條件。注漿堵水是將水泥漿或化學(xué)漿通過管道壓入巖層空隙、裂隙中，使其擴(kuò)散、凝固和硬化，使圍巖具有較高的強(qiáng)度、密實性和不透水性，達(dá)到封堵截斷補(bǔ)給水源和加固地層的作用，是礦井防治水害的重要手段之一。干河礦在F14斷層附近回采時發(fā)生過出水，出水量最大400 m3/h. 為了多回收導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲褐Y源，需對工作面北部F14斷層進(jìn)行注漿治理，在斷層兩側(cè)和垂向上形成注漿隔水層，確保礦井工作面不受水害威脅，最大限度地回收煤炭資源。

1 概 況

1.1 地質(zhì)、水文地質(zhì)情況

干河礦2#煤層厚度0.20～5.35 m，平均2.11 m. 頂板巖性以泥巖為主,局部為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖,底板巖性以粉砂巖為主，局部為細(xì)粒砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖。煤層底板標(biāo)高在-20～370 m. 太原組石灰?guī)r溶隙含水層水位標(biāo)高為469.40～518.37 m. 奧灰峰峰組石灰?guī)r溶隙含水層水位標(biāo)高為505.00～523.80 m. K2灰?guī)r頂?shù)?#煤底板隔水層厚度在72～94 m，突水系數(shù)0.036～0.081 L/(s·m).

研究工作面注漿區(qū)域2#煤層開采突水系數(shù)介于0.061～0.076 MPa/m，大于臨界值0.06 MPa/m[1]，導(dǎo)水構(gòu)造存在的條件下，底板發(fā)生突水的幾率較大，局部區(qū)域奧灰水通過垂直構(gòu)造越流補(bǔ)給K2灰?guī)r含水層。主要開采煤層和主要含水層空間關(guān)系示意圖見圖1.

圖1 主要開采煤層和主要含水層空間關(guān)系示意圖

影響工作面的主要水源為下部太原組石灰?guī)r(K2)和奧陶系峰峰組石灰?guī)r(O2)溶隙含水層。從補(bǔ)勘鉆孔巖層對比分析，兩勘探孔之間有一斷距為80 m的斷層，推斷斷層走向北東。通過綜合分析，斷層可能導(dǎo)致K2灰?guī)r含水層和2#煤層頂板砂巖含水層發(fā)生水力聯(lián)系，K2灰?guī)r水可能通過該斷層導(dǎo)水補(bǔ)給砂巖含水層。

1.2 斷層及工作面情況

工作面位于F14斷層?xùn)|南側(cè)(上盤)，東北側(cè)60 m為某采空區(qū)，西北側(cè)均為采區(qū)3條系統(tǒng)大巷，東南側(cè)為某采空區(qū)。F14 斷層走向N55°～65°E，傾向SE，傾角40°～70°，斷距11～80 m，長度約3 640 m. F14斷層剖面圖見圖2.

圖2 F14斷層剖面圖

2 注漿設(shè)計

根據(jù)突水系數(shù)計算公式及工作面帶壓情況，主要針對F14斷層、底板垂向80 m范圍內(nèi)的K2灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固處理[2]. 依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第四十三條，布置探放水鉆孔的有關(guān)規(guī)定及現(xiàn)場地質(zhì)條件，注漿擴(kuò)散半徑按20 m計，有效注漿范圍在平面上F14斷層外偏30 m，施工12處鉆場，每個鉆場布置6個水平孔，共布置72個鉆孔。在剖面上左右以F14斷層破碎帶兩側(cè)30 m為界，上下以K2含水層頂面為界30 m范圍，每組剖面上共需布置9個鉆孔，共需布置鉆孔216個，預(yù)計進(jìn)尺約17 224.8 m，檢查孔進(jìn)尺按施工孔進(jìn)尺20%計，則總進(jìn)尺約20 669.7 m. 有效注漿范圍在平面上F14斷層左翼探查治理巷兩端向外延伸60 m；在剖面上左右以F14斷層破碎帶兩側(cè)30 m為界，上以K2含水層頂向上40 m左右為界，下以K2含水層底板向下30 m左右為界。注漿鉆孔剖面布置示意圖見圖3.

圖3 注漿鉆孔剖面布置示意圖

1) 成孔方式。普通鉆機(jī)鉆進(jìn)+隨鉆測量修正，便于精準(zhǔn)測量鉆孔軌跡，無芯鉆進(jìn)。

2) 鉆場選擇。鉆場設(shè)置在F14斷層左翼探查治理巷內(nèi)，每66 m一個鉆場(與斷層探查鉆孔共用鉆場)，共設(shè)12個鉆場，鉆場規(guī)格要求寬4 m，深4 m，高3.8 m，錨網(wǎng)支護(hù)。

3) 鉆孔間距。注漿鉆孔的擴(kuò)散半徑、鉆孔間距應(yīng)在工程實施前進(jìn)行現(xiàn)場試驗，參照經(jīng)驗公式及鄰近礦區(qū)經(jīng)驗計算；研究工作面按鉆孔注漿擴(kuò)散半徑20 m的經(jīng)驗值計算，正常區(qū)域終孔間距34 m，物探異常區(qū)、構(gòu)造帶鉆孔間距加密控制。因巖體孔隙率、巖體滲透系數(shù)及漿液的黏度等均對漿液擴(kuò)散半徑有較大影響，需在第一次鉆孔注漿過程中，進(jìn)行擴(kuò)散半徑試驗，完成對具體參數(shù)的試驗取值。

4) 終孔層位。注漿鉆孔至F14斷層破碎帶外偏30 m及K2含水層頂面上下30 m左右，具體注漿位置根據(jù)勘探鉆孔探查的斷層產(chǎn)狀進(jìn)行分析及設(shè)計鉆孔參數(shù)。

3 單孔施工工藝

1) 注漿孔的施工順序為：定位→開孔口→下一路孔口管→下二路保護(hù)管→注漿→壓力達(dá)到注漿標(biāo)準(zhǔn)或孔內(nèi)不進(jìn)漿→結(jié)束。

2) 采用單管埋設(shè)：使用d127 mm鉆頭開孔21 m，置入d89 mm套管20 m(壁厚≥4 mm)，凝固4 h后(快速水泥)，耐壓試驗需達(dá)到8.4 MPa，穩(wěn)定時間大于30 min；采用d75 mm鉆頭前進(jìn)式分段注漿。

4 注漿施工工藝

4.1 注漿站設(shè)計

注漿站位置：在F14斷層左翼探查治理巷附近選擇圍巖穩(wěn)定地段施工一硐室5 m×4 m×3 m，設(shè)置井下制漿站[3].

注漿設(shè)備：配備泥漿泵2臺(一用一備)，雙液注漿泵一臺。

儲漿池尺寸[4]：d1.8 m×挖深1.6 m. 吸漿口尺寸：長0.5 m×寬0.5 m×深2.1 m,吸漿口池底比儲漿池池底深0.3 m. 儲漿池及吸漿口挖好后,用鋼筋混凝土鋪底厚0.2 m；池壁用鋼筋混凝土立模澆筑，厚度為0.2 m；開挖口外沿用混凝土砌高0.2 m(高于硐室底板)，強(qiáng)度不低于C20.

池頂橫擔(dān)兩根20b工字鋼(200 mm×102 mm×9 mm)，工字鋼頂面與池頂平齊,以便安裝攪拌器。攪拌器型號為：BLD-5-71-5.5.

注漿管路：2趟2英寸管路送漿，使用高壓軟管連接。

4.2 主要注漿設(shè)備及注漿材料

1) ZYWL-4000型、ZDY-3200 s型煤礦用液壓鉆機(jī)各一臺。

2) 鉆探用泥漿泵，兩用一備；要求排量150～320 L/min(NBB390型、NBB260型)；壓力不小于8 MPa.

3) 礦用真空防爆開關(guān)3臺。

4) 地質(zhì)鉆桿d50 mm，鉆頭使用d127 mm或d75 mm.

5) 高壓注漿管d50 mm和U型卡子。

6) 2英寸和4英寸高壓閘閥等。

7) 礦用525#水泥及輔助材料。

4.3 注漿參數(shù)

壓力控制：壓力選取實測靜水壓力的2-4倍，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗，繪制注漿擴(kuò)散半徑與注漿壓力相關(guān)曲線，確定注漿壓力最大值[5]. 根據(jù)現(xiàn)場實測靜水壓力，注漿孔口壓力8.4 MPa，擴(kuò)散半徑20 m為準(zhǔn)。

濃度控制：1) 充填階段：孔口壓力在0～4.2 MPa時，進(jìn)行多泵聯(lián)合注漿，增加注漿量，注入高濃度單液水泥漿。2) 穩(wěn)壓階段：孔口壓力在4.2～8.4 MPa時，單泵小流量長時間注漿，增加擴(kuò)散距離，注入低濃度水泥單液漿。

起始控制：鉆孔出水量大于5 m3/h，立即停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿。當(dāng)注漿壓力增大時，水泥漿注不進(jìn)去，立即停止注漿。應(yīng)實施透孔，透孔至原出水點；出水量還是大于3 m3/h，停止透孔再進(jìn)行注漿，如果出水量較小，可繼續(xù)鉆進(jìn)到下一出水點再進(jìn)行注漿，循環(huán)至終孔位置。

結(jié)束及封孔標(biāo)準(zhǔn)：建議孔口壓力超過8.4 MPa，注漿量急劇減少時，逐次換檔降低泵量，并維持20 min.

單孔注漿量：注漿量由面積決定，注漿段由K2石灰?guī)r、砂巖及砂巖組成，裂隙率0.1%，漿液結(jié)石率85%，巖溶裂隙充填率90%，漿液流失系數(shù)1.2，則注漿量計算如下：

Q=T·ζ·η·ε/μ

式中，Q為總注漿量，m3；T為注漿范圍，m，按照平面面積約100 158 m2；注漿垂向?qū)挾劝?0 m計；η為巖溶裂隙率，取0.1%；μ為漿液結(jié)石率，取85%；ζ為充填率，取90%；ε為漿液損耗系數(shù)，取1.2.

計算注漿總量為10 181 m3，本區(qū)域共需布置216個鉆孔，因此單孔注漿量需47.2 m3.

5 注漿施工流程

1) 施工流程。

固管注漿根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取單液水泥漿或雙液漿。底板加固采用單液水泥漿。水泥質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。水泥漿的密度應(yīng)控制在1.2～1.3 kg/m3.

漿液輸送：注漿站→注漿管路→井下臨時注漿點→孔內(nèi)(注漿前必須進(jìn)行壓水試驗)。

2) 施工注意事項。

a) 鉆孔施工完畢后應(yīng)進(jìn)行清水沖洗，注漿前要先壓清水，然后注單液漿。

b) 漿液濃度應(yīng)根據(jù)壓水試驗結(jié)果確定，密度選取1.2～1.6 kg/m3. 首先用稀漿進(jìn)行試注，記錄吃漿量及孔口壓力情況，對臨孔是否串漿等情況進(jìn)行觀測，及時調(diào)整漿液濃度。

若鉆孔出水量大于5 m3/h，立即起鉆注漿，結(jié)束后均要向孔內(nèi)壓水，壓水量為管路與孔內(nèi)體積之和的兩倍，之后及時下鉆具掃孔至孔底。

c) 單孔注漿量大于50 m3仍不上壓時，停止注漿，利用專門加工的料管進(jìn)行投料，封堵裂隙，投料時骨料粒徑采用先小后大的原則。

d) 注漿時加強(qiáng)各排水點觀測，是否有出漿現(xiàn)象。如有需立即進(jìn)行投料堵漏。

6 注漿效果檢驗流程

1) 利用礦用本安型瞬變電磁動態(tài)成像儀對注漿效果進(jìn)行探測，并對前后兩次物探成果進(jìn)行驗證。

2) 通過取芯孔來判定F14斷層破碎帶、充填物、底板巖性及底板隔水層厚度，通過鉆孔水壓、水量變化及巖層裂隙充填情況來檢查注漿效果。

3) 檢查孔：鉆孔注漿后應(yīng)施工驗證孔對注漿效果進(jìn)行檢驗。正常區(qū)每隔120 m布置一組檢查孔，物探異常區(qū)、構(gòu)造帶、鉆孔出水量大于5 m3/h地段，每隔30 m布置一組檢查孔，檢查孔出水量大于3 m3/h地段，重新布置鉆孔加固[5].

4) 檢驗孔：不少于注漿孔數(shù)量的20%.

7 注漿效果

通過注漿治理，在斷層兩側(cè)形成約60 m的注漿隔水層，在垂向上形成80 m左右的注漿隔水層，有效起到隔水效果，能夠滿足安全回采?，F(xiàn)工作面已基本形成，治理后基本無水，表明注漿治理可以有效起到隔水效果。

8 結(jié) 語

在注漿治理過程中，應(yīng)嚴(yán)格落實物探、鉆探等必要的探查和防治水措施。通過對該斷層治理，進(jìn)一步保證了工作面不受水害影響，最大限度地回收煤炭資源，原工作面留設(shè)煤柱在110 m以上，治理工程完成后，按照留設(shè)50 m的保安煤柱計算，約縮減煤柱60 m，解放煤炭儲量41萬t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

Study on Grouting Treatment Technology and Effect on Fault Fracture Zone of F14 in Ganhe Coal Mine

WANG Yongfei

AbstractIn order to reasonably reserve waterproof coal pillars and liberate coal resources affected by water disasters, according to the occurrence conditions of coal seams in the fault fracture zone of F14 in Ganhe Coal mine, including water-proof layer conditions, geological and hydrogeological conditions, and previous measured data, theoretical analysis and field measurement methods are adopted to put forward grouting reinforcement treatment technology and transform the mining conditions of F14 fault. The grouting water barrier layer is formed on both sides of the fault and vertically. The field construction shows that the grouting treatment has an effective effect of water separation and can be safely mined.

KeywordsFault fracture zone; Limestone aquifer; Grouting; Water output