覆巖離層注漿工藝的改進(jìn)與優(yōu)化

鞏建雨

(河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì),河北 邯鄲市 056000)

0 引言

煤炭是中國的主體能源[1]。然而,在煤炭開采所引起的諸多環(huán)境問題中,如瓦斯、水害等,尤其以開采沉陷最為突出。我國以高達(dá)90%的井工開采比例導(dǎo)致目前有超過110萬hm2的采煤損毀地,并以每年3萬～4萬hm2的速度增長[2]。煤炭燃燒利用后產(chǎn)生的粉煤灰成為中國目前年排放量和累計(jì)堆積量最大的工業(yè)廢棄物之一[3]。我國煤矸石累計(jì)堆存已達(dá)70億t,且以1.5億t/a的速度增長,占地面積約70 km2,約為全國耕地保有面積的6.79%[4]。如何控制煤炭開采產(chǎn)生的地表沉陷,處理煤炭利用產(chǎn)生的粉煤灰及煤炭開采產(chǎn)生的矸石成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。離層注漿技術(shù)是一種煤炭開采減沉新技術(shù)[5],該技術(shù)既能有效抑制離層上方的地表沉陷[6-7],又提供了粉煤灰、矸石利用的新渠道。

煤礦綜合機(jī)械化開采已普及,特別是地質(zhì)條件好的煤礦采用大采高、大采寬綜采走向長壁采煤法,產(chǎn)煤量較以往采煤方法大大增加。為達(dá)到設(shè)計(jì)的下沉值,滿足建(構(gòu))筑物Ⅰ級保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等級的規(guī)定,實(shí)現(xiàn)采煤不破壞建(構(gòu))筑物的綠色開采理念,給以減沉為目的的離層注漿技術(shù)提出了更高的要求,需在注漿工藝的制漿、注漿系統(tǒng)等多方面進(jìn)行不斷地優(yōu)化,以適應(yīng)采煤工藝的進(jìn)步。

1 注漿方式由負(fù)壓注漿變?yōu)檎龎鹤{

負(fù)壓注漿即注漿泵的進(jìn)漿口高于攪拌池內(nèi)液面,常用于煤礦注漿堵水,一般注漿距離短,不大于500 m;注漿量小,水泥不大于300 t/d;常采用間歇注漿;注漿主原料是水泥,少量輔料是粉煤灰等,不易堵塞注漿管道,故負(fù)壓注漿對煤礦注漿堵水不產(chǎn)生任何負(fù)面影響。離層注漿技術(shù)直接沿用了該負(fù)壓注漿方式,但離層注漿有自身獨(dú)有的特點(diǎn)。

(1)注漿的連續(xù)性。注漿自開始至單孔或項(xiàng)目結(jié)束長達(dá)數(shù)月,無間歇注漿。

(2)注漿量大。注入量一般為2000～5000 t/d的粉煤灰、黃土或矸石等原料。

(3)注漿泵無自吸功能。注漿泵多采用F300、F500、3NB-350等型號石油鉆井泵,不具有自吸功能,負(fù)壓注漿時,注漿泵每次啟動時,需要灌泵多次,才能正常供漿,影響注漿的連續(xù)性和注漿質(zhì)量。

(4)注漿工作面距離遠(yuǎn)。注漿站至注漿工作面距離近則2000 m,遠(yuǎn)則4000～8000 m,注漿管易堵塞。

一種用于注漿充填裝置的正壓制漿布置系統(tǒng)[8]如圖1所示,該系統(tǒng)中攪拌池頂面與地面±0 m 在同一水平,攪拌池的高度一般為2～5 m 不等,在攪拌池底布置出漿口,出漿口與注漿泵進(jìn)漿口布置在同一個水平面,泥漿池內(nèi)的漿液液面高度始終高于泥漿泵的進(jìn)口端,利用漿液面自然水頭的壓力將漿液壓入泥漿泵,注漿方式由負(fù)壓注漿變?yōu)檎龎鹤{,解決了注漿泵每次啟動時需要灌泵的問題。

圖1 一種用于注漿充填裝置的正壓制漿布置系統(tǒng)

2 干濕粉煤灰制漿機(jī)一體化

粉煤灰的運(yùn)輸方式有兩種:一種是濕式,由自卸汽車或帶式輸送機(jī)運(yùn)至注漿站儲灰場,鏟車鏟入定制料斗,輸送至制漿機(jī)制漿;一種是干式,由罐車運(yùn)輸?shù)阶{站專用儲灰罐存儲,通過配套的螺旋給料機(jī)、稱重后進(jìn)入制漿機(jī)制漿。兩套制漿系統(tǒng),互不通用,不僅增加了投資,還占用了大量注漿場地,增加了注漿維護(hù)人員。

一種干、濕一體制漿機(jī)[9]如圖2所示,減去了儲灰罐、稱重設(shè)備、制漿機(jī)等,在原濕式制漿機(jī)的基礎(chǔ)上,加裝了氣缸或油缸自動驅(qū)動快速開合的密封蓋和干灰進(jìn)灰系統(tǒng),快速轉(zhuǎn)換干、濕進(jìn)灰系統(tǒng),改變干、濕灰制漿模式,實(shí)現(xiàn)了一機(jī)兩用,經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,實(shí)用性強(qiáng)。

圖2 一種干、濕一體制漿機(jī)

3 攪拌池制作工廠預(yù)制化

傳統(tǒng)攪拌池需在現(xiàn)場開挖基坑、打墊層、綁扎鋼筋、模板支護(hù)、水泥砂漿澆筑、水泥砂漿養(yǎng)護(hù)等多道工序,由鋼筋水泥砼制作而成。它有下列缺點(diǎn)。

(1)制作時間長,費(fèi)用高,且不能重復(fù)使用。

(2)注漿工程結(jié)束后,需要將攪拌池筒體的鋼筋水泥砼用風(fēng)鎬或電鎬一點(diǎn)一點(diǎn)清除,恢復(fù)土地原貌非常困難。

(3)不符合綠色環(huán)保、清潔生產(chǎn)的理念。

一種簡易快速拼裝組合的制漿攪拌池[10]如圖3所示,攪拌池可以提前在工廠規(guī)?；⒁?guī)格化定制預(yù)加工,運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場即可快速拼裝組合使用,省工、省時、方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可重復(fù)使用,已取代砼制攪拌桶。

圖3 一種簡易快速拼裝組合的制漿攪拌池

4 “檢修不停注漿”理念的提出與實(shí)現(xiàn)

隨著工作面采煤的不斷推進(jìn),離層空間的不斷產(chǎn)生,注漿應(yīng)隨即充填離層空間,達(dá)到隨采隨充,采充匹配,自注漿開始至單孔、項(xiàng)目注漿結(jié)束,離層注漿是連續(xù)的,非特殊情況不得停止注漿。從原料供應(yīng)至漿液注入離層,中間各個環(huán)節(jié)導(dǎo)致的注漿間隔可通過以下措施解決。

4.1 制漿原料供應(yīng)

為避免因運(yùn)料的不暢通等原因?qū)е碌耐Ｖ构┝?儲料場內(nèi)應(yīng)保證有2～3 d的最大用料量存儲備用。

4.2 制漿設(shè)備

粉煤灰等粉狀制漿系統(tǒng)的檢修可通過增加備用制漿設(shè)備的套數(shù)來解決,為一用一備或兩用一備;矸石等塊狀制漿系統(tǒng)因濕式球磨機(jī)的投資較高,一般是單配套,有條件一用一備,確保從制漿的源頭保證漿液的正常供給。

4.3 攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)

攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)因漿液具有掛壁性、漿液內(nèi)攜帶的殘?jiān)?以及依層狀流態(tài)流動等多種因素的共同作用,攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)內(nèi)易產(chǎn)生殘?jiān)恋砼c內(nèi)垢,影響供漿,需要不定期進(jìn)行清理,攪拌池及泵前供漿系統(tǒng)如圖4所示,該布置會導(dǎo)致清理期間注漿中斷。

圖4 泵前供漿系統(tǒng)

一種不間斷注漿的二次攪拌筒及泵間吸漿系統(tǒng)[11]如圖5所示,充分利用現(xiàn)有的管道,改供水管8為供水與備用供漿兩用管。檢修攪拌池時,進(jìn)漿口1根據(jù)需要調(diào)節(jié)漿液進(jìn)入不同的攪拌池,供漿時供漿管9、供水管8同時供漿,不影響供漿量;檢修供漿管9時,供水管8臨時供漿,注漿均不間斷。各節(jié)點(diǎn)之間的所有法蘭、螺絲連接改為卡箍連接,清理管內(nèi)掛漿結(jié)垢及沉渣時,拆卸、安裝簡單方便、快捷,既省時又省力。解決了因清理管道、攪拌池內(nèi)壁掛漿結(jié)垢、沉渣而導(dǎo)致無法連續(xù)注漿的問題。

圖5 一種不間斷注漿的二次攪拌筒及泵間吸漿系統(tǒng)

4.4 注漿泵

注漿泵根據(jù)離層注漿的階段不同,常采用兩種規(guī)格的注漿泵,用于前期注水憋壓和末期的維護(hù)補(bǔ)漿,如NBB-390等,排量為3～23 m3/h;用于注漿初、中期的大排量注漿,如F-350、F-500、5G-450等,F-350、F-500排量為45～120 m3/h,5G-450排量為89～213 m3/h。注漿泵配置時至少有一臺套NBB-390的注漿單元和一臺套F300、F500、5G-450的注漿單元作為備用,以保證注漿的連續(xù)性。

4.5 泵后注漿管道系統(tǒng)

注漿泵布置連接多為一臺泵對應(yīng)一條管道和一個注漿鉆孔。檢修、保養(yǎng)注漿泵前,為避免漿液沉淀堵塞管道和注漿孔,需要將注漿管道內(nèi)的漿液用清水頂替到孔底,并附加一定的富余量,而后才能停泵更換注漿泵,根據(jù)注漿管道的距離及選用的管徑不同,一次注入清水10～30 m3不等,用時約1～2 h。注漿期間若因注漿泵意外原因突然停止注漿,極易導(dǎo)致注漿管道和鉆孔堵塞,不能保證注漿的連續(xù)性。

一種快速串、并聯(lián)的注漿管道連接布置系統(tǒng)[12]如見圖6所示,將所有注漿管串、并聯(lián)在一起,系統(tǒng)中始終有一臺套備用注漿泵單元,檢修保養(yǎng)注漿泵或因意外停止注漿時,無須再用清水沖洗注漿管道,只須開啟、關(guān)閉系統(tǒng)中對應(yīng)的閥門開關(guān),即可實(shí)現(xiàn)備用注漿泵單元參與注漿,亦可實(shí)現(xiàn)任意一臺套注漿泵與任意注漿管連接的鉆孔之間、清水與漿液之間有序任意轉(zhuǎn)換。

圖6 一種快速串、并聯(lián)的注漿管連接系統(tǒng)

4.6 孔口裝置

孔口裝置是連接注漿管和鉆孔的轉(zhuǎn)換裝置,孔口裝置目前沒有專業(yè)廠家生產(chǎn),均由施工單位現(xiàn)場自行加工制作。該裝置應(yīng)能確保注漿的連續(xù)性與注漿管出現(xiàn)跑漿等異常情況下的安全性。一種適用于離層注漿的井口裝置[13]如圖7所示,該裝置的缺點(diǎn)是主閥門安裝不方便或安裝后內(nèi)徑小于套管的內(nèi)徑,嚴(yán)重影響注漿時的過漿量。改進(jìn)井口裝置如圖8所示。

圖7 一種適用于離層注漿的井口裝置

圖8 改進(jìn)井口裝置

(1)去除主閥門,在注漿口串聯(lián)安裝閥門兩個,常開備用閥門始終處在開位,作為備用閥門,管體及閥門均不影響注漿時的過漿量。

(2)常開工作閥門在非正常情況下開啟與關(guān)閉,損壞后,關(guān)閉常開備用閥門,更換后繼續(xù)使用。

(3)在壓力表上串聯(lián)了安全閥,可更換損壞的壓力表。

(4)在注漿口、堵頭焊接到井口裝置管體后,又采取了安全冗余的加強(qiáng)措施,確保萬無一失。

4.7 鉆孔

鉆孔孔位根據(jù)工作面的采寬等情況沿傾向單排或雙排布置,排間孔為一組兩孔,一主一輔,兩用或一用一備,實(shí)現(xiàn)工作面注漿的連續(xù)性。

5 首排注漿鉆孔套管防破壞措施

在采煤工作面停采線側(cè)、切眼側(cè)的首排孔注漿時,注漿鉆孔設(shè)計(jì)為直孔,且處在滑移角的移動面外,同時存在因未準(zhǔn)確把握注漿時機(jī)的雙重安全隱患。漿液若不能及時補(bǔ)充已形成的目標(biāo)離層空間,巖層繼續(xù)向上移動與變形,擾動到已成孔的注漿孔孔段,導(dǎo)致套管擠扁、拉伸、剪切等破壞,無法建立過漿通道,進(jìn)而導(dǎo)致項(xiàng)目注漿失敗的嚴(yán)重后果。

現(xiàn)有成熟的防范措施是在套管內(nèi)下入中心油管作為注漿管,當(dāng)注漿孔技術(shù)套管被破壞后,不影響漿液順利注入離層,起到了冗余安全防護(hù)的作用。但該措施的弊端是:被動地防范套管破壞;在現(xiàn)有的鉆孔結(jié)構(gòu)下,下入的油管一般為Φ89 mm 或Φ114 mm,較原技術(shù)套管Φ178 mm 的過漿管徑而言,無法滿足注漿初期一孔多泵同時盡最大泵量注入漿液。

一種防止離層注漿首排鉆孔破壞的設(shè)計(jì)方法[14]如圖9所示,利用地層固有的滑移角而設(shè)計(jì)的定向孔,鉆孔的裸孔段靶點(diǎn)位于注漿目標(biāo)注漿離層內(nèi),技術(shù)套管段的鉆孔軌跡在離層發(fā)展至孔底時,均位于巖石移動角、表土層移動角移動面以及目標(biāo)關(guān)鍵層破斷距的安全范圍內(nèi),且有一定的安全冗余距離。該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了:主動預(yù)防套管破壞;無須再下入注漿油管,節(jié)省資金的同時,不影響套管的內(nèi)徑,可最大限度地滿足注漿初期的多泵同時對同一個鉆孔最大泵量注入漿液;可在第一時間發(fā)現(xiàn)離層,并及時注漿支撐上部目標(biāo)關(guān)鍵層,防止目標(biāo)關(guān)鍵層的再次破斷,避免了因套管被擠扁變形、拉斷、剪切等破壞而導(dǎo)致的項(xiàng)目失敗。

圖9 一種防止離層注漿首排鉆孔破壞的設(shè)計(jì)方法

6 結(jié)論

從注漿站設(shè)備布置的系統(tǒng)化、規(guī)范化到正壓注漿、干濕一體制漿機(jī)、攪拌池、制漿、注漿系統(tǒng),注漿孔套管防破壞等多個環(huán)節(jié)的改進(jìn)與優(yōu)化,使覆巖離層注漿工藝更加趨近于成熟,完全能滿足大采高、大采寬走向長壁綜合機(jī)械化采煤工藝高強(qiáng)度開采條件下的減沉注漿要求,達(dá)到建(構(gòu))筑物Ⅰ級保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等級的規(guī)定,實(shí)現(xiàn)采煤不破壞建(構(gòu))筑物的綠色開采理念。

(1)提出了“檢修不停注漿”的理念并使該理念從原料供應(yīng)到漿液注入離層的各個環(huán)節(jié)得以實(shí)現(xiàn),保證了注漿的連續(xù)性,克服了檢修、保養(yǎng)等期間注水的弊端。

(2)正壓注漿,漿液由“吸”入式變?yōu)椤皦骸比胧?解決了因灌泵引起的系列不良問題,并增加了注漿泵的有效容積效率。

(3)提出了首排注漿鉆孔套管防破壞的技術(shù)預(yù)防措施,變被動防范為主動預(yù)防,避免了因套管破壞跑漿導(dǎo)致的項(xiàng)目失敗。

(4)注漿站設(shè)備布置的系統(tǒng)化、服務(wù)的長期化,隨著遠(yuǎn)距離漿液輸送問題的解決,以制漿站為專職的母站和專職注漿的臨時子站為特征的“母子站”成為注漿發(fā)展方向,將會在不久的將來得以實(shí)現(xiàn)。