劉云虎

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司)

陷落柱出水地面注漿封堵護(hù)架技術(shù)實(shí)踐

劉云虎①

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司)

地面注漿技術(shù)已經(jīng)成為礦井涌水封堵的主要技術(shù)方法之一。針對某煤礦2-1101工作面在特殊條件下制定了工作面突水治理方案,進(jìn)行地面注漿堵水,有效封堵陷落柱出水,保證采區(qū)及工作面大型設(shè)備不受損壞,不被漿液粘結(jié),實(shí)現(xiàn)工作面安全回撤。該“注漿堵水護(hù)架”技術(shù)具有較好的推廣價值。

礦井工作面;突水;注漿;堵水;護(hù)架技術(shù);方案;效果

1 2-1101工作面突水情況

1.1 2-1101工作面概況

某煤礦370水平位于某井田東北部,十一采區(qū)位于某井田的東北部455水平四采區(qū)以北,東以F33斷層為界,西以F24及F28斷層為界。2-1101工作面位于十一采區(qū)西部皮帶巷前進(jìn)方向的左翼,工作面順槽長710～740 m,切巷長150 m,開采煤層為山西組2#煤合并層,煤厚4.5 m,煤層傾角9°～18°,平均14°。工作面采用大采高一次采全高技術(shù),裝備5 m大采高綜采支架一套。

1.2 2-1101工作面突水情況簡介

2007年3月13日,該礦2-1101工作面推進(jìn)過程中揭露№572陷落柱,該陷落柱充填物為大塊細(xì)砂巖,充填緊密膠結(jié)程度好。3月18日8:00,陷落柱沿工作面走向推進(jìn)13 m,沿工作面傾向揭露37 m時,陷落柱靠近副巷側(cè)邊緣底板出水,出水點(diǎn)標(biāo)高+350 m,帶壓1.7 MPa,涌水量為50～60 m3/h,水色發(fā)渾,夾有大量泥沙,經(jīng)化驗(yàn)為K4灰?guī)r水。3月20日,陷落柱靠近正巷側(cè)邊緣底板也開始出水,工作面涌水量達(dá)到100 m3/h左右,此后涌水量不斷遞增,至3月31日涌水量已達(dá)到500～600 m3/h,4月5日涌水量達(dá)到峰值1 000～1 200 m3/h,經(jīng)專家分析認(rèn)為與奧灰導(dǎo)通,研究決定關(guān)閉防水閘門,實(shí)行地面注漿堵水。

2 2-1101工作面突水治理方案

2.1 封堵工程目的

為了恢復(fù)2-1101工作面生產(chǎn)系統(tǒng)并確保礦井安全,決定采用地面打鉆注漿方法封堵突水陷落柱相關(guān)含水層和涌水通道。工程目的是:

1)封堵陷落柱出水,對O2、K2、K3、K4含水層全部封堵,堵水后涌水量小于50 m3/h,保證工作面安全回撤,不發(fā)生二次突水。

2)保證采區(qū)及工作面大型設(shè)備不受損壞,不被漿液粘結(jié)。

2.2 陷落柱封堵技術(shù)方案

采用地面打鉆注漿方法,此次注漿為保護(hù)工作面的大型綜采設(shè)備,分兩步施工。

1)綜采設(shè)備區(qū)域通過鉆孔采用砂和粉煤灰充填,簡稱“蓋帽”護(hù)架。方案設(shè)計沿工作面停采線共布置4個鉆孔。其中副巷下方1個,陷落柱范圍內(nèi)2個,靠近停采線正巷內(nèi)1個。正巷內(nèi)鉆孔成孔后先期投注骨料(05石子或米石)封閉巷道。由于正副巷在150 m的距離內(nèi)高度落差達(dá)41 m(正巷低、副巷高),所以,后期利用下部3個鉆孔注砂和粉煤灰會自正巷位置由下往上堆積。預(yù)計砂和粉煤灰的充填總量為6 000 m3,砂、粉煤灰各3 000 m3(其中砂3 000 m3×1.5 t=4 500 t)。鉆孔的技術(shù)要求:沿停采線布置的3個鉆孔往煤壁方向偏斜不得超過1 m,往采空區(qū)方向不得超過0.8 m(支架護(hù)板的長度)。正巷內(nèi)鉆孔偏斜不得超出巷道中心線1 m。

2)綜采設(shè)備區(qū)域充填完成后,方可進(jìn)行陷落柱堵水注漿,簡稱“卡腰”堵源。方案在陷落柱內(nèi)共設(shè)計3個主孔,深度350 m,在陷落柱內(nèi)三角形均勻布置。充分利用前期充填工作布置在陷落柱內(nèi)的2個鉆孔,下延至250 m下入套管,各孔視位置不同,保證套管下至K4灰?guī)r頂面以上位置。250～350 m裸孔,鉆進(jìn)中遇漏則注。每個主孔各設(shè)計2個分支鉆孔,終孔位置均勻沿陷落柱邊緣均勻布置。陷落柱注漿共設(shè)計水泥10 000 t,粉煤灰6 000 t。陷落柱注漿技術(shù)要求:

a)鉆孔技術(shù)要求:主孔、分支孔終孔偏斜位置不得超出設(shè)計位置3 m。b)注漿技術(shù)要求:注漿前壓水試驗(yàn)和注漿過程中要利用正副巷兩個充填孔觀測采空區(qū)水位,如兩個鉆孔水位發(fā)生變化,要立即停注或采用純粉煤灰漿液注漿。c)注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn):終孔、終量要達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求。

3 施工過程

3.1 施工工藝及采用設(shè)備

1)打鉆設(shè)備采用5套TXJ-1000型鉆機(jī)同時施工。配置5套螺桿鉆具定向設(shè)備。

2)注漿設(shè)備,需建設(shè)2套散裝灰注漿系統(tǒng),每套系統(tǒng)配置3只25 t以上的儲灰罐,5臺BW-320型注漿泵。兩套系統(tǒng)形成每日600 t的注漿能力。

3.2 鉆探工程

設(shè)計在№572陷落柱內(nèi)施工堵1孔、堵2孔、堵3孔,正巷施工封1孔,副付巷下方施工封2孔。在施工中根據(jù)實(shí)際情況,又在位于№572陷落柱外北部,距陷落柱邊緣6 m處增加了封3孔,這樣能夠加強(qiáng)對綜采設(shè)備區(qū)域的充填能力,還能夠觀測采空區(qū)水位。堵1孔與堵2孔之間南側(cè)靠近堵2孔6.37 m處增加堵4孔,可以做為強(qiáng)化注漿或做為檢查鉆孔,堵1孔、堵2孔、堵3孔各打2個分支孔,共計11個鉆孔。

1)鉆探工程成果。

a)施工鉆孔按預(yù)定技術(shù)方案進(jìn)行。共完成7個鉆探主孔,4個定向分支孔,共計11個鉆孔,鉆探總進(jìn)尺2 558.98 m,下入d273 mm套管164.54 m、d194 mm套管636.18 m、d159 mm套管1029.18 m,下入套管總長1829.9 m。按堵水設(shè)計方案中各孔的目的任務(wù)進(jìn)行了施工,各層套管根據(jù)各孔的實(shí)際情況分別隔離封閉了沖擊層含水層、采空區(qū)上部含水層和采空區(qū),封閉采空和沖積層含水層共用袋裝水泥181 t。堵3孔、堵4孔進(jìn)行了全取芯,堵1孔、堵2孔、封1孔、封2孔、封3孔、堵1-1孔、堵2-1孔、堵2-2孔、封3-1孔進(jìn)行了部分取芯。對漏失孔段進(jìn)行了詳細(xì)記錄并用鋸末、泥漿土、水泥漿液進(jìn)行了堵漏。封孔后進(jìn)行取樣,檢查水泥巖樣固結(jié)密實(shí)。

b)№572陷落柱的構(gòu)造形態(tài)基本探明?；静槊髁恕?72陷落柱的構(gòu)造形態(tài)。設(shè)計在陷落柱內(nèi)施工的有堵1孔、堵2孔、堵3孔,根據(jù)取芯情況判明№572陷落柱的范圍沒有原有資料所圈定的范圍大。頂界高度在160 m左右,底界層位在山西式鐵礦頂界面2#煤采掘工程平面圖上,北部按原有界線劃定;南部按堵1孔、堵2孔分別見陷落柱底界深度309.14 m和318.5 m、堵4孔見陷落柱底界327.5 m的連線與堵3孔距離的一半連線圈定;東部按堵2-1孔、堵2-2孔見陷落柱底界與原界線距離的一半連線并參考停采線上3#陷落柱實(shí)見點(diǎn)圈定;西部按堵1孔見陷落柱底界309.14 m的深度,結(jié)合停采線上2#陷落柱實(shí)見點(diǎn)圈定。因封3-1孔鉆深342.29 m,已在奧灰內(nèi)22.8 m沒有揭露陷落柱,終孔點(diǎn)距2#煤陷落柱邊緣僅0.4 m左右,判定該陷落柱不可能是上口小、下口大。再結(jié)合各鉆孔揭露判定的陷落柱頂?shù)捉缑嫒Χǚ秶驮?#煤處陷落柱形態(tài),做出剖面分析后,基本認(rèn)定該陷落柱為一棗核型,東西軸長37 m,南北軸長約25 m。

原設(shè)計堵1孔、堵2孔、堵3孔都打2個分支孔,具體施工中堵1-1孔按計劃施工,增打的堵4孔和堵1孔的另一個定向分支孔終孔落點(diǎn)基本一致。堵3孔因在陷落柱外,所以沒有再打定向分支孔。另外在陷落柱外的NE方向增打了封3孔,并定向分支封3-1孔。施工鉆孔總數(shù)11個,與設(shè)計施工鉆孔總數(shù)一致。

2)鉆探工程質(zhì)量評價。

a)定向分支孔均勻布置。堵1～1孔定向分支到№572陷落柱中部,基本查清陷落柱中部情況并進(jìn)行了注漿。堵2～1孔定向分支到№572陷落柱南東部,堵2～2孔定向分支到№572陷落柱北東部,查清陷落柱東部邊界形態(tài),封3～1孔定向分支到№572陷落柱北部,基本證實(shí)了原圈定的陷落柱北部邊界。各定向分支孔在№572陷落柱內(nèi)外的均勻布置,控制了該構(gòu)造形態(tài)。b)孔斜。測斜儀器選用地質(zhì)鉆探常用的上海地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的JJ X-3A型測斜儀,其精度能夠滿足現(xiàn)有鉆孔孔斜測量精度。各鉆孔為保證測斜的準(zhǔn)確性,采用先下測、后上測、二次測量的方法保證精度。c)封孔。各孔在封孔打壓后都在孔內(nèi)進(jìn)行了水泥巖樣的采取,水泥固結(jié)密實(shí),安全性可靠。3.3 綜采設(shè)備保護(hù)區(qū)域骨料充填工程

沿停采線布置了封1孔、封2孔、堵1孔、堵2孔,采空區(qū)布置了封3孔。首先封堵封1孔,而后利用正副巷41 m的高差,封2孔、堵1孔、堵2孔、封3孔所注的骨料會自正巷由下向上堆積,從而達(dá)到充填覆蓋綜采設(shè)備和初步達(dá)到切斷陷落柱出水通道與工作面的水力聯(lián)系。預(yù)計充填工期45天。

骨料選用粗粉煤灰、粗沙、鋸末等,設(shè)計充填骨料量13 500 t。

2007年6月6日-8月6日,共注粗粉煤灰21 955 m3、粗沙502 m3、鋸末67 m3。填注骨料量工期和注料量都大于設(shè)計工期和設(shè)計注料量,原因是原設(shè)計只考慮綜采設(shè)備區(qū)域充填和覆蓋的范圍,骨料充填量增加了2倍,既綜采設(shè)備總長度149 m×寬度6.94 m×采空區(qū)高度4.5 m×3 m。實(shí)際骨料充填工程中,根據(jù)實(shí)際充填量估算,充填區(qū)域?qū)挾纫褦U(kuò)增到11 m多,故骨料充填量比預(yù)注量多8 957 m3。根據(jù)注料量和資料分析對比,綜采設(shè)備區(qū)域基本已被充填和覆蓋。

綜采區(qū)域設(shè)備支架充填保護(hù)評價。估算的綜采區(qū)域設(shè)備支架充填體積為4 650 m3,設(shè)計注料量是該充料量的3倍,實(shí)際注料量高達(dá)4.7倍。7月23日、24日以后,在堵1孔、堵2孔連續(xù)注料期間,封3孔、封2孔水位多次抬升和堵孔,粉煤灰堆積孔內(nèi)。封3孔水位抬升早于封2孔,從而判斷粉煤灰是先充填至封3孔周圍區(qū)域,不再向北部采空擴(kuò)散后,轉(zhuǎn)而向封2孔周圍堆積。這說明綜采設(shè)備區(qū)域內(nèi)骨料已基本填充滿,骨料已經(jīng)向高處和部分采空區(qū)域擴(kuò)散。綜采區(qū)域設(shè)備支架充填保護(hù)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計目的。

3.4 注漿工程

1)注漿參數(shù)。

a)注漿方法?？卓诩泳谘b置注漿。

b)漿液配比。水灰比控制在1∶1、0.75∶1、0.6∶1,漿液混合比重1.5～1.8 g/cm3。

c)漿液注入量。一般8～12 t/h,特殊技術(shù)要求除外。

d)終壓結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。終壓要達(dá)到靜水壓力的1.5倍(全壓力4.5 MPa)或最終吸漿量小于50 L/min。

e)注漿材料。選用洪洞曉波建材公司生產(chǎn)的PS32.5#礦渣硅酸鹽水泥和霍州市化學(xué)工業(yè)有限責(zé)任公司水泥廠生產(chǎn)的PS32.5#礦渣硅酸鹽水泥。

2)注漿情況。設(shè)計陷落柱內(nèi)的3個主孔和定向分支鉆孔在陷落柱和奧灰內(nèi)注漿。預(yù)計注漿量17 000 t,其中水泥11 000 t、細(xì)粉煤灰6 000 t。根據(jù)鉆孔漿液的漏失情況,本次注漿工程主要都在№572陷落柱內(nèi)的堵1-1孔、堵2孔進(jìn)行。堵1-1孔于2007年10月1日-10月17日、2007年11月1日-11月4日,堵2孔分別于2007年8月21日-8月31日和2007年9月15日-9月17日,在陷落柱和奧灰內(nèi)進(jìn)行分階段連續(xù)注漿。另外,8月7日-11日、9月2日-8日,還根據(jù)堵1孔、堵2孔孔內(nèi)情況進(jìn)行了間歇注漿,主要目的封堵鉆孔與采空區(qū)的水力聯(lián)系。全部注漿工程量9 675 t,終止注漿壓力都大于4.0 MPa。實(shí)際注漿量比原設(shè)計少1 325 t,原因是陷落柱范圍比原范圍縮小,相應(yīng)充填量也就減少。陷落柱按頂?shù)酌娣e一致推斷,2#煤陷落柱原面積用計算機(jī)圈定為1 105 m2,陷落柱高度平均按160 m,裂隙率按5%,估算陷落柱充填體積為8 840 m3,考慮奧灰水泥充填體積,設(shè)計量為17 000 t。經(jīng)鉆探查明的陷落柱現(xiàn)有范圍用計算機(jī)圈定為650 m2,陷落柱高度平均按160 m,裂隙率按5%,估算陷落柱充填體積為5 200 m3,實(shí)際注灰量9 675 t,按1∶1水灰比1.25 t水泥固結(jié)1 m3估算,除陷落柱充填結(jié)石后,奧灰內(nèi)水泥充填量為3 175 t,即2 540 m3,注漿量完全滿足堵水需求。注漿前各孔水位基本都穩(wěn)定在+ 517 m左右,采空區(qū)內(nèi)水位反映的是奧灰水位,截止到注漿工程結(jié)束,從地面觀測孔水位和井下觀測點(diǎn)水位同步大幅下降來看,現(xiàn)采空區(qū)水位已脫離了奧灰水位,堵水成功。

第一階段綜采設(shè)備區(qū)域骨料充填工程結(jié)束后,除封2孔作為觀測孔外,各孔相繼向下延伸至奧灰。除8月7日-11日、9月2日-8日在堵1孔、堵2孔孔段間間歇注漿外,堵1-1、堵2孔共進(jìn)行4次較大量的水泥單液連續(xù)注漿。

3)注漿質(zhì)量評價。

a)材料。對材料的把關(guān),不僅是看廠家送交的檢驗(yàn)報告,更為重要的是現(xiàn)場做樣。注漿期間對到場的水泥多次分批按不同的水灰比做樣,做樣模具13 cm×13 cm×13 cm,按不同的水灰比做樣。水泥結(jié)石樣品在強(qiáng)度、安定性、凝結(jié)時間上等指標(biāo)完全符合注漿用料要求時才使用。

b)強(qiáng)度。單液水泥漿掃孔證明,摻加氯化鈉和三乙醇胺的水泥漿液早期強(qiáng)度較高,3天以后強(qiáng)度更高。堵1-1孔、堵2孔孔內(nèi)取樣證明,水泥強(qiáng)度有保障并合格。

c)濃度。為提高水泥漿液的擴(kuò)散范圍和提高結(jié)實(shí)率,注漿中采用了多種濃度配比,但總的原則是盡量使用稠漿。實(shí)際運(yùn)用操作的水灰比是0.8∶1、0.75∶1、1∶1等,混合比重在1.5 g/cm3以上,能夠滿足注漿技術(shù)要求。

d)終壓。注漿孔平均孔深350 m,奧灰靜水位埋深一般在50 m,靜水壓力3 MPa,注漿結(jié)束時全壓力要求不超靜水壓力的1.5倍,即終孔全壓力為4.5 MPa。按1∶1的水灰比,孔口壓力應(yīng)是2.5 MPa。實(shí)際注漿過程中,注漿孔終孔孔口壓力全部大于4.5 MPa,總壓力達(dá)到9 MPa。

4 結(jié) 論

1)定向鉆井技術(shù)為本次注漿堵水的順利完成起到了至關(guān)重要的支撐作用。

2)注漿封堵方案構(gòu)思巧妙、設(shè)計新穎,先“蓋帽”護(hù)架,后“卡腰”堵源,封堵效果達(dá)到設(shè)計要求,陷落柱出水量小于25 m3/h。

3)該工作面在2008年恢復(fù)中驗(yàn)證了支架保護(hù)良好,未被漿液粘結(jié),該“注漿堵水護(hù)架”技術(shù)具有較好的推廣價值。

Technology Practice on Ground Grouting Plugging Protect Supporter for Collapse Column Water Burst

Liu Yun-hu

The ground grouting technology has already became the main technical methods of plugging water burst in the mine.In connection with under the special conditions of 2-1101 working face in some coal mine formulate the control plan of water burst in the face,carry out the ground grouting plugging water burst,effectively plugs collapse column water burst,ensure the mining area and the working face largescale equipment don’t be damaged,don’t be bonded by grouting,realizes withdrawing safely of working face. The"grouting plugging water protect supporter"technology has the better promoted value.

Coal mining face;Water burst;Grouting;Water shutoff;Protect supporter technology; Plan;Effect

book=6,ebook=24

TD745.26

B

1672-0652(2010)06-0011-04

2010-04-05

劉云虎 男 1966年出生 中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生 工程師 霍州 031400