陷落柱出水地面注漿封堵護架技術實踐

劉云虎

(霍州煤電集團有限責任公司)

陷落柱出水地面注漿封堵護架技術實踐

劉云虎①

(霍州煤電集團有限責任公司)

地面注漿技術已經成為礦井涌水封堵的主要技術方法之一。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,進行地面注漿堵水,有效封堵陷落柱出水,保證采區及工作面大型設備不受損壞,不被漿液粘結,實現工作面安全回撤。該“注漿堵水護架”技術具有較好的推廣價值。

礦井工作面;突水;注漿;堵水;護架技術;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,十一采區位于某井田的東北部455水平四采區以北,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西部皮帶巷前進方向的左翼,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,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工作面推進過程中揭露№572陷落柱,該陷落柱充填物為大塊細砂巖,充填緊密膠結程度好。3月18日8:00,陷落柱沿工作面走向推進13 m,沿工作面傾向揭露37 m時,陷落柱靠近副巷側邊緣底板出水,出水點標高+350 m,帶壓1.7 MPa,涌水量為50～60 m3/h,水色發渾,夾有大量泥沙,經化驗為K4灰巖水。3月20日,陷落柱靠近正巷側邊緣底板也開始出水,工作面涌水量達到100 m3/h左右,此后涌水量不斷遞增,至3月31日涌水量已達到500～600 m3/h,4月5日涌水量達到峰值1 000～1 200 m3/h,經專家分析認為與奧灰導通,研究決定關閉防水閘門,實行地面注漿堵水。

2 2-1101工作面突水治理方案

2.1 封堵工程目的

為了恢復2-1101工作面生產系統并確保礦井安全,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,不發生二次突水。

2)保證采區及工作面大型設備不受損壞,不被漿液粘結。

2.2 陷落柱封堵技術方案

采用地面打鉆注漿方法,此次注漿為保護工作面的大型綜采設備,分兩步施工。

1)綜采設備區域通過鉆孔采用砂和粉煤灰充填,簡稱“蓋帽”護架。方案設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2個,靠近停采線正巷內1個。正巷內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的距離內高度落差達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,往采空區方向不得超過0.8 m(支架護板的長度)。正巷內鉆孔偏斜不得超出巷道中心線1 m。

2)綜采設備區域充填完成后,方可進行陷落柱堵水注漿,簡稱“卡腰”堵源。方案在陷落柱內共設計3個主孔,深度350 m,在陷落柱內三角形均勻布置。充分利用前期充填工作布置在陷落柱內的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灰巖頂面以上位置。250～350 m裸孔,鉆進中遇漏則注。每個主孔各設計2個分支鉆孔,終孔位置均勻沿陷落柱邊緣均勻布置。陷落柱注漿共設計水泥10 000 t,粉煤灰6 000 t。陷落柱注漿技術要求:

a)鉆孔技術要求:主孔、分支孔終孔偏斜位置不得超出設計位置3 m。b)注漿技術要求:注漿前壓水試驗和注漿過程中要利用正副巷兩個充填孔觀測采空區水位,如兩個鉆孔水位發生變化,要立即停注或采用純粉煤灰漿液注漿。c)注漿結束的標準:終孔、終量要達到相應規范要求。

3 施工過程

3.1 施工工藝及采用設備

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

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

3.2 鉆探工程

設計在№572陷落柱內施工堵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。在施工中根據實際情況,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,這樣能夠加強對綜采設備區域的充填能力,還能夠觀測采空區水位。堵1孔與堵2孔之間南側靠近堵2孔6.37 m處增加堵4孔,可以做為強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)施工鉆孔按預定技術方案進行。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。按堵水設計方案中各孔的目的任務進行了施工,各層套管根據各孔的實際情況分別隔離封閉了沖擊層含水層、采空區上部含水層和采空區,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孔進行了部分取芯。對漏失孔段進行了詳細記錄并用鋸末、泥漿土、水泥漿液進行了堵漏。封孔后進行取樣,檢查水泥巖樣固結密實。

b)№572陷落柱的構造形態基本探明。基本查明了№572陷落柱的構造形態。設計在陷落柱內施工的有堵1孔、堵2孔、堵3孔,根據取芯情況判明№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#陷落柱實見點圈定;西部按堵1孔見陷落柱底界309.14 m的深度,結合停采線上2#陷落柱實見點圈定。因封3-1孔鉆深342.29 m,已在奧灰內22.8 m沒有揭露陷落柱,終孔點距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。再結合各鉆孔揭露判定的陷落柱頂底界面圈定范圍和原有2#煤處陷落柱形態,做出剖面分析后,基本認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11個,與設計施工鉆孔總數一致。

2)鉆探工程質量評價。

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,封3～1孔定向分支到№572陷落柱北部,基本證實了原圈定的陷落柱北部邊界。各定向分支孔在№572陷落柱內外的均勻布置,控制了該構造形態。b)孔斜。測斜儀器選用地質鉆探常用的上海地質儀器廠生產的JJ X-3A型測斜儀,其精度能夠滿足現有鉆孔孔斜測量精度。各鉆孔為保證測斜的準確性,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進行了水泥巖樣的采取,水泥固結密實,安全性可靠。3.3 綜采設備保護區域骨料充填工程

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,從而達到充填覆蓋綜采設備和初步達到切斷陷落柱出水通道與工作面的水力聯系。預計充填工期45天。

骨料選用粗粉煤灰、粗沙、鋸末等,設計充填骨料量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計工期和設計注料量,原因是原設計只考慮綜采設備區域充填和覆蓋的范圍,骨料充填量增加了2倍,既綜采設備總長度149 m×寬度6.94 m×采空區高度4.5 m×3 m。實際骨料充填工程中,根據實際充填量估算,充填區域寬度已擴增到11 m多,故骨料充填量比預注量多8 957 m3。根據注料量和資料分析對比,綜采設備區域基本已被充填和覆蓋。

綜采區域設備支架充填保護評價。估算的綜采區域設備支架充填體積為4 650 m3,設計注料量是該充料量的3倍,實際注料量高達4.7倍。7月23日、24日以后,在堵1孔、堵2孔連續注料期間,封3孔、封2孔水位多次抬升和堵孔,粉煤灰堆積孔內。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孔周圍區域,不再向北部采空擴散后,轉而向封2孔周圍堆積。這說明綜采設備區域內骨料已基本填充滿,骨料已經向高處和部分采空區域擴散。綜采區域設備支架充填保護已經達到了設計目的。

3.4 注漿工程

1)注漿參數。

a)注漿方法。孔口加井口裝置注漿。

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,特殊技術要求除外。

d)終壓結束標準。終壓要達到靜水壓力的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的PS32.5#礦渣硅酸鹽水泥和霍州市化學工業有限責任公司水泥廠生產的PS32.5#礦渣硅酸鹽水泥。

2)注漿情況。設計陷落柱內的3個主孔和定向分支鉆孔在陷落柱和奧灰內注漿。預計注漿量17 000 t,其中水泥11 000 t、細粉煤灰6 000 t。根據鉆孔漿液的漏失情況,本次注漿工程主要都在№572陷落柱內的堵1-1孔、堵2孔進行。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,在陷落柱和奧灰內進行分階段連續注漿。另外,8月7日-11日、9月2日-8日,還根據堵1孔、堵2孔孔內情況進行了間歇注漿,主要目的封堵鉆孔與采空區的水力聯系。全部注漿工程量9 675 t,終止注漿壓力都大于4.0 MPa。實際注漿量比原設計少1 325 t,原因是陷落柱范圍比原范圍縮小,相應充填量也就減少。陷落柱按頂底面積一致推斷,2#煤陷落柱原面積用計算機圈定為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,設計量為17 000 t。經鉆探查明的陷落柱現有范圍用計算機圈定為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,實際注灰量9 675 t,按1∶1水灰比1.25 t水泥固結1 m3估算,除陷落柱充填結石后,奧灰內水泥充填量為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定在+ 517 m左右,采空區內水位反映的是奧灰水位,截止到注漿工程結束,從地面觀測孔水位和井下觀測點水位同步大幅下降來看,現采空區水位已脫離了奧灰水位,堵水成功。

第一階段綜采設備區域骨料充填工程結束后,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孔共進行4次較大量的水泥單液連續注漿。

3)注漿質量評價。

a)材料。對材料的把關,不僅是看廠家送交的檢驗報告,更為重要的是現場做樣。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。水泥結石樣品在強度、安定性、凝結時間上等指標完全符合注漿用料要求時才使用。

b)強度。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度較高,3天以后強度更高。堵1-1孔、堵2孔孔內取樣證明,水泥強度有保障并合格。

c)濃度。為提高水泥漿液的擴散范圍和提高結實率,注漿中采用了多種濃度配比,但總的原則是盡量使用稠漿。實際運用操作的水灰比是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,孔口壓力應是2.5 MPa。實際注漿過程中,注漿孔終孔孔口壓力全部大于4.5 MPa,總壓力達到9 MPa。

4 結 論

1)定向鉆井技術為本次注漿堵水的順利完成起到了至關重要的支撐作用。

2)注漿封堵方案構思巧妙、設計新穎,先“蓋帽”護架,后“卡腰”堵源,封堵效果達到設計要求,陷落柱出水量小于25 m3/h。

3)該工作面在2008年恢復中驗證了支架保護良好,未被漿液粘結,該“注漿堵水護架”技術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

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TD745.26

B

1672-0652(2010)06-0011-04

2010-04-05

劉云虎 男 1966年出生 中國礦業大學在讀碩士研究生 工程師 霍州 031400