北辛窯14 采區井下巷道注漿堵水技術的應用研究

羅 剛

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

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

為加快對煤炭資源的利用，該礦在南翼皮帶大巷東側開始進行14 采區皮帶下山巷的掘進工作。該巷道沿-15°掘進，目前已掘進完成239m。在巷道222m 左幫探水硐室施工了5 個鉆孔，其中4 個鉆孔出水，水量12～42m3/h 不等，結果如表1 所示。根據水文地質資料分析，該出水水源為2 號煤層頂底板砂巖水及奧灰水。

根據對煤礦井下巷道內突水情況的分析，提出了一種新的注漿堵水技術。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]，注漿時可根據實際注漿情況依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1 等級別進行漿液稀稠調節，滿足不同區域內的灌漿要求。實際應用結果表明，該注漿堵水方案與北辛窯傳統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、可靠性好的優點，具有較高的應用推廣價值。

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。計劃在14 采區回風下山迎頭位置施工注漿鉆孔，總體布置鉆孔29個，呈扇形布置。1～25 號孔為帷幕注漿孔，26～29號孔為防止錨索出水注漿孔。鉆孔參數如表2 所示。1～25 孔布置方式為：剖面上，鉆孔底層鉆孔編號為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1#、6#、11#、16#、21#，終孔位置為左幫外側6m，每豎排鉆孔保持終孔4m 間距，共布置5 豎排，巷道右幫鉆孔終孔位置為巷道右幫外側6m。

圖1 井下巷道注漿鉆孔布置結構示意圖

由于本次施工止水套管徑Ф108mm，14 采區的出水水源基本為砂巖水及奧灰水，水壓約為0.6～2MPa，根據《煤礦防治水細則》[2]規定，當1.0MPa ≤水壓＜2.0MPa 時，止水套管長度應大于10m，因此本次止水套管長度取10m，端部與4 寸法蘭盤焊接。

為有效防止漿巖帽及注漿壓力對大巷圍巖造成影響，各孔內套管的安裝長度暫定為10m。套管安裝時用鉆機頂入孔內，然后通過注漿充填套管與孔壁之間的縫隙，待漿液凝固后（大約48h）以達到固定套管的目的，如圖2 所示。

圖2 孔口套管安裝結構

為了確保注漿孔鉆孔的安全性和效率，本次對鉆孔施工的基本工序進行了規范。鉆孔前首先由測量人員按設計要求進行標定，然后進行鉆機的固定并下入直徑Φ108×4.5mm 的套管10m。下管后42.5 水泥，按水灰比0.5:1，進行密封，水泥的凝固時間不少于24h。水泥漿凝固后掃孔，其深度超過封孔管長度0.5m 后，退出鉆具，安裝孔口閘閥，利用泥漿泵向孔內壓水進行孔口管耐壓檢查。試驗孔內壓力能達到4MPa，保壓30min 壓降小于0.5MPa，則說明孔口管封孔合格，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→開孔鉆進至孔口管設計深度→下入孔口管注漿封閉→變徑鉆進→鉆進過程中遇水注漿→漿液凝固透孔鉆進直至設計層位注漿完成→封孔→交驗。

表2 鉆孔尺寸匯總表

2 注漿堵水

注漿堵水時需要密封材料具有快速凝固和高強度的性能，傳統的高強度快干水泥材料成本高，因此項目組經過多次試驗驗證后首次選擇了P.O42.5普通硅酸鹽水泥為注漿堵水的材料。根據注漿需要可采用水泥水玻璃雙液漿，采用模數為2.4～3.4，濃度為30～45 波美度對水泥材料進行混合，提高注漿堵水時的可靠性[3]。

井下注漿系統由于受井下作業條件所限，制漿系統可簡化由泥漿泵、攪拌機以及其他輔助設施組成，并根據現場堵水需要添加水玻璃等速凝材料和骨料。注漿孔孔口要安設耐震壓力表，不低于10MPa。注漿前要對注漿管路進行耐壓試驗，試驗壓力不得低于6MPa，持續時間不得低于30min，發現漏水及時更換。

在注漿過程中，采用分段下行式注漿法，孔口止漿方式，連續與間歇相結合。當鉆孔鉆進過程中出現涌水且涌水量小于10m3/h 時，鉆孔施工至終孔進行注漿；如鉆進過程中涌水量大于10m3/h，則可隨時停止鉆進而啟動注漿。在注漿的過程中只要未達到全孔注漿結束標準，每次注漿后均須壓水，若壓不進水，則下鉆具進行透、掃鉆孔至孔底，以便下次再注。單液漿在停注后8h 內開始掃孔。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。

漿液水灰比可根據臨近注漿鉆孔漿液參數進行比配，各鉆孔可根據實際注漿情況依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1 等級別進行漿液稀稠調節[4]，首次開注水灰比可采用1:0.4 比級。當注漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率保持不變而注漿壓力持續升高時，不得改變水灰比。當某一級漿液注入時間已達1h，而注漿壓力和注入率均無顯著改變時，更換濃一級水灰比漿液灌注，或根據施工具體情況，越級變濃。注漿過程中，注漿壓力（突然掉壓）或注入率（突然增大）改變較大時，應立即查明原因，采取相應的措施處理。

在進行灌漿時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，實測為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-注漿范圍長度，有效注漿長度約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-漿液結石率，取值75%；

δ-流失系數，取值1.5。

參數帶入計算后，得鉆孔注漿量V 約為526m3，需水泥約500t。實際應用結果表明，該注漿堵水方案與北辛窯傳統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、可靠性好的優點。

3 結論

針對北辛窯14 采區井下巷道涌水量大，長期維持排水設備的運行不僅極大地增加了礦井排水系統的排水負擔而且極大地影響煤礦井下綜采作業安全的現狀，結合煤礦井下實際地質條件，提出了一種新的注漿堵水技術方案，對積水區域進行注漿堵水。實際應用表明：

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

（2）注漿堵水時選擇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度的性能。

（3）在注漿過程中，采用分段下行式注漿法，孔口止漿方式，連續與間歇相結合，能夠有效確保堵水的效果。

（4）該方案與北辛窯傳統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、可靠性好的優點。