葫蘆素煤礦緩沖硐室壁后注漿堵水技術

劉成勇 , 劉永強 , 秋豐岐 ，吳玉意

（1. 中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2. 中天合創能源有限責任公司葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

固體充填開采技術[1]以煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物為充填物料，通過地面矸石運輸系統、垂直矸石投放系統、井下矸石運輸系統將矸石運輸至井下充填工作面。其中矸石垂直投放系統是充填采煤運輸系統的咽喉工程，決定著矸石給料的穩定性和井下巷硐的安全性[2]。

1 工程概況

葫蘆素煤礦是中煤能源集團作為固體充填開采的礦井之一，該礦井設計生產能力13.0Mt/a，矸石產量約為2.0Mt/a。矸石投放井設計孔深600.8m，根據投放井周圍的鉆孔柱狀圖及水文鉆孔資料可知，矸石投放井經過的主要承壓含水層為第四系松散孔隙含水層，白堊系孔隙、裂隙含水層，侏羅系砂巖裂隙含水層。緩沖硐室位于矸石投料管下方，埋深約為598m，其斷面為矩形，設計斷面凈高度3600mm、凈寬度6500mm，凈斷面23.4m2。設計支護形式為錨網索+ 鋼筋砼砌碹支護，其頂底板主要由砂質泥巖和細粒砂巖組成，頂底板巖性示意圖如圖1 所示。由于投放管在固管的過程中，注漿管出現破裂提前返漿，未能實現達到“連續上返、全段充填”的固井要求。另外，位于直羅組下部的緩沖硐室開挖以后，其周圍巖體的應力狀態發生改變并出現應力集中現象，集中應力致使圍巖破裂，并從巷道周邊擴展至圍巖深部，形成圍巖松動圈，圍巖松動圈內的巖體滲透性增加[3,4]。為了防止含水層的水沿著投放管外壁與井壁可能存的裂縫以及緩沖硐室周圍巖體的松動圈進入緩沖硐室，對礦井的安全生產造成危害，綜合現有技術條件下的治理經驗，決定對緩沖硐室進行壁后注漿堵水工藝。

2 壁后注漿堵水原理

壁后注漿堵水原理是以注漿泵為動力，將具有膠結性能的有機材料或無機材料制成的漿液，通過注漿孔注入到圍巖的孔隙或裂隙中，達到封堵裂隙和隔絕水源和空氣的目的[5,6]。此外，在裂隙含水巖層中，通過漿液充填可增強圍巖的內聚力、楊氏模量以及內摩擦角等參數，改善圍巖穩定性，使得注漿圍巖體具有良好的承載能力，從而降低圍巖的破壞程度。

圖1 緩沖硐室頂底板巖性示意圖

3 壁后注漿堵水方案設計

3.1 注漿堵水基本思路

根據以往巷道破壞出水治理經驗，為取得理想的破壁注漿堵水效果，杜絕治理后可能存在返滲等較大安全隱患，本次注漿將采用深淺孔結合的方式進行注漿封堵。結合緩沖硐室頂底板巖性示意圖可知，位于硐室頂板上方3.3m 以上的位置有一組厚約5.6m 的細粒砂巖含水層，且該含水層剛好位于兩組砂質泥巖隔水層中間，因此，為了形成一組具有連續隔水性能的厚約為20m 的隔水層，可對該細粒砂巖進行注漿分隔。

3.2 注漿技術參數

1）注漿材料及配比。注漿材料的選擇是注漿成功的關鍵，漿液材料的類型與特性對堵塞過水通道起著關鍵的作用。為了保證注漿堵水的效果，決定選擇ZKD 高水速凝材料[7]作為注漿材料，該種材料具有細度小、水灰調節比大以及流動性好等優點。本次緩沖硐室壁后注漿選用漿液的水灰比為1.5:1，高水速凝材料的力學性能見表1，在實際注漿的過程中，水灰比可根據注漿效果隨時調節。

表1 注漿材料用量及力學性能

2） 注漿壓力。壁后注漿壓力宜比靜水壓力大0.5～1.5MPa[8]，結合邸春生等研究得到葫蘆素煤礦侏羅系直羅組的靜水壓力約為0.1～4.6MPa[9]，故將本次注漿的壓力控制在6MPa 以內，潛孔注漿時壓力為0.6～2MPa，深孔注漿時壓力為4～6MPa。

3） 漿液擴散半徑。漿液擴散半徑主要受注漿壓力、注漿時間以及漿液初始黏度等因素的影響。結合類似礦井注漿工程經驗，為取得良好的注漿堵水效果，擬將漿液擴散半徑控制在2.0～3.0m 范圍內。

3.3 注漿孔布置

注漿孔布置圖如圖2 所示，淺孔孔深2.5m，孔徑42mm，每排 7 個，其中頂板 3 個，兩幫各 4 個；深孔孔深4.5m，孔徑42mm，每排4 個，全部位于頂板之上，深淺孔排距均為3.2m。具體鉆孔布置及孔深，根據實際注漿情況可進行適當調整。

圖2 注漿孔布置示意圖

淺孔注漿管采用32mm 1000mm 的無縫鋼管，壁厚為2.5mm；深孔注漿管采用32mm 2500mm 的無縫鋼管，壁厚為2.5mm，在鋼管出漿端900mm 范圍內按150mm 間距對稱開6mm 的圓孔。另外所有注漿管的進漿口處均需加工30 mm 絲扣，以達到與快速接頭相連接的目的。

4 壁后注漿施工工藝

壁后注漿施工工藝流程如圖3 所示，主要步驟如下：

1）鉆孔。根據設計的注漿孔參數，使用7655 型風鉆施工注漿孔。

2）封孔。封孔質量的好壞直接決定了注漿的成敗與否，封孔具體方法是在封孔段使用棉紗進行纏繞，并將纏繞好的棉紗蘸取一定的水泥漿液，然后將其塞入注漿孔中，并在端部使用快硬水泥搗實，潛孔封孔長度為600mm，深孔封孔長度為1200mm。

3）注漿。封孔24 小時以后方可進行注漿，注漿時應采用“先兩幫后頂板、先潛孔后深孔”的注漿順序進行注漿。

4）清洗。注漿當班結束后或在注漿過程中因故暫停注漿時，均應使用清水對注漿所使用的設備進行清洗，防止因漿液凝固而堵塞注漿設備。

圖3 壁后注漿工藝流程圖

5 結 語

注漿結束后，經過實際檢驗，緩沖硐室內未出現較大的滲水現象，說明壁后注漿堵水是一種行之有效的方法，其對緩沖硐室上方含水層的水起到了良好的封堵效果，確保了葫蘆素煤礦矸石充填開采的安全生產。同時，本次注漿所使用的ZKD 型高水速凝材料固化后強度顯著高于水泥漿液固化后強度，且其成本較低，產生了良好的經濟和技術效益，具有良好的應用前景。