粘土水泥漿在龍泉礦堵水工程中的應(yīng)用研究

趙利濤

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

礦井水文地質(zhì)條件是影響礦井安全高效生產(chǎn)的重要條件之一。我國北方煤系地層下部灰?guī)r巖溶發(fā)育，裂隙分布，且強(qiáng)含水，在采動過程中底板破壞，極易形成導(dǎo)水通道，發(fā)生突水。為了煤礦的安全高效生產(chǎn)，通過對底板進(jìn)行注漿改造，可以改善底板巖體強(qiáng)度，使本來的強(qiáng)含水層變成弱含水層或者隔水層，該方法既降低了成本，又保護(hù)了地下水環(huán)境。近些年來注漿技術(shù)快速發(fā)展，注漿材料呈現(xiàn)出多樣化，由最初的單液水泥漿液發(fā)展到水泥水玻璃漿液，再到其它化學(xué)漿液，又發(fā)展形成了水泥粘土漿液。以太原婁煩龍泉煤礦4301 工作面為工程背景，針對煤層底板的水文地質(zhì)特征及裂隙發(fā)育特征，對突水原因進(jìn)行分析，科學(xué)合理使用粘土水泥漿，根據(jù)漿液在高壓動水條件下的擴(kuò)散規(guī)律，合理選擇鉆孔位置、注漿材料和注漿工藝，達(dá)到快速封堵導(dǎo)水通道的目的。

1 工程概況

太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司位于婁煩縣城北10 km 處，新舍科- 上龍泉- 下靜游村一帶，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400 萬t/a。礦井主采4 號、7 號、9 號煤層，4 號煤層平均厚度6.47 m，7 號煤層平均厚度1.1 m，9 號煤層平均厚度11.68 m，主要煤種為氣煤、肥煤，屬于優(yōu)質(zhì)電煤和煉焦配煤，4號煤層受底板水害威脅。4301 工作面是4 號煤三采區(qū)第一個(gè)工作面，工作面走向長1 200 m，可采長度為715 m，傾向?qū)?50 m，底板標(biāo)高+525—+625 m，地面標(biāo)高+1 186.2—+1 300.7 m，底板承受太灰水壓達(dá)高5.4～6.4 MPa，據(jù)最近OW2 鉆孔水位標(biāo)高1 078 m，工作面切巷底板標(biāo)高520 m，底板壓力在5.53 MPa，4301 工作面底板隔水層承受奧陶系灰?guī)r水壓6.14～7.04 MPa。工作面回采后初次來壓即發(fā)生底板涌水，最大值190 m3/h，最后穩(wěn)定在180 m3/h。

2 注漿堵水機(jī)理及目的

2.1 注漿堵水機(jī)理

對巖體進(jìn)行注漿的目的主要是堵水和加固，注漿技術(shù)發(fā)展的初期主要采用水泥漿液，隨著注漿技術(shù)的發(fā)展及其對注漿材料的研究，注漿材料逐漸呈現(xiàn)多樣化，此次注漿采用粘土水泥漿。粘土是一種抗蝕性材料，采用粘土水泥漿可以降低水泥消耗量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，改革了注漿工藝，提高了施工效率。

粘土水泥漿是由粘土漿、水泥、水玻璃組成的懸濁液，穩(wěn)定性高、流動滲透性好，具有粘性、塑性、彈性三態(tài)變化規(guī)律，粘土水泥漿三態(tài)變化是其成功堵水的內(nèi)因，在粘性狀態(tài)下漿液具有良好的懸浮穩(wěn)定性、流動性和擴(kuò)散性；塑性強(qiáng)度增加可防止?jié){液沿單一裂隙超擴(kuò)散，防止地下水滲透、稀釋；彈性狀態(tài)保證形成密實(shí)的堵水帷幕。

2.2 注漿工程目的

結(jié)合4301 工作面地質(zhì)條件，通過水量、水壓、水質(zhì)注漿前后變化數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為出水通道為隱伏導(dǎo)水裂隙帶，出水原因?yàn)榛夭蓪?dǎo)致底板破壞，底板裂隙與隱伏導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通。出水水源為太原組K3、L3、L2、L1 含水層組、9 煤底板K1、本溪灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層多種水源參與的混合水源。此次底板水害探查治理鉆探注漿工程的目的為快速封堵4301 工作面出水點(diǎn)，減少工作面涌水，滿足工作面恢復(fù)生產(chǎn)的條件。

根據(jù)治理目的，此次工程主要任務(wù)是快速封堵涌水點(diǎn)，盡快減少或消除工作面底板涌水，減水率達(dá)到80%以上。

3 工程實(shí)踐

3.1 鉆探施工方案設(shè)計(jì)

依據(jù)4301 工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合注漿堵水機(jī)理及注漿工程目的，對鉆探施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工程為高壓動水注漿堵水，鉆孔布置在采空區(qū)出水區(qū)域附近，受采空底板破壞、礦壓超前破壞和出水動壓破壞多重影響，還要考慮鉆孔后期高壓注漿時(shí)的安全施工，必須對鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)，保證鉆探注漿工程安全實(shí)施，避免發(fā)生次生災(zāi)害。

最終確定施工鉆孔個(gè)數(shù)為15 個(gè)，其中輔運(yùn)巷1 號鉆場2 個(gè)鉆孔，2 號鉆場4 個(gè)鉆孔；膠帶巷3號鉆場4 個(gè)鉆孔，4 號鉆場5 個(gè)鉆孔，設(shè)計(jì)總進(jìn)尺2 514 m，4301 工作面設(shè)計(jì)鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 4301 工作面設(shè)計(jì)鉆孔布置Fig.1 4301 working face design drilling layout

3.2 注漿工藝

3.2.1 粘土水泥漿的制作

先按照制純粘土漿的工藝流程把粘土制成精漿儲存在精漿池。制漿時(shí)，把粘土精漿、水按設(shè)計(jì)的重量比送入高速制漿機(jī)，把水泥也按照設(shè)計(jì)的重量比送入高速制漿機(jī)。配料完成后系統(tǒng)自動制漿，2～3 min 即可，將制好的粘土水泥漿送入儲漿池。

3.2.2 注漿方式

此次注漿采用下行注漿，注漿改造工程應(yīng)分序次施工，按照先疏后密、中間插補(bǔ)、相鄰鉆孔不得同時(shí)施工、同時(shí)注漿的原則方案。一般分3 個(gè)序次，每個(gè)序次按總工程量的30%控制，剩余10%按檢查孔使用。在實(shí)體煤區(qū)域底板較完整塊段施工的鉆孔，注漿終壓采用底板巖溶含水層靜水壓力的1.5 倍，注漿結(jié)束泵量規(guī)定為5 m3/h，即當(dāng)泵量為5 m3/h 左右時(shí)達(dá)到上述注漿結(jié)束壓力，視為達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)束注漿，注水泥進(jìn)行封孔。

4 注漿效果評價(jià)

4.1 單孔注漿效果分析

采用噸水干料值來量化分析單孔注漿效果，鉆孔的噸水干料值即單孔注漿量和單孔涌水量的比值，一般認(rèn)為這個(gè)比值越大，注漿效果越好。從表1 可以看出，2-0、4-2、4-6 鉆孔注漿噸水干料值均在10 以上，反應(yīng)出這幾個(gè)鉆孔在注漿堵水中效果相對較好，在堵水中起到的作用也相對較大。

表1 4301 工作面注漿堵水鉆孔噸水干料值計(jì)算Table 1 Calculation of tons of water dry material value of grouting water plugging hole on 4301 working face

4.2 整體注漿堵水效果分析評價(jià)

在現(xiàn)場施工過程中，最終施工鉆孔個(gè)數(shù)為15個(gè)，實(shí)際總進(jìn)尺2 547 m，累計(jì)注漿17 668.13 m3，總干料3 926.611 t，其中水泥2 212.052 t、粘土1 714.559 t。分3 次進(jìn)行注漿，最后井下注水泥1 t封孔。

根據(jù)礦地測部門提供的工作面排水資料，4301工作面底板涌水量在堵水前一周平均182.14 m3/h，到2018 年8 月19 日，4301 工作面底板水量在32 m3/h，注漿堵水率82%，如圖2 所示。達(dá)到了預(yù)期目的，4301 工作面于2018 年9 月12 日恢復(fù)生產(chǎn)。

圖2 4301 工作面周涌水量注漿堵水變化曲線Fig.2 Variation curve of grouting water plugging with weekly water inflowat 4301 working face

5 結(jié) 論

（1） 粘土水泥漿粘性、塑性、彈性三態(tài)變化是其成功堵水的內(nèi)因，為提高堵水效果，需要依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合注漿堵水機(jī)理及注漿工程目的，對鉆探施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2） 采用粘土水泥漿對4301 工作面進(jìn)行注漿治理，單孔注漿效果良好，整體注漿堵水效果明顯，最終工作面底板水量在32 m3/h，注漿堵水率82%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，保障了工作面的安全回采，為類似工作面的堵水工程提供了借鑒。