陷落柱出水地面注浆封堵护架技术实践

刘云虎

(霍州煤电集团有限责任公司)

陷落柱出水地面注浆封堵护架技术实践

刘云虎①

(霍州煤电集团有限责任公司)

地面注浆技术已经成为矿井涌水封堵的主要技术方法之一。针对某煤矿2-1101工作面在特殊条件下制定了工作面突水治理方案,进行地面注浆堵水,有效封堵陷落柱出水,保证采区及工作面大型设备不受损坏,不被浆液粘结,实现工作面安全回撤。该“注浆堵水护架”技术具有较好的推广价值。

矿井工作面;突水;注浆;堵水;护架技术;方案;效果

1 2-1101工作面突水情况

1.1 2-1101工作面概况

某煤矿370水平位于某井田东北部,十一采区位于某井田的东北部455水平四采区以北,东以F33断层为界,西以F24及F28断层为界。2-1101工作面位于十一采区西部皮带巷前进方向的左翼,工作面顺槽长710～740 m,切巷长150 m,开采煤层为山西组2#煤合并层,煤厚4.5 m,煤层倾角9°～18°,平均14°。工作面采用大采高一次采全高技术,装备5 m大采高综采支架一套。

1.2 2-1101工作面突水情况简介

2007年3月13日,该矿2-1101工作面推进过程中揭露№572陷落柱,该陷落柱充填物为大块细砂岩,充填紧密胶结程度好。3月18日8:00,陷落柱沿工作面走向推进13 m,沿工作面倾向揭露37 m时,陷落柱靠近副巷侧边缘底板出水,出水点标高+350 m,带压1.7 MPa,涌水量为50～60 m3/h,水色发浑,夹有大量泥沙,经化验为K4灰岩水。3月20日,陷落柱靠近正巷侧边缘底板也开始出水,工作面涌水量达到100 m3/h左右,此后涌水量不断递增,至3月31日涌水量已达到500～600 m3/h,4月5日涌水量达到峰值1 000～1 200 m3/h,经专家分析认为与奥灰导通,研究决定关闭防水闸门,实行地面注浆堵水。

2 2-1101工作面突水治理方案

2.1 封堵工程目的

为了恢复2-1101工作面生产系统并确保矿井安全,决定采用地面打钻注浆方法封堵突水陷落柱相关含水层和涌水通道。工程目的是:

1)封堵陷落柱出水,对O2、K2、K3、K4含水层全部封堵,堵水后涌水量小于50 m3/h,保证工作面安全回撤,不发生二次突水。

2)保证采区及工作面大型设备不受损坏,不被浆液粘结。

2.2 陷落柱封堵技术方案

采用地面打钻注浆方法,此次注浆为保护工作面的大型综采设备,分两步施工。

1)综采设备区域通过钻孔采用砂和粉煤灰充填,简称“盖帽”护架。方案设计沿工作面停采线共布置4个钻孔。其中副巷下方1个,陷落柱范围内2个,靠近停采线正巷内1个。正巷内钻孔成孔后先期投注骨料(05石子或米石)封闭巷道。由于正副巷在150 m的距离内高度落差达41 m(正巷低、副巷高),所以,后期利用下部3个钻孔注砂和粉煤灰会自正巷位置由下往上堆积。预计砂和粉煤灰的充填总量为6 000 m3,砂、粉煤灰各3 000 m3(其中砂3 000 m3×1.5 t=4 500 t)。钻孔的技术要求:沿停采线布置的3个钻孔往煤壁方向偏斜不得超过1 m,往采空区方向不得超过0.8 m(支架护板的长度)。正巷内钻孔偏斜不得超出巷道中心线1 m。

2)综采设备区域充填完成后,方可进行陷落柱堵水注浆,简称“卡腰”堵源。方案在陷落柱内共设计3个主孔,深度350 m,在陷落柱内三角形均匀布置。充分利用前期充填工作布置在陷落柱内的2个钻孔,下延至250 m下入套管,各孔视位置不同,保证套管下至K4灰岩顶面以上位置。250～350 m裸孔,钻进中遇漏则注。每个主孔各设计2个分支钻孔,终孔位置均匀沿陷落柱边缘均匀布置。陷落柱注浆共设计水泥10 000 t,粉煤灰6 000 t。陷落柱注浆技术要求:

a)钻孔技术要求:主孔、分支孔终孔偏斜位置不得超出设计位置3 m。b)注浆技术要求:注浆前压水试验和注浆过程中要利用正副巷两个充填孔观测采空区水位,如两个钻孔水位发生变化,要立即停注或采用纯粉煤灰浆液注浆。c)注浆结束的标准:终孔、终量要达到相应规范要求。

3 施工过程

3.1 施工工艺及采用设备

1)打钻设备采用5套TXJ-1000型钻机同时施工。配置5套螺杆钻具定向设备。

2)注浆设备,需建设2套散装灰注浆系统,每套系统配置3只25 t以上的储灰罐,5台BW-320型注浆泵。两套系统形成每日600 t的注浆能力。

3.2 钻探工程

设计在№572陷落柱内施工堵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。在施工中根据实际情况,又在位于№572陷落柱外北部,距陷落柱边缘6 m处增加了封3孔,这样能够加强对综采设备区域的充填能力,还能够观测采空区水位。堵1孔与堵2孔之间南侧靠近堵2孔6.37 m处增加堵4孔,可以做为强化注浆或做为检查钻孔,堵1孔、堵2孔、堵3孔各打2个分支孔,共计11个钻孔。

1)钻探工程成果。

a)施工钻孔按预定技术方案进行。共完成7个钻探主孔,4个定向分支孔,共计11个钻孔,钻探总进尺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,下入套管总长1829.9 m。按堵水设计方案中各孔的目的任务进行了施工,各层套管根据各孔的实际情况分别隔离封闭了冲击层含水层、采空区上部含水层和采空区,封闭采空和冲积层含水层共用袋装水泥181 t。堵3孔、堵4孔进行了全取芯,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孔进行了部分取芯。对漏失孔段进行了详细记录并用锯末、泥浆土、水泥浆液进行了堵漏。封孔后进行取样,检查水泥岩样固结密实。

b)№572陷落柱的构造形态基本探明。基本查明了№572陷落柱的构造形态。设计在陷落柱内施工的有堵1孔、堵2孔、堵3孔,根据取芯情况判明№572陷落柱的范围没有原有资料所圈定的范围大。顶界高度在160 m左右,底界层位在山西式铁矿顶界面2#煤采掘工程平面图上,北部按原有界线划定;南部按堵1孔、堵2孔分别见陷落柱底界深度309.14 m和318.5 m、堵4孔见陷落柱底界327.5 m的连线与堵3孔距离的一半连线圈定;东部按堵2-1孔、堵2-2孔见陷落柱底界与原界线距离的一半连线并参考停采线上3#陷落柱实见点圈定;西部按堵1孔见陷落柱底界309.14 m的深度,结合停采线上2#陷落柱实见点圈定。因封3-1孔钻深342.29 m,已在奥灰内22.8 m没有揭露陷落柱,终孔点距2#煤陷落柱边缘仅0.4 m左右,判定该陷落柱不可能是上口小、下口大。再结合各钻孔揭露判定的陷落柱顶底界面圈定范围和原有2#煤处陷落柱形态,做出剖面分析后,基本认定该陷落柱为一枣核型,东西轴长37 m,南北轴长约25 m。

原设计堵1孔、堵2孔、堵3孔都打2个分支孔,具体施工中堵1-1孔按计划施工,增打的堵4孔和堵1孔的另一个定向分支孔终孔落点基本一致。堵3孔因在陷落柱外,所以没有再打定向分支孔。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。施工钻孔总数11个,与设计施工钻孔总数一致。

2)钻探工程质量评价。

a)定向分支孔均匀布置。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况并进行了注浆。堵2～1孔定向分支到№572陷落柱南东部,堵2～2孔定向分支到№572陷落柱北东部,查清陷落柱东部边界形态,封3～1孔定向分支到№572陷落柱北部,基本证实了原圈定的陷落柱北部边界。各定向分支孔在№572陷落柱内外的均匀布置,控制了该构造形态。b)孔斜。测斜仪器选用地质钻探常用的上海地质仪器厂生产的JJ X-3A型测斜仪,其精度能够满足现有钻孔孔斜测量精度。各钻孔为保证测斜的准确性,采用先下测、后上测、二次测量的方法保证精度。c)封孔。各孔在封孔打压后都在孔内进行了水泥岩样的采取,水泥固结密实,安全性可靠。3.3 综采设备保护区域骨料充填工程

沿停采线布置了封1孔、封2孔、堵1孔、堵2孔,采空区布置了封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孔所注的骨料会自正巷由下向上堆积,从而达到充填覆盖综采设备和初步达到切断陷落柱出水通道与工作面的水力联系。预计充填工期45天。

骨料选用粗粉煤灰、粗沙、锯末等,设计充填骨料量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、锯末67 m3。填注骨料量工期和注料量都大于设计工期和设计注料量,原因是原设计只考虑综采设备区域充填和覆盖的范围,骨料充填量增加了2倍,既综采设备总长度149 m×宽度6.94 m×采空区高度4.5 m×3 m。实际骨料充填工程中,根据实际充填量估算,充填区域宽度已扩增到11 m多,故骨料充填量比预注量多8 957 m3。根据注料量和资料分析对比,综采设备区域基本已被充填和覆盖。

综采区域设备支架充填保护评价。估算的综采区域设备支架充填体积为4 650 m3,设计注料量是该充料量的3倍,实际注料量高达4.7倍。7月23日、24日以后,在堵1孔、堵2孔连续注料期间,封3孔、封2孔水位多次抬升和堵孔,粉煤灰堆积孔内。封3孔水位抬升早于封2孔,从而判断粉煤灰是先充填至封3孔周围区域,不再向北部采空扩散后,转而向封2孔周围堆积。这说明综采设备区域内骨料已基本填充满,骨料已经向高处和部分采空区域扩散。综采区域设备支架充填保护已经达到了设计目的。

3.4 注浆工程

1)注浆参数。

a)注浆方法。孔口加井口装置注浆。

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

c)浆液注入量。一般8～12 t/h,特殊技术要求除外。

d)终压结束标准。终压要达到静水压力的1.5倍(全压力4.5 MPa)或最终吸浆量小于50 L/min。

e)注浆材料。选用洪洞晓波建材公司生产的PS32.5#矿渣硅酸盐水泥和霍州市化学工业有限责任公司水泥厂生产的PS32.5#矿渣硅酸盐水泥。

2)注浆情况。设计陷落柱内的3个主孔和定向分支钻孔在陷落柱和奥灰内注浆。预计注浆量17 000 t,其中水泥11 000 t、细粉煤灰6 000 t。根据钻孔浆液的漏失情况,本次注浆工程主要都在№572陷落柱内的堵1-1孔、堵2孔进行。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孔分别于2007年8月21日-8月31日和2007年9月15日-9月17日,在陷落柱和奥灰内进行分阶段连续注浆。另外,8月7日-11日、9月2日-8日,还根据堵1孔、堵2孔孔内情况进行了间歇注浆,主要目的封堵钻孔与采空区的水力联系。全部注浆工程量9 675 t,终止注浆压力都大于4.0 MPa。实际注浆量比原设计少1 325 t,原因是陷落柱范围比原范围缩小,相应充填量也就减少。陷落柱按顶底面积一致推断,2#煤陷落柱原面积用计算机圈定为1 105 m2,陷落柱高度平均按160 m,裂隙率按5%,估算陷落柱充填体积为8 840 m3,考虑奥灰水泥充填体积,设计量为17 000 t。经钻探查明的陷落柱现有范围用计算机圈定为650 m2,陷落柱高度平均按160 m,裂隙率按5%,估算陷落柱充填体积为5 200 m3,实际注灰量9 675 t,按1∶1水灰比1.25 t水泥固结1 m3估算,除陷落柱充填结石后,奥灰内水泥充填量为3 175 t,即2 540 m3,注浆量完全满足堵水需求。注浆前各孔水位基本都稳定在+ 517 m左右,采空区内水位反映的是奥灰水位,截止到注浆工程结束,从地面观测孔水位和井下观测点水位同步大幅下降来看,现采空区水位已脱离了奥灰水位,堵水成功。

第一阶段综采设备区域骨料充填工程结束后,除封2孔作为观测孔外,各孔相继向下延伸至奥灰。除8月7日-11日、9月2日-8日在堵1孔、堵2孔孔段间间歇注浆外,堵1-1、堵2孔共进行4次较大量的水泥单液连续注浆。

3)注浆质量评价。

a)材料。对材料的把关,不仅是看厂家送交的检验报告,更为重要的是现场做样。注浆期间对到场的水泥多次分批按不同的水灰比做样,做样模具13 cm×13 cm×13 cm,按不同的水灰比做样。水泥结石样品在强度、安定性、凝结时间上等指标完全符合注浆用料要求时才使用。

b)强度。单液水泥浆扫孔证明,掺加氯化钠和三乙醇胺的水泥浆液早期强度较高,3天以后强度更高。堵1-1孔、堵2孔孔内取样证明,水泥强度有保障并合格。

c)浓度。为提高水泥浆液的扩散范围和提高结实率,注浆中采用了多种浓度配比,但总的原则是尽量使用稠浆。实际运用操作的水灰比是0.8∶1、0.75∶1、1∶1等,混合比重在1.5 g/cm3以上,能够满足注浆技术要求。

d)终压。注浆孔平均孔深350 m,奥灰静水位埋深一般在50 m,静水压力3 MPa,注浆结束时全压力要求不超静水压力的1.5倍,即终孔全压力为4.5 MPa。按1∶1的水灰比,孔口压力应是2.5 MPa。实际注浆过程中,注浆孔终孔孔口压力全部大于4.5 MPa,总压力达到9 MPa。

4 结 论

1)定向钻井技术为本次注浆堵水的顺利完成起到了至关重要的支撑作用。

2)注浆封堵方案构思巧妙、设计新颖,先“盖帽”护架,后“卡腰”堵源,封堵效果达到设计要求,陷落柱出水量小于25 m3/h。

3)该工作面在2008年恢复中验证了支架保护良好,未被浆液粘结,该“注浆堵水护架”技术具有较好的推广价值。

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

刘云虎 男 1966年出生 中国矿业大学在读硕士研究生 工程师 霍州 031400