葫芦素煤矿缓冲硐室壁后注浆堵水技术

刘成勇 , 刘永强 , 秋丰岐 ，吴玉意

（1. 中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2. 中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引 言

固体充填开采技术[1]以煤矸石、粉煤灰等固体废弃物为充填物料，通过地面矸石运输系统、垂直矸石投放系统、井下矸石运输系统将矸石运输至井下充填工作面。其中矸石垂直投放系统是充填采煤运输系统的咽喉工程，决定着矸石给料的稳定性和井下巷硐的安全性[2]。

1 工程概况

葫芦素煤矿是中煤能源集团作为固体充填开采的矿井之一，该矿井设计生产能力13.0Mt/a，矸石产量约为2.0Mt/a。矸石投放井设计孔深600.8m，根据投放井周围的钻孔柱状图及水文钻孔资料可知，矸石投放井经过的主要承压含水层为第四系松散孔隙含水层，白垩系孔隙、裂隙含水层，侏罗系砂岩裂隙含水层。缓冲硐室位于矸石投料管下方，埋深约为598m，其断面为矩形，设计断面净高度3600mm、净宽度6500mm，净断面23.4m2。设计支护形式为锚网索+ 钢筋砼砌碹支护，其顶底板主要由砂质泥岩和细粒砂岩组成，顶底板岩性示意图如图1 所示。由于投放管在固管的过程中，注浆管出现破裂提前返浆，未能实现达到“连续上返、全段充填”的固井要求。另外，位于直罗组下部的缓冲硐室开挖以后，其周围岩体的应力状态发生改变并出现应力集中现象，集中应力致使围岩破裂，并从巷道周边扩展至围岩深部，形成围岩松动圈，围岩松动圈内的岩体渗透性增加[3,4]。为了防止含水层的水沿着投放管外壁与井壁可能存的裂缝以及缓冲硐室周围岩体的松动圈进入缓冲硐室，对矿井的安全生产造成危害，综合现有技术条件下的治理经验，决定对缓冲硐室进行壁后注浆堵水工艺。

2 壁后注浆堵水原理

壁后注浆堵水原理是以注浆泵为动力，将具有胶结性能的有机材料或无机材料制成的浆液，通过注浆孔注入到围岩的孔隙或裂隙中，达到封堵裂隙和隔绝水源和空气的目的[5,6]。此外，在裂隙含水岩层中，通过浆液充填可增强围岩的内聚力、杨氏模量以及内摩擦角等参数，改善围岩稳定性，使得注浆围岩体具有良好的承载能力，从而降低围岩的破坏程度。

图1 缓冲硐室顶底板岩性示意图

3 壁后注浆堵水方案设计

3.1 注浆堵水基本思路

根据以往巷道破坏出水治理经验，为取得理想的破壁注浆堵水效果，杜绝治理后可能存在返渗等较大安全隐患，本次注浆将采用深浅孔结合的方式进行注浆封堵。结合缓冲硐室顶底板岩性示意图可知，位于硐室顶板上方3.3m 以上的位置有一组厚约5.6m 的细粒砂岩含水层，且该含水层刚好位于两组砂质泥岩隔水层中间，因此，为了形成一组具有连续隔水性能的厚约为20m 的隔水层，可对该细粒砂岩进行注浆分隔。

3.2 注浆技术参数

1）注浆材料及配比。注浆材料的选择是注浆成功的关键，浆液材料的类型与特性对堵塞过水通道起着关键的作用。为了保证注浆堵水的效果，决定选择ZKD 高水速凝材料[7]作为注浆材料，该种材料具有细度小、水灰调节比大以及流动性好等优点。本次缓冲硐室壁后注浆选用浆液的水灰比为1.5:1，高水速凝材料的力学性能见表1，在实际注浆的过程中，水灰比可根据注浆效果随时调节。

表1 注浆材料用量及力学性能

2） 注浆压力。壁后注浆压力宜比静水压力大0.5～1.5MPa[8]，结合邸春生等研究得到葫芦素煤矿侏罗系直罗组的静水压力约为0.1～4.6MPa[9]，故将本次注浆的压力控制在6MPa 以内，潜孔注浆时压力为0.6～2MPa，深孔注浆时压力为4～6MPa。

3） 浆液扩散半径。浆液扩散半径主要受注浆压力、注浆时间以及浆液初始黏度等因素的影响。结合类似矿井注浆工程经验，为取得良好的注浆堵水效果，拟将浆液扩散半径控制在2.0～3.0m 范围内。

3.3 注浆孔布置

注浆孔布置图如图2 所示，浅孔孔深2.5m，孔径42mm，每排 7 个，其中顶板 3 个，两帮各 4 个；深孔孔深4.5m，孔径42mm，每排4 个，全部位于顶板之上，深浅孔排距均为3.2m。具体钻孔布置及孔深，根据实际注浆情况可进行适当调整。

图2 注浆孔布置示意图

浅孔注浆管采用32mm 1000mm 的无缝钢管，壁厚为2.5mm；深孔注浆管采用32mm 2500mm 的无缝钢管，壁厚为2.5mm，在钢管出浆端900mm 范围内按150mm 间距对称开6mm 的圆孔。另外所有注浆管的进浆口处均需加工30 mm 丝扣，以达到与快速接头相连接的目的。

4 壁后注浆施工工艺

壁后注浆施工工艺流程如图3 所示，主要步骤如下：

1）钻孔。根据设计的注浆孔参数，使用7655 型风钻施工注浆孔。

2）封孔。封孔质量的好坏直接决定了注浆的成败与否，封孔具体方法是在封孔段使用棉纱进行缠绕，并将缠绕好的棉纱蘸取一定的水泥浆液，然后将其塞入注浆孔中，并在端部使用快硬水泥捣实，潜孔封孔长度为600mm，深孔封孔长度为1200mm。

3）注浆。封孔24 小时以后方可进行注浆，注浆时应采用“先两帮后顶板、先潜孔后深孔”的注浆顺序进行注浆。

4）清洗。注浆当班结束后或在注浆过程中因故暂停注浆时，均应使用清水对注浆所使用的设备进行清洗，防止因浆液凝固而堵塞注浆设备。

图3 壁后注浆工艺流程图

5 结 语

注浆结束后，经过实际检验，缓冲硐室内未出现较大的渗水现象，说明壁后注浆堵水是一种行之有效的方法，其对缓冲硐室上方含水层的水起到了良好的封堵效果，确保了葫芦素煤矿矸石充填开采的安全生产。同时，本次注浆所使用的ZKD 型高水速凝材料固化后强度显著高于水泥浆液固化后强度，且其成本较低，产生了良好的经济和技术效益，具有良好的应用前景。