地面水平井注浆工艺技术在煤矿水害区域治理中的应用

张伟

中国煤炭地质总局第三水文地质队 河北邯郸 056006

注浆加固是目前煤层底板掘进巷道常用的开采方法。这种方法要求在隧道开挖完成后安排钻孔场地。另外，在盲区处理中，还可能存在钻孔工作量大、钻孔有效孔段短、注浆量小、钻孔轨迹不可控等问题。为解决这一办法的缺陷，地表井的等离子技术已被用于煤矿底板的水害控制，同时利用地表水对地下板块的损害进行预先控制。

1 施工设计原则

合理的工程设计原则将减少挖掘作业，提高加固注浆的效率，避免施工前和施工后的干扰。因此，建筑设计中应按照下面的原则开展：

（1）水平开口的设计应与煤矿水控制规则和安全开发要求相结合，以确保这些开口覆盖整个区域，在室外工作，并对巷道进行上下控制。

（2）当需要同时施工两口或两口以上水平井时，应尽量避免各支孔交叉，防止出现一系列浆体。

（3）在采煤工作面附近或深切断裂带附近的支孔注浆，在矿山安全能满足的情况下尽量降低注浆压力，避免井下或地面运行浆液。

（4）当地表水平井注浆量较大时，尽量从安全、经济、实用的角度选择注浆材料[1]。

2 注浆加固目的

各矿区地层存在差异，需要根据控制区地层资料选择合适的目标层进行注浆加固。在选择目标层位时应注意以下几点：

（1）水平井的支孔尽量布置在含水层或裂缝相对发育的岩层中。

（2）目标层与煤层的距离应适中。注浆加固能起到阻断工作面底板含水层的通水和增加防水层厚度的作用。

（3）目标层应位于发育稳定、厚度一定的岩层中（以5m 以上为宜）。

（4）不要选择在坚硬或破碎的岩层中严重的地层，以免钻进或成孔困难。以某矿区为例，二叠系中i-1 煤层普遍发育，煤层厚度稳定，是该地区主要开采的煤层。而某矿区是我国著名的大水矿区，煤层底部地层水文地质条件复杂，给矿山开采带来很大困难，主要是太原组薄灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。一组砂质泥岩防水层将太原组灰岩划分为上、下两段。上部为L7、L8、L9 灰岩含水层，下部为L2、L3 灰岩含水层。上、下段水力联系被切断。根据某矿区以往开采经验，太原组L8 灰岩含水层是1 号煤层底板的直接充水含水层。含水层稳定，平均厚度8m，岩溶裂隙较发育，渗透系数9．82-10．94m/d。两侧均设有防水层，可承受高灌浆压力，可注入性强。上煤层距2:1 煤层平均30m，距离适中。注浆加固含水层时，可将两层隔水层连接起来，增加隔水层厚度，保证煤矿开采安全。因此，通过综合分析，可以选择在L8 灰岩含水层中建设水平井支孔的目标层位。随着采矿深度的继续，地下水压升高，灰石L8 和L2 可以同时用作目标层[2]。

3 施工工艺

地面注浆施工工艺主要包括水平井钻井技术和灌浆过程中，钻井技术可以确保分支水平井轨迹设计施工，保证后期的，为有效灌浆和灌浆过程的灌浆量的一个重要指标来衡量这个过程中，既相互联系、共同决定了最终的灌浆加固效果[3]。

3.1 钻井技术

地面实地勘察后，将钻孔机布置在适当位置，通过直孔段和斜孔段的施工，将钻孔机准确落在目标层，然后在目标层上施工水平支孔。钻孔的结构通常是三孔的形式。为保证钻井和注浆效果的稳定性，应先开、再开套管，套管开到稳定基岩约10m，套管开到目标层顶部。第三段为裸孔注浆段，沿目标层打孔。灌浆段直径一般不小于152 毫米。根据处理区地层特征，确定各井段的井斜。如果冲积层比基岩薄、厚，则第一井段为直井段，第二井段为斜井段，井斜需要从0°增加到86°，第三井段为水平井段。如果冲积层厚和薄基岩，第一个开放部分需要考虑连续施工一定深度的开篇，然后开始成岩工作增加钻孔倾角45°，也就是说，第一个开放部分包括直接开放部分和diageneic 部分；第2 开口段需要将井斜从45 度增加到86 度，第3 开口段为水平井眼[4]。

3.2 注浆工艺

在地面钻孔现场设置临时注浆站，根据注浆泵和注浆管道向注浆孔内注浆。浆体由两个连续搅拌过程制备，浆体浓度取决于含水层裂缝发育程度。由于大型水平分支孔，长度可达几千米，灌浆方法采用注射的方法，以防泄漏（的损失水平分支的循环流体在钻探孔大于10m3/ h）结合分段灌浆的方法（每个钻井水平截面的200，和最终的洞洞的分支是决定是否进行灌浆根据水压测试结果）。注浆前向孔内注入清水约30 分钟，根据吸水量确定注浆比例。灌浆应先稀释后增稠再稀释，并按照“充到极限”的原则尽可能多注入。当注浆终止压力和位移达到设计压力，且维护时间超过30min 时，只有在无变化情况下才能完成注浆。单支孔注浆完成后，封孔，下支孔施工。常用的灌浆材料有水泥、粘土、粉煤灰与原料混合制成的单相灌浆或两相、三相灌浆[5]。

4 结语

综上所述，地表井等离子技术应用于煤矿地区的区域控制和地下水体损害，是在采矿地区，如北部地区广泛应用的成功经验。在岩浆喷出的地下层层，表层孔有明显的优势。在处理层中安装较长的横向区域，其可能性大于有效测量，并增加暴露断层和裂缝的可能性。地面注浆系统可对注浆施加更大的压力，增加浆液的范围，将浆量提高，并提高强化注浆的效力。