煤矿注浆堵水技术

二O一O年五月煤炭科学研究总院西安研究院主要内容1概述1.1基本概念1.2注浆分类1.3注浆材料2注浆在煤矿中的应用3注浆堵水方案4注浆工程设计5东庞矿“4.12”突水灾害治理5.1过水巷道封堵技术5.2陷落柱封堵技术1.1、注浆的基本概念注浆也称灌浆，就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照规定的配比或浓度，借用注浆设备或浆液自重对之施加压力，通过钻孔输送到受注层段中的一种施工技术。其实质是使浆液在受注层中渗透、扩散、充填，经过一定时间后凝固和硬化，从而达到加固受注层和抗渗防水的目的。1概述1.2、注浆的分类1概述按注浆材料：水泥单液浆，水泥-水玻璃双液浆，水泥-粘土（粉煤灰、沙子）混合浆，化学浆液。按水动力条件：静水注浆，动水注浆。按工程目的：帷幕注浆，注浆改造，注浆堵水，井筒预注浆，管棚支护注浆。按注浆工艺：旋喷注浆，孔口静压注浆，孔内止浆注浆。按突水构造：断层注浆，裂隙注浆，陷落柱注浆1.3注浆材料1概述固粒灌浆材料水泥水玻璃粉煤灰粘土骨料Na2CO3•nSiO2作为速凝剂或双液浆与水泥浆配合使用适用于裂隙、孔隙与岩溶类受注层。具有结石强度高，性能稳定，来源广泛的特点。裂隙宽度不下于3～5倍的水泥颗粒直径（普通硅酸盐水泥30～80μm）满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》，其细度应不小于水泥细度。水泥代用材料，不同的工程目的对粘土性能指标（塑性指数、粘粒含量、粉粒含量、含沙量等）有不同的要求砾石、沙子等，适用于大空洞充填化学浆材真溶液浆材，具有粘度低、可灌性好、胶凝时间易于控制的特点。适用于井巷工程小型裂隙与微孔隙含水层注浆（丙烯酰胺类浆液）。2注浆在煤矿中的应用预注浆工程注浆堵水工程特殊注浆工程井筒预注浆工作面注浆改造帷幕注浆导水构造的预注浆处理巷道封堵工程突水构造封堵突水水源封堵管棚支护注浆防灭火注浆充填注浆3注浆堵水方案选择堵水方案应考虑的因素1）突水水文地质条件。水源、突水构造的类型、突水方式，井下与地面施工条件等。2）矿井受淹状况与施工条件。淹巷道、工作面，还是淹水平、或是整个矿井，地面与井下的施工条件等。3）本次突水与矿井今后防治水工作和煤炭生产接续的关系。4）不同方案的工期与工程造价因素4注浆工程设计钻孔设计注浆工艺设计质量检查与效果检验钻孔布置钻孔结构钻孔技术要求注浆层段与注浆方式注浆工艺控制注浆结束标准工序检查钻孔检查物探检查堵水效果工程设计应遵循的原则1）先探后治，探治结合2）动态设计3）分序次施工4）注浆工艺科学合理(1)先骨料、后浆液;(2)动水注骨料、静水注浆;(3)注浆时间小于浆液凝固时间相适应(4)注浆强度与受注层吸浆量相匹配4工程设计5东庞矿“4.12”突水灾害治理项目背景“4.12”突水灾害1）水源：奥陶系强岩溶含水层2）水量：出水后3h水量就增加10000m3/h以上，出水后9h水量增加到最大水70000m3/h3）通道：隐伏导水陷落柱4）其他：总涌水量约1000万m3，奥灰含水层内影响半径达30Km总体方案阶段一期治理工程二期治理工程方案过水巷道封堵工程突水陷落柱治理工程目标尽快恢复生产同时探查陷落柱根治水患避免陷落柱二次突水实施情况2003年4月开工，同年9月完成，矿井已恢复正常生产2006年4月开工，2007年5月29日完成项目概况H23-485.4苹96.395.995.796.396.796.596.697.895.895.895.896.1H23A47-485.35-454.7H=1.5mT1T1-2T2突水点见漏-3002煤-472见柱-400见漏-300见柱-330见漏-300见柱-3442煤-470征地边界施工便道骨料堆放场Z1监2-485-490-495-465-470-475-480-460见柱-240全漏-229Z2Z3Z5Z4Z2′T1-1610m659m613m640mZ5′5.1过水巷道封堵技术快速定向钻进骨料灌注阻水墙建造旋喷注浆充填注浆升压注浆引流注浆快速定向钻进1）技术要求：钻孔须在垂深586m处透巷，透巷水平位移不得大于1m，偏斜精度达1.72‰2）钻探工艺：（1）T685WS车载顶驱钻机，灵活机动（2）复合钻进技术纠偏PDC(钻头)+ф197mm(双扶)单弯螺杆(0.5°)+ф203.2mm无磁钻铤+ф203.2mm普通钻铤+ф178mm普通钻铤×6+ф114mm钻杆3）钻进效率：平均每孔12天，最快达到100m/天4）钻探成果：7个钻孔命中巷道5.1巷道封堵动水骨料灌注1施工条件：高水压5.46MPa,动水条件，煤层巷道，巷内空高1.5m左右，巷内动水流速约300-350m/h。2灌注工艺1）灌注方法：水力射流，孔口密闭、砂石自重连续灌注法，定期下钻具透扫骨料。2）骨料级配：骨料分细纱和石子两类级配：河沙:小石子:中石子:大石子=1:1:2:13）水固比：6:1-10:14）灌注结束标准：骨料堆积到巷顶经多次下钻冲扫仍不能进入巷道且经注（压）水试验，q值已降到1.0L/min.m以下时此孔灌注骨料工作结束5.1巷道封堵灌注骨料成果汇总表孔号灌注量(m3)灌前空顶高度(m)水位(m)水位上升值(m)施工时间注前注后G3260.75-5.1+4.798.892003年6月5日G625141.6-83.1+11.0994.192003年5月10～6月8G76540.90-19.68+63.1682.842003年7月13～7月17G811491.30-93.89-28.2765.622003年5月22～5月30合计43435.1巷道封堵阻水墙的建造第一阶段，旋喷注浆：首先选择3个钻孔进行旋喷注浆施工，通过注入高压水泥浆液流，强行切割周围骨料，使水泥浆液与骨料充分混合，形成3个相对孤立的截断过水断面的砂浆或混凝土结石体。第二阶段，充填注浆：在旋喷注浆孔之间进行充填注浆，将旋喷结石体之间的空隙充填，形成一个整体的、连续的阻水墙。第三阶段，升压注浆：主要对阻水墙与顶底板岩石的接缝，以及岩石裂隙进行注浆加固，一方面增强阻水墙与围岩粘接力，提高抗挤出与抗水流冲刷能力。另一方面，注浆封堵了顶底板裂隙，可以防止突水绕流。另外，通过高压注浆提高阻水墙体的强度与抗渗透能力，封堵薄弱带的过水通道第四阶段，引流注浆：在工程后期矿井完全淹没、阻水墙基本形成情况下，井下突水基本为静水状态。为了检验堵水效果，封堵残留小的过水通道，在矿井试验排水期间，利用G2孔进行注浆，对出水口附近进行注浆封堵。5.1巷道封堵堵水效果125天一期工程完工，225天矿井全面恢复生产。矿井排水复矿后，残余涌水量由初始的170m3/h，逐渐衰减为零，堵水率达到100%。5.1巷道封堵陷落柱治理的必要性1）陷落柱从奥灰顶界面的-690m水平一直发育到上石盒子下段的-240.61m水平，垂直高度达450m，它穿透了大青、野青及9煤、2煤顶板砂岩含水层，并成为以上含水层的强大补给水源，如不进行陷落柱治理，在这些含水层中井巷工程一旦揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着2煤、9煤的安全开采。2）突水后陷落柱内大量的充填物被高压水冲出堆积在巷道，扩大了陷落柱空洞裂隙的体积，破坏了原有的平衡状态，使陷落柱周边岩体存在再次塌落的可能，特别是煤层强度低、结构疏松，更容易发生坍塌。因此，如不进行陷落柱治理，2煤煤柱的塌落使煤柱厚度变薄，陷落柱二次突水的危险性进一步增大。3）注浆封堵陷落柱，切断奥灰水的补给通道，降低柱内水压，可以减少陷落柱四周煤柱的留设厚度，解放部分煤炭资源。陷落柱治理方案在陷落柱探查的基础之上，封堵工程的核心就是在陷落柱的预定位置建造“堵水塞”，以切断陷落柱突水通道。其施工方案是采用以地面施工为主、井下施工为辅的井上下相结合的综合治理方案。一方面，在地面打钻施工注浆孔、监测孔，通过灌注骨料、浆液封堵“堵水塞”段的陷落柱体及其四周导水裂隙带，截断奥灰水的补给通道；另一方面，在井下施工定向放水钻孔，通过放水试验定量评价堵水效果。另外，对陷落柱上部空洞进行骨料充填，防止陷落柱进一步向上发育，沟通第四系水源。5.2陷落柱治理B-B＇剖面图-680-670-660-650-640-630-620-610-600-590-580-570-560-550-540-530-520-510-500-490-480-470-460-450-440-430-420-410-400-390-380-370-360-350-340-330-320-310-300-690-700上石盒子底界2煤9煤奥灰顶界-240.61m陷落柱顶界-321.37m陷落柱空腔底部堵水塞+96m监2孔Z3-2孔Z2'-3孔治理技术-680-670-660-650-640-630-620-610-600-590-580-570-560-550-540-530-520-510-500-490-480-470-460-450-440-430-420-410-400-390-380-370-360-350-340-330-320-310-300-690-700-480大巷-473.8放1孔至陷落柱水平距离304m25.935.852901采空区堵水塞上石盒子底界2煤9煤奥灰顶界-321.37m陷落柱空腔底部2903陷落柱放1孔剖面图治理技术2.1技术方案突水陷落柱封堵技术定向分支钻孔骨料灌注阻水塞建造充填注浆升压注浆引流注浆加固注浆质量综合评价工序检查钻孔取芯压水试验物探检测放水试验5.2陷落柱治理定向分支钻孔二期工程共施工注浆孔6个，定向分支钻孔20个；质检孔2个；骨料孔2个；放水孔1个，总进尺8788.23m。从钻孔施工结果来看，除Z5-2孔因孔内事故未达到设计深度外，其余钻孔均按设计要求施工至目的层位，钻孔各项参数如偏斜方位、偏斜角等均符合设计要求5.2陷落柱治理钻孔对堵水塞段的控制参数一序孔二序孔三序孔钻孔控制密度（m2/孔）钻孔数655241控制半径（m）14.310.68.8钻孔间距（平面投影m）9.5～308～245.2～17备注陷落柱注浆控制面积：3546m25.2陷落柱治理陷落柱发育特征参数陷落层位长轴方向(m)短轴方向(m)长轴长度(m)短轴长度(m)周长(m)截面积(m2)陷落高度(m)上部陷落柱空洞NWNE4425111775-240.61上石盒子组底界NWNE523313912582#煤层NWNE724120419299#煤层NWNE80442342624奥灰顶界NWNE89532583508堵水塞段NWNE80/9241/492289/3546“阻水塞”段注浆孔平面投影图5.2陷落柱治理注浆钻孔东北等轴测图5.2陷落柱治理陷落柱阻水塞建造工艺阶段充填注浆升压注浆引流注浆加固注浆钻孔一序孔初期一序孔中后期二、三序前期三序孔后期二、三序孔后期，质检孔浆液类型水灰比0.8:1、1:1，加早强剂1:1的早强浆液为主1:1的纯水泥浆液为主1.3:1、1:1的纯水泥浆液为主注浆条件静水无压定量200-240m3注浆时间12-15小时静水，注前压水逐渐升压定量130-150m3注浆时间10-12小时动水孔口显压控制定量60-80m3注浆时间5-6小时孔口压力2MPa定量80-100m3注浆时间6-8小时目标充填大裂隙、大通道封堵主要过水通道，构筑堵水塞主体构架封堵较大裂隙、溶隙巩固前期效果封堵小裂隙通道，进一步减少水量封堵残留微小裂隙（孔隙）及边缘裂隙，加强堵水塞封堵效果5.2陷落柱治理质量检查钻孔取芯5.2陷落柱治理Z4-检1孔岩芯图片（704m）治理技术压水试验孔号试验层位压水量（L/min)受注段长(m)孔口压力(Mpa)吸水率(L/min.m.m)Z4-检1610m351304.10.00057664m601843.60.00078742m352622.00.00051Z3-检2610m1061302.10.00302664m1061841.60.00262742m1672621.00.00398742