注浆防治水（共8篇）
注浆防治水 篇1
1 矿井概况
淮北金石矿业公司是由淮北矿业集团控股子公司, 主要开采原淮北矿业集团石台矿深部天然焦, 矿井设计生产能力45万t/a, 矿井开拓方式为立井开拓, 布置混合提升井和中央风井, 混合井设计深度520 m, 风井设计深度480 m。根据区域地质资料和检查钻孔揭露地层分析, 井筒涌水量预测不大于10 m3/h, 并且砂岩裂隙含水层是矿井充水的直接充水含水层, 其中-235~-239 m为中砂岩, 电阻测定曲线异常。为进一步探明地质条件, 先施工风井, 掘进方式为炮掘, 循环进度3.9 m, 采用金属模板混凝土支护。
风井井筒掘砌至井深230 m处, 围岩为泥岩, 打眼3.5 m没有发现有水, 放炮后突然意外出水。实测得井筒最大涌水量40 m3/h, 平均30 m3/h左右, 分析出水水源为砂岩裂隙水。为确保施工顺利进行, 决定对下部出水层实施工作面注浆堵水。
2 施工方案
完善排水系统→强排水降低工作面水位→构筑排水滤水层→埋注浆管、大赦操作台→施工止浆垫→止浆垫凝固、养护→试压、加固止浆垫→打钻注浆→扫孔检查注浆效果→恢复正常掘砌。
注浆参数: (1) 注浆段高:注浆从井深226 m开始, 预计至井深240 m止, 伸入泥岩1 m, 垂深约14 m。钻注过程中, 注浆段高以实际施工为准。 (2) 布孔方式及数量:预注浆采用径向斜孔布孔方式。共布置6个注浆孔, 注浆孔圈径3 m, 孔间距1.5 m沿井筒周边均匀布置。各孔终孔位置在水平方向上超出设计荒半径2 m, 各注浆孔径向倾角α=8°。 (3) 注浆终压:注浆终压在实际操作中应钻出水后测静水压, 再定注浆终压, 终压为静水压的2~4倍, 本次取10.4 MPa。 (4) 止浆垫结构及厚度:止浆垫形式为止浆垫与岩柱联合结构, 采用平底型止浆垫, 止浆垫砼强度等级为C40, 厚度B=3.5 m, 其下部铺设0.5 m碎石滤水层。 (5) 止浆垫厚度验算:经计算B1=3.01 m, 取3.5 m。 (6) 工作面浆液注入量预计:按《矿山井巷施工程施工及验收规范》第3.5.9条第七款公式计算, 浆液注入量预计为1 453 m3。
3 施工方法
3.1 止浆垫施工
止浆垫施工前, 利用水泵强排水, 整平井筒内爆破矸石, 用锚杆固定好6个孔口管, 上部焊接6~8道φ8 mm钢筋做的防滑箍, 然后向井筒抛碎石0.5 m厚作滤水层, 粒径20~40 mm。在井筒中央安设两个滤水桶, 潜水泵安设在滤水桶内, 开始浇筑止浆垫至碹头上300 mm高度, 止浆垫浇筑完毕凝固7 d后, 即可进行加固止浆垫及钻注施工。
3.2 搭设钻、注工作台
井筒注浆在井底用20#工字钢和φ159 mm圆钢搭起辅助盘作为钻机工作台, 辅助盘用3根模板稳绳平稳悬吊。钻机工作台必须牢固、稳定、安全可靠, 钻机用钢丝绳套固定在辅助盘上。
3.3 注浆材料
注浆主要水泥单液, 堵漏时采用水泥-水玻璃双液浆, 水泥选用P.O42.5, 水玻璃选用浓度为40波美度、模数为2.4~2.8的水玻璃。水泥浆有1∶1、1∶0.8、1∶0.5 (水灰比) 三种浓度浆液可供选择, 水泥浆与水玻璃体积比在1∶0.4~1∶1之间进行调整。
3.4 止浆垫加固
止浆垫在施工后5~7 d, 达稳固后对其加固, 加固时控制注浆压力是非常关键的环节, 最好注浆压力在3 MPa以下。
3.5 钻注设备
注浆孔钻进采用MZ-120-2型潜孔钻机配φ90 mm钻头及φ60 mm钻杆, 注浆选用2台2ZBYSB-200-50/5型注浆泵, 2台0.2 m3搅拌机。
3.6 注浆孔钻注施工
(1) 钻注方法。工作面探水注浆时, 按照设计注浆孔位, 首先钻注奇数号孔, 即1#、3#、5#孔, 然后再钻注偶数号孔, 即2#、4#、6#孔。钻一孔, 注一孔, 均达到设计终压。若钻进过程中未钻至终孔位置, 涌水量已达到10 m3/h, 就立即停钻注浆, 达到注浆终压之后先钻注下一个孔, 然后再重新钻该孔, 直至达到设计要求。
(2) 注浆前对注浆设备、混合器和管路系统进行试运转和耐力试验, 看其能否满足最大压力、最大流量, 调节装置是否灵活, 以保证二种浆液按比例正常注浆。
(3) 注浆前先压清水, 视各孔沟通情况, 然后逐个关闭与注浆管相串浆的管, 将水赶到一处再集中封堵。一般先注单液浆, 一段时间后再注水泥-水玻璃双液浆。
(4) 注浆程序。将吸浆笼头放入清水桶, 打开混合器前端的放浆阀门, 启动注浆泵电机, 调节注浆泵档位, 看压力是否正常后, 打开孔口管后端进浆阀门, 关闭混合器前端放浆阀门, 开始压注清水, 5 min内无异常现象, 可将吸浆笼头移至储浆桶, 吸注单液浆, 水泥单液浆浓度一般先稀后浓, 即水灰比从2∶1至1.5∶1至1∶1, 当浆液在裂隙中沉析, 充填阶段连续注浆一定时间 (30~50min) , 压力不升, 进浆量不减时, 应逐级加大浆液浓度或改注双液浆。注浆升压过程应为循序渐进过程, 从低压到高压, 若压力突然升高应采取卸压或泻浆措施, 保证安全和注浆质量。注浆结束后, 先将吸浆笼头移至清水桶, 吸注适量清水, 然后打开混合器前端放浆阀门, 关闭孔口管后端进浆阀门, 继续压入清水, 冲洗管路, 直至混合器放浆阀门喷出清水, 方可关闭电机, 停止注浆。
(5) 注浆结束标准。注浆结束标准有两条:一是各注浆孔的注浆压力达到终压, 注入量小于30~40 L/min;二是终注孔扫孔后, 单孔涌水量小于1 m3/h。否则对所有孔重新扫孔复注, 直至满足上述要求。
(7) 施工质量目标。工作面掘砌时井筒涌水量不大于10 m3/h。
(8) 根据施工要求制定安全技术措施, 并组织审批和贯彻执行。
4 结论及建议
本次井筒工作面堵水注浆为期35 d, 采用水泥单液浆, 水灰比浓度控制在1∶0.5~1∶1.0范围之间, 检查孔出水量控制在0.1 m3/h, 注浆效果明显。
(1) 注浆前先进行注浆机的调试, 正常运行后注清水10~30 min, 再进行试注浆, 在试注时浆液浓度为1∶0.5, 如果压力过大, 及时调慢注浆机运行速度, 降低注浆量;当连续注浆0.5 h不见升压或吸浆量不下降, 应提高浆液浓度。当水灰比小于1时, 每个浓度级可连续注入40~50 min后再提高浆液浓度。
(2) 如施工时单孔出水量较大或地层裂隙发育复杂时, 可适当加大注浆量。注浆过程中发现压力骤然上升或浆量消耗突增, 应停注, 查明原因处理后再恢复注浆。
(3) 终压控制是注浆的关键环节。测静水压力的时间不低于1 h, 尽量测准静水压力, 注浆终压应为静水压力的2~4倍, 从而确定注浆终压。各注浆孔上地面终压都达到设计要求并稳定0.5 h后, 停止注浆, 保证了注浆质量。
(4) 加固止浆垫压力不宜过大, 一般工作面压力控制在3 MPa以下, 压力较大止浆垫跑浆, 严重会造成井壁破坏出现裂缝, 在处理止浆垫跑浆时, 应采用间歇注浆和加锯沫等材料混合加固。
(5) 在施工注浆孔时, 每班需配有专业钻机操作工1名, 避免操作不当引起的钻机损坏和掉钻等事故。
(6) 井筒掘进防治水是重点, 井筒检查孔资料提供涌水量一般偏小, 电阻曲线异常段, 一般井筒涌水量异常, 必须加以重视, 做好防治水工作, 防患于未然。
摘要：通过立井井筒防治水注浆施工实践, 总结有关注浆技术要求和现场管理经验, 对跑浆原因、注浆压力、注浆量控制进行分析, 旨在为立井施工穿过含水层提供一定的借鉴经验。
关键词：立井施工,注浆,防治水,研究,应用
副井筒井壁注浆封水技术的应用 篇2
摘要：为解决方庄二矿副井井筒涌漏水问题，提高副井冬季运输安全系数，延长井筒装备的使用寿命，方便职工上下井。通过在井筒内施工注浆钻孔，应用注浆封水技术，彻底解决了井筒井壁大量渗水问题。
关键词：井筒 注浆 封水
1 矿井概况
方庄二矿位于焦作煤田东部，南距修武县城约16km，西南距焦作市约22km。矿井1980年12月25日投产，批准设计生产能力0.45Mt/年。2006年核定生产能力0.48Mt/年，2011年复核生产能力0.48Mt/年。矿井采用立井多水平开拓方式，共有井筒4个，主井提升原煤，副井提矸、通风、升降人员、提升物料。一水平标高-175m，二水平标高-500m，目前生产采区为23采区，准备采区为25采区。副井采用立井罐笼提升，井筒直径5.0m，井筒深度323m。副井内安装有金属梯子间，作为矿井安全出口。
副井井壁在接茬处出现多处漏水现象，井筒涌水量达到0.5m3/min，在井深70～90m、110～140m、170～210m处，砂岩水通过井壁及接茬处渗入井内。由于井壁多处渗水，加之罐道梁的影响，使整个井筒处于淋水状态，井内设施常年被水浸淋，罐笼内淋水，升入井人员常年在淋水环境中上下罐，且冬季井筒内大量结冰，给副井运输及职工上下井，造成了严重的安全隐患。
2 施工方案
2.1 渗水治理方案 井壁渗水状态是由于井壁接茬处存在缝隙，含水层段井壁质量不好造成的，要想从根本上解决问题必须采用注浆封水方法解决。
2.2 注浆堵水方法 根据井下实际观察副井井筒的淋水状况及水文地质条件，确定井筒淋水的主要原因是由于井壁接茬处漏水，注浆范围为井深70～210m，有针对性的对淋水点进行封堵，注浆材料拟采用水泥-水玻璃双液浆为主，以达到隔绝水源渗入井壁的目标。
2.3 注浆顺序的确定 考虑到副井井筒的客观条件，为方便施工、提高注浆堵水效果，确定注浆顺序为由上往下施工。
2.4 注浆材料的选择 水泥选用国标425#普通硅酸盐水泥，水玻璃选用浓度为38～40Be（波美度）。原因：①浆液凝结时间较短，可以很快的起到封水效果。②浆液无毒，对地下水和环境无污染；材料来源丰富，价格比较低廉。
2.5 注浆浓度的确定 ①水泥浆的水灰比为0.5：1，注浆量大时浆液增加浓度到1：1。②水泥浆和水玻璃浆液的体积比：正常注浆并出现漏浆时，水泥浆与水玻璃体积比为3：1；注浆量大时增加为2：1；最后封孔时，水泥浆与水玻璃浆的体积比要达到1：1。
3 封水施工步骤及过程
3.1 注浆设备的选择及布置 本次注浆选用ZBQ-
50/6气动双液注浆泵。用YT-23型气腿式凿岩机打注浆孔，注浆管选用Φ20mm注浆锚杆，长度为0.5～1.0m。
打注浆孔时，将打钻设备及注浆锚杆放置在副井罐笼顶部，人员进入罐笼顶部时必须加装防护伞。将罐笼下至淋水点，然后由管子道、梯子间将两根Φ25mm高压软管下至施工地点，作为打钻用的风、水管路进行施工。
注浆设备及注浆材料，放置在地面副井管子道口，输浆管路使用打钻用的风、水管路，对注浆孔进行注浆。
3.2 注浆孔的布置及参数的确定副井注浆段的注浆孔为壁后注浆孔 壁后注浆孔的深度以超过井壁厚度0.5～1.0m为宜。因井壁是接茬处渗水，注浆孔采用三花眼垂直布置井壁接茬处，间排距为0.5～1.0m（根据涌水状况确定）。
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3.3 注浆孔施工 由于井筒掘进方法原因，接茬多而且接茬处漏水较严重。占井筒漏水量的80%，是本次注浆的重点：①每班施工前搭设和检查、确认安全防护设施及对讲机是否合格、正常。②使用对讲机发出打点信号将罐笼下至出水点后搭设工作平台，并将施工工具及材料固定牢靠。③向井筒出水点施工钻孔，然后布置注浆锚杆。④使用对讲机联系地面人员停风、水，泄压后将风水管与注浆锚杆连接并联系注浆。⑤注浆达到结束标准后，联系停泵泄压、冲洗管路。⑥拆除工作台，检查现场，确保没有遗留工具后，使用对讲机联系提罐升井，并拆除防护设施。
接茬处施工。在接茬淋水点按间距0.5-1.0m进行打孔注浆，注浆孔深度以超过井壁0.5～1.0m为宜。钎头采用28mm钎头，注浆孔口管采用Φ20mm注浆锚杆，1个高压阀门，两根Φ25mm高压软管。
3.4 注浆及压力确定 进行注浆前，先用清水对注浆孔进行清洗，然后注入相应的注浆材料，严格按照设计要求控制浆液浓度及配合比，对于注浆压力变化情况要密切观察，根据注浆实际情况，对注浆材料配比进行随时调节，进而在一定程度上达到最好的堵水效果。根据副井实际条件，依据不破坏井壁的原则，进一步确定注浆压力。通常情况下，注浆压力控制在2～3MPa，最大注浆压力不超过3MPa。按照方案设计，采取直接钻孔注浆的方式对每一茬部位较大的涌水点进行处理。注浆后，壁后孔隙、缝隙连通条件引起改变，注浆过程中，需要对注浆压力和注浆量的变化情况进行观察，防止注浆压力过大进一步破坏井壁。
4 效果
通过井筒注浆封水技术的应用实施，使副井井筒涌水量由原来的30m3/h降到6m3/h，改变了方庄二矿副井长达二十多年的淋水情况。①安全方面，改善了工人的上下井环境，避免了井筒在冬季大量结冰对提升运输造成的安全隐患，保证了副井筒的安全提升工作。②减省了井底排水费用和除冰的投入，取得了良好的经济效益。③该工程若招标，支出的总费用将达到四十余万元，而矿井自行施工所产生的人工费及材料费总支出不足五万元，该技术的应用改善了方庄二矿副井运行环境，为矿井节约了资金投入，取得了明显的安全、经济效果。
5 结论
①在施工过程中，针对方庄二矿副井涌水量大的难题，需要对井壁渗漏水情况、井筒地质资料等进行充分的分析。②采用注浆封水技术封堵方庄二矿副井涌水是行之有效的，改善了工人的上下井环境、保证了副井筒的安全提升工作、减省了全年井底排水费用和除冰的投入，经济效益、安全效果显著。③施工中采用的注浆工艺流程合理，所选参数适宜，依据现场情况确定的注浆材料配比、浆液配比合理，应用效果好，降低了材料成本。④通过在副井筒的施工，总结出施工封水注浆经验，对注浆孔的选择、布置根据现场淋水情况的不同，更具有针对性，效果更加明显。该工程结束后，在矿井底板岩巷25修改轨道下山顶板淋水段采用了相同方法进行了封水施工，效果明显，该技术得到进一步验证。⑤采用注浆封水技术在方庄二矿副井的成功应用，为类似矿井涌水的治理提供了可以借鉴的成功经验。
参考文献：
[1]宋德军，郎彦龙，李保东.综合注浆技术在小康矿副井筒封水工程中的应用[J].煤矿安全，2007（06）.
[2]朱喜东.综合注浆技术在小康矿副井筒封水工程中的应用[J].煤炭技术，2006（11）.
[3]卞春.宿松南副井井筒注浆治水[A].中国煤炭学会成立五十周年系列文集2012年全国矿山建设学术会议专刊（下）[C].2012（11）.
注浆防治水 篇3
近几年来, 中国社会经济在不断发展, 对资源的需要量也越来越大, 煤矿开采规模也愈来愈大, 煤矿水害事故也时常发生, 但是在立井施工中常会遇到突水事故的发生, 堵塞通道, 给施工人员的生命带来了严重影响, 同时, 还降低了工程质量, 增加了施工成本, 对该问题应予以解决。对在立井施工中注浆防治水技术的应用进行分析, 为后期的井筒施工降低水害隐患, 保证了井筒的安全施工。
1 郑庄矿井相关概况
郑庄矿井位于山西省晋城市沁水县郑庄镇大北庄村西北约1 km, 在工业广场内布置主、副、风井三个立井井筒。其中, 副井井筒特征见表1。
依据郑庄矿井副井检查钻孔及新井筒检查钻孔钻探揭露地层情况, 矿井的开拓方式为立井开拓, 周围的富水性比较强, 直接或间接地接受大气降水补给, 与地表水联系比较密切, 岩性主要为粘土、砂质粘土、粉土、粉砂等, 地下水水质类型以HCO3-Na型为主, 另据钻孔抽水试验资料也显示:孔深121.60 m~212.56 m处含水层含水性均较强, 其它各含水层含水性均较弱。因此, 为了保证副井施工的顺利进行, 决定采用注浆防治水技术[1]。
2 注浆孔布置及钻进施工参数设计
2.1 注浆钻孔
注浆孔的数目及注浆孔的布置都对注浆效果、时间及成本影响较大, 根据郑庄的地质水平及水文资料, 相关规范及要求结合以往井筒地面预注浆的经验, 从而确定井筒钻孔孔数及注浆深度, 如表2所示。
2.2 钻场的布置
为方便钻机的搬迁、加快钻进速度, 进而确保钻进质量, 需要在钻场修筑环形轨道, 要求轨道布置坚固, 轨面保持水平, 不得出现局部塌陷现象。因此, 钻场基础应较为坚固, 铺设枕木及三圈环形道轨, 内圈及外圈均铺设在钻塔盘角下。
2.3 注浆段高注浆压力及注浆方式
所谓注浆段高是指一次注浆的钻孔长度, 其分段注浆是确保注浆质量的重要技术之一。因此, 在注浆过程中应根据段高的大小、裂隙发育程度及其富水性等来确定其段高。通常情况下, 确定段高应坚持以下几方面原则:
a) 对于重点含水层应突出。一些重点注浆段明确提出, 可坚持非重点注浆段加大段高, 而对于重点注浆段则相应减小段高的原则, 实现段高的合理性;
b) 应确保含水层在受注段的中上位置, 这样一来, 才能够确保水文地质相近的岩层能够处于同一段高中;
c) 应充分考虑井筒内基岩的注浆段, 根据实际情况设置段高。本次所采取的注浆液为单液水泥浆注浆, 总体上段高应适当减小长度。而注浆压力是驱使浆液克服各种流动阻力, 在岩层裂隙中扩散、充填的动力[2]。它与浆液类型及其浓度、裂隙开度及连通性等因素密切相关。注浆压力的大小对注浆质量及注浆材料用量有着直接影响。在本次注浆工程中, 根据以往施工经验, 将注浆压力设置为是静水压力的2倍左右。其数据如下表3所示。其注浆方式采用分段下行的方式, 在注浆过程中应加大注浆速度, 确保质量。
2.4 注浆材料
由于井筒注浆比较短, 工期也不长, 确定采用单液水泥浆, 采用此种水泥浆的优点为:地面设施较为简单, 占地比较少, 同时准备时间较短, 在注入地层中封堵裂隙的强度比较高, 更加适合可注性好的裂隙含水层注浆, 同时采用此浆液的费用低于黏土浆费用。
2.5 止浆垫
采用整体浇注混凝土止浆垫, 即单级平底型。由于本矿井筒有较大涌水量, 在进行浇筑时应铺设滤水层, 防治水泄漏, 影响施工质量。其止浆垫厚度设置为1.5 m, 即:腰泵房底板向上0.4 m为止浆垫上面, 腰泵房底板以下0.9 m为井筒工作面底板。止浆垫厚度取1.5 m, 其中滤水层厚度0.5 m, 混凝土层厚度1 m。
2.6 施工过程
a) 将吸浆笼头放入到清水筒中, 混合器前端的放浆阀门打开, 同时启动注浆泵电机, 当压力正常之后, 将孔口管后端进浆阀门打开, 关闭前端进浆阀门, 开始压注清水;其次, 压住清水五分钟之后, 没有发现异常现象, 就可将吸浆笼头移到储浆筒中, 对水泥单液进行吸注;
b) 当浆液在裂隙中沉析, 连续注浆半小时, 加大浆液浓度, 在此过程中, 如果遇到压力突然升高时, 应采取卸压的方式或泻浆的方式来保证注浆质量;
c) 注浆完成之后, 将吸浆笼头吸入到清水桶中, 加入适量的清水, 关闭孔口管后端进浆阀门, 打开混合器前端阀门, 管路冲洗干净, 一直到混合器里喷出清水, 方可将注浆机关闭, 停止此次的注浆[3]。
3 施工效果
实施后注浆历经60 d, 共累计3 682个注浆孔, 累计孔深度为13 236 m, 注入水泥达426 t, 水玻璃为236.5 t, 膨胀剂为4.5 t。挖补井壁为135.6 m3, 喷射混凝土达123.6 m3, 水灰比控制在 (1∶0.5~1∶1.5) , 孔出水量控制在每小时0.1 m3, 其堵水率高达95.3%, 起到了很好的堵水效果。改善了作业环境, 为组织快速施工提供可有利条件, 为井壁质量提供了保障, 工作面注浆效果达到预期目的。
4 结语
立井施工中采用注浆防治水技术, 能够降低井筒施工中突水事故的发生概率, 最大限度地降低井筒涌水量, 避免突水淹井事故的发生, 同时还能够提高井壁的抗压度, 加快施工进度, 提高工程质量, 在煤矿立井施工中具有重要的地位, 值得大力推广应用。
参考文献
[1]刘晗, 严克磊.立井施工工作面防治水施工技术[C]//周兴旺.矿山建设工程技术新进展——2008全国矿山建设学术会议文集 (下) .合肥:合肥工业大学出版社, 2008.
[2]徐继民.注浆防治水技术在立井施工中的应用[J].煤矿安全, 2008, 39 (9) :51-54.
注浆防治水 篇4
徐楼铁矿位于淮北市濉溪县城南侧7km处, 为一接触交代型矽卡岩磁铁矿。矿体埋藏48~385m, 采用竖井侧翼式开拓, 采用嗣后分段空场法回采矿房, 上向水平分层胶结法回采矿柱的联合开采方法。铁矿石地质储量为2 997万t, 平均品位47.51%, 年设计生产能力40万t, 现已达到年生产能力。
2 矿山水文地质概述
徐楼铁矿地处亚热带和暖温带过度地带, 属半湿润气候区, 多年平均降雨量845.0mm, 年际变化大, 最大月份1694.7mm, 最小月份499.0mm, 年降雨70%集中在6~9月份。
矿区属于淮河水系, 区内主要河流为沱河及其支流引河和巴河, 其次为濉河。另外有较大的河沟24条, 及其众多的人工渠纵横交错, 地表水系及其发育。
矿区含水层为广泛分布的第四系沉积岩, 埋葬深度40~75m, 沉积岩底部为为20~40m粘土隔水层, 第四系沉积物含水, 由厚度不等的砂、砂砾石组成, 承压水位埋深1~2m, 为孔隙含水层。钻孔单位涌水量q为0.23~1.00m3/s, 渗透系数K为0.76~4.1m/d。其次为大理岩岩溶裂隙含水层, 该层为矿体顶板, 以大理岩为主, 次为白云质大理岩、泥灰岩、及灰岩。大理岩含裂隙溶洞承压水, 水头接近地面。大理岩含水层分布遍及整个矿区。钻孔试验表明单位涌水量q大于101m3/s, 渗透系数K为17.8m/d。
矿区隔水层有第四系松散层底部的粘土层, 分布广泛, 结构致密, 粘塑性好, 透水性较弱。可以阻隔第四系砂层与下部矿体顶板的水力联系。但局部地段粘土层近2~10m, 中间有砂层俗称“天窗”, 将第四系水层和顶板大理岩连接一起, 发生水力联系。矿体地板为闪长岩, 斜插在大理岩和矿体之间, 将矿体分为上层矿体和下层矿体, 该岩体裂隙不发育, 透水性微弱, 可视为隔水层。综上所述, 发生水力联系的第四系沉积岩和大理岩, 可以将地表的水直接引入采场, 严重影响矿山的生产和安全。
3 防治水方案的确定
徐楼铁矿矿体顶板为大理岩含水层, 底板为闪长岩隔水层。含水层岩溶裂隙, 溶洞发育, 含水丰富, 矿区东头直接受大气降水的补给, 径流条件好, 水文地质复杂, 矿坑涌水量大。地下水的静动储量较大, 如果采用疏干排水的防治水方案, 不仅不能达到疏干的目的, 还可能引起地表塌陷, 水资源破坏等地质环境问题, 而且存在突水威胁;如果采用矿区地面帷幕注浆技术方案, 不仅工程投入大, 而且也无法保证顶板的稳定性, 同样也有地表塌陷可能和突水的威胁。为确保矿山顺利生产, 因此通过综合、分析和反复论证, 确定采取井下近矿体帷幕注浆技术方案开采一期。二期开采时也采用矿体内帷幕注浆防治水方案, 不仅能起到防治水的目的, 也起到加固矿体顶板的稳定的目的。
4 帷幕注浆总厚度和网度的确定
根据矿山实践经验, 徐楼铁矿帷幕注浆厚度为21~24.9m, 有效起到治水作用, 结合我国帷幕注浆的矿山 (业庄铁矿井下近矿体帷幕注浆安全厚度为20m, 莱新铁矿井下近矿体帷幕注浆安全厚度为35m) 均取得较好的效果, 因此本公司在设计研究院的帮助下将井下近矿体帷幕注浆安全厚度确定为25m。根据矿山实际经验, 确定帷幕注浆施工网度为50m×50m, 将整个顶板全部帷幕注浆。
5 单个帷幕注浆硐室的设计和施工
注浆硐室的规格为3m×3m×3m三心拱。钻注浆孔具体参数见表1。
5.1 钻孔施工次序
施工时, 先施工1、3、5、7、9、11、13、15、17等第一序次。等第一序次施工完成后再施工2、4、6、8、10、12、14、16、18第二序次。方位角和倾角允许误差±1°, 校正深度误差1‰。
5.2 施工工序及技术要求
5.2.1 开孔、止水和固管
(1) 开孔孔径110mm, 开孔深度3~6m。如遇岩石破碎的施工地点, 应先施工30~50cm止浆墙, 而后钻进。孔口管下如完整岩石2m以上, 孔口管处长度必须大于3m。
(2) 开孔后, 安装孔口管径108mm×5mm地质管, 孔口管外端要预装压力表座, 以备打压试验、测量水压和注浆时安装16MΡa压力表, 外部缠绕遇水膨胀橡胶止水, 止水橡胶缠绕段不得少于2.5m。
(3) 孔口管工作面上预设锚杆, 孔口管外露部分与锚杆连接牢固。
(4) 孔口管安装闸板阀门, 直径75mm以上, P>5MΡa。
(5) 固管结束后, 进行打压试验, 压力达到P>5MΡa时持续30分钟。检查止水效果, 不漏水为合格。如遇漏水必须采取相应的处理措施, 达到合格标准后方可钻进施工。
5.2.2 钻注浆孔施工技术要求
(1) 注浆孔孔径75mm, 深度见表1。
(2) 钻进过程中需取岩芯, 岩芯采取要按顺序排列, 并立即上地质图, 以方便研究水文地质及条件。
(3) 如遇涌水大过200m3/h时, 立即停止钻进, 不得提出钻具, 并立即报告矿长, 在通过安全防范措施时, 才能按照措施提出钻具。
(4) 钻孔涌水量达50m3/h时, 提钻后要立即关闭孔口闸阀并终孔结束, 并告诉排水工注意排水, 同时报告生产调度。
5.2.3 注浆施工技术要求
(1) 注浆采用纯压式上行注浆法, 采用群孔注浆方式, 注浆前如遇泥质水, 不准随意排放。
(2) 注浆应用单液水泥浆和适量尾砂, 水泥用325普通硅酸盐水泥, 生产日期25天内为佳。初凝4小时, 终凝12小时。
(3) 单孔注浆量达250L/min以上, 输浆管流速5m/s, 内径32.5mm。注浆前先进行压水, 时间20~30分钟, 压力达5MΡa以上。
(4) 浆液重量配比采用四级浆液, Ⅰ级为2 (水) ∶1水泥;Ⅱ级为1.5 (水) ∶1水泥;Ⅲ级为1 (水) ∶1水泥;Ⅳ级为0.8 (水) ∶1水泥。
(5) 浆液的应用、转换、过程控制和结束标准。 (1) 起始浓度的应用。当10m3/h≤钻孔涌水量<50m3/h, 起始注浆浓度采用Ⅰ级为2 (水) ∶1水泥;当50m3/h≤钻孔涌水量<100m3/h, 起始注浆浓度采用Ⅱ级为1.5 (水) ∶1水泥;当100m3/h≤钻孔涌水量<200m3/h, 起始注浆浓度采用Ⅲ级为1 (水) ∶1水泥;当钻孔涌水量≥200m3/h, 起始注浆浓度采用Ⅳ级为0.8 (水) ∶1水泥。 (2) 注浆浓度的转换。起始浓度连续注入60分钟后, 压力耗浆量无变化时, 改用上一级的浓度;改用上一级连续注浆60分钟后, 压力耗浆量无变化时, 改用上一级的浓度;其中Ⅲ级为1 (水) ∶1水泥为主要应用浆液, 三级浆液大于100t后改用Ⅳ级浆液。 (3) 注浆结束标准。孔口压力≥6MPa以上;单位耗量<50L/min;以上两项同时达到使连续注浆30分钟后可以结束注浆。 (4) 过程控制。 (a) 注浆过程必须连续, 不得中断, 如水泥消耗量达200t以上, 仍然不起压, 应停下间歇注浆, 间歇前应压20分钟清水, 停8小时后继续注浆, 此时考虑增加10%的尾砂用量。 (b) 注浆时要根据压力变化适时地调整给浆量, 防止突然升压堵塞进浆通道, 达到不应有的扩散半径。 (c) 注浆结束后, 同时关闭孔口闸阀, 实施孔内保压, 关闭闸阀和停泵应同时进行, 以防浆液回流或管内瞬间高压。 (d) 关闭闸阀后应继续观察记录孔口压力表的失压过程, 每5分钟记录一次, 直至失压为零时, 注浆人员方可撤离现场。
5.2.4 注浆时应做好资料的记录
(1) 注浆前钻孔的涌水量、涌水位置、水压、颜色。
(2) 每次注浆的起止孔深。
(3) 压水情况。
(4) 注浆液配比和转换使用情况。
(5) 注入量:注浆注入量和水泥消耗量, 每小时记录一次。
(6) 注浆压力每60分钟记录一次。
(7) 注意观察各孔之间是否有跑浆和互串现象。
6 结语
赵楼矿风井基岩段防治水注浆技术 篇5
赵楼煤矿井田面积约144.89 km2, 属巨野矿区, 设计生产能力300万t/a, 服务年限60.1年。矿井采用立井开拓主、副、风井筒均布置在同一工业广场内。其中, 风井的井筒净直径为6.5 m, 井深916.1 m, 表土层厚471 m, 冻结深度534 m。各井筒表土段均采用冻结法施工, 基岩段采用普通钻爆法施工。
2 基岩段出水点分布及地质情况、防治方案
赵楼煤矿基岩含水层涌水量大、水压高、且多为高角度裂水和孔隙水。实际施工中共揭露22个含水岩层, 其中20 m3/h以下的含水层9层, 20～30 m3/h的含水层2层, 30～50 m3/h的含水层4层, 50～60 m3/h的含水层1层, 70～100 m3/h的含水层3层, 最大的为3煤顶板砂岩, 涌水量110 m3/h。风井基岩段涌水情况如表1所示。
风井率先进入基岩段施工, 井筒施工防治水难度大。
在冻结法凿井中, 对于基岩段的防水治理方法, 常采用地面预注浆和工作面预注浆。
地面预注浆适用于裂隙含水层厚度较大且距深度不宜超过300～500 m, 在层厚小、层数较多也可采用, 工程实践表明地面预注浆对深部高角度裂隙的止水效果不显著。考虑到风井井深达916.1 m, 不宜采用地面预注浆法。
因此, 风井基岩段防治水主要采用工作面预注浆通过基岩段, 并辅以适当的壁后注浆止水。在施工期间, 若井筒涌水量较小, 则顶水作业;待涌水量较大时, 进行壁后注浆;在整个井筒施工完成后, 全井筒实行壁后注浆。
3 基岩段工作面预注浆
工作面预注浆要做好有疑必探、先探后掘的探水原则。井筒施工作业方式为短注短掘, 即探注与掘进交替作业。将基岩段含水层分为6个注浆段, 注浆后掘10 m预留5 m止浆岩帽, 每段注浆方式和工艺基本相同。
3.1 工作面注浆施工技术
赵楼煤矿风井基岩段注浆在确保安全的前提下, 为提高施工效率和提高防治水效果, 采用了以下技术措施和新注浆工艺:
(1) 注浆压力以有效封堵出水, 同时不引起井壁开裂凸起为原则。注浆时首先测定含水层钻孔静水压力, 注浆压力比静水压力大0.5～1.5 MPa。如井壁漏水量较大, 应打泄水孔进行卸压, 正常注浆压力=含水层静水压力+2～3 MPa, 注浆终压=含水层静水压力+5～8 MPa, 或者注浆终压应大于含水层静水压力的2～4倍, 井壁接茬处的注浆压力取0.5～1 MPa。注浆终压决定注浆效果, 注浆前必须实测静水压力, 作为决定注浆压力的依据, 要时刻有人观察注浆终压与井壁防止井壁注裂。
(2) 从钻进、注浆和辅助工程等方面着手加快注浆速度。采取双孔钻注、多孔注浆等手段加快注浆, 利用止浆岩帽、简化钻机工作平台等方式缩短辅助工程时间。采用双孔钻注法, 缩短打钻时间, 可将钻注时间缩短一半。小孔径, 多孔数的群孔同时或依次注浆, 注浆时间和注浆钻进的时间几乎相等, 钻注速度快。
(3) 采用小孔径、多孔数提高注浆堵水效果。小孔径钻进快, 孔数多了, 遇到的裂隙多, 堵水效果就提高了;选择适合本地区工程地质的注参数, 如注浆压力, 流量, 注入量及泵液浓度等, 以压力为主, 其余参数主要适应压力的变化。终孔位置应超过含水层下面泥岩内2 m, 打钻、注浆分步实施以防窜浆。
(4) 为了保证注浆效果防止注浆后掘进放炮时工作面再次出水, 在工作面注浆结束后又在止浆垫以上4 m向壁后斜打孔18 m进行探水注浆。
3.2 工作面注浆效果
赵楼煤矿风井针对基岩段含水层施行工作面预注浆, 取得了良好的注浆效果, 有效地封堵了基岩段各含水层。风井工作面预注浆情况如表2所示。
工作面预注浆时, 井筒深度680～700 m的井壁接茬缝处多处跑浆。经采取调整浆液浓度和间歇注浆等措施后, 解决了这一问题。从实际施工揭露的岩层情况看, 3灰含水层裂隙中充填近20 mm厚水泥浆, 裂隙封堵效果是比较好的。
赵楼煤矿风井注浆施工中始终坚持各孔注浆终压达到设计值, 浆液注入量大、注浆效果好。
井筒掘砌情况表明, 在裂隙发育的岩层破碎带, 采用注浆方法加固岩层, 提高岩层的稳定性, 可以避免发生抽帮垮帮事故, 提高掘进速度, 保证建井施工安全。
4 壁后注浆
壁后注浆适用于基岩段井壁堵水, 或壁后有空洞, 把浆液注到壁后, 起到充填、堵水或加固作用。其分为施工过程的壁后注浆及竣工后的壁后注浆。壁后注浆的重点部位为风化基岩段与表土交接处。
4.1 壁后注浆施工技术
采取“下堵、上封、中间渗透”的方法进行壁后钻注, 即先注含水层的两端, 再上行式注浆, 而后下行式复注[1]。
由于井壁接茬处易跑浆, 在接茬处采用深孔与浅孔相结合, 注浆孔呈三花形布孔, 孔深度进入井壁1～1.5 m, 每圈布孔10～14个。根据赵楼煤矿风井壁后静水压力高, 且井壁质量好、涌水量小等特点, 选择高压深孔注浆与低压浅孔注浆相结合封堵井壁漏水。
在注浆终压控制上, 尽量控制一次注浆到位, 避免在一个位置反复破壁注浆, 由于第一次注浆后井壁内和周边岩层内裂隙被充填, 再次进行注浆时扩散效果远小于第一次, 同时井壁打孔也降低了井壁强度, 注浆压力受到了一定限制。
4.2 壁后注浆效果
在风井进行了6次壁后注浆, 5次施工中注浆一次全井筒注浆。在实行全井筒注浆前井筒总漏水量23.5 m3/h, 注浆后井筒总漏水量3.97 m3/h, 堵水率为83.12%。壁后注浆既加固了井壁围岩, 又改善了二期施工作业环境。赵楼煤矿风井壁后注浆情况如表3所示。
5 结论
复杂地质条件下, 井筒基岩段施工面临的最大困难就是水的防治。
赵楼煤矿主、副、风三井筒中, 风井率先进入基岩段施工, 基岩富水情况不明, 面临的风险最大。风井基岩段掘砌期间共进行工作面注浆6次, 壁后注浆6次, 探水次数和注浆次数均大于主井和副井。这是由于风井率先进入基岩段施工, 基岩段富水情况不清, 必须坚持有疑必探、先探后掘的原因所致。
正是由于风井适当超前于主井和副井, 风井所获得的水文地质资料和防治水经验对于主、副井均有重要的借鉴作用, 有利于保证工程进度, 避免基岩段涌水淹井事故的出现。因此, 在复杂条件下的矿井建设中, 应适当安排井径小、井深浅的井筒率先开工, 进入基岩段后加强探水和防治水工作, 以确保整个建井工程的安全顺利进行。赵楼煤矿风井被评为山东省优质工程。
参考文献
注浆防治水 篇6
煤矿突水事故造成的经济损失一直居各类煤矿灾害之首, 突水事故发生次数和死亡人数仅次于煤矿瓦斯突出事故。华北型煤田受岩溶强含水层威胁比较大, 尤其是下组煤因距离奥陶系灰岩比较近在开采过程中危险系数很高, 注浆加固方法是目前防治煤矿突水的有效方法之一[1,2,3,4]。近年来由于浅部资源大量开采, 许多煤矿不得不向深部发展。
龙固煤矿位于江苏省沛县龙固镇, 北邻昭阳湖, 西南以孙氏店断层与徐州矿务集团三河尖矿相邻, 东南以张庄断层为界邻接大屯煤电公司龙东煤矿。龙固煤矿-550 m水平以浅的煤层即将枯竭, 因此, 亟需解放-550 m水平以深的21煤。该矿现开采区的无构造块段已处于突水临界状态, 稍向深部即为突水危险区。
为了保障龙固煤矿深部煤层的安全回采, 有必要对奥灰分布规律及顶部岩层进行分析, 寻找奥陶系顶部可以作为实现下组煤安全开采的隔水关键层。在巷道掘进过程中加强底板富水性探测并制定防治水方案, 同时结合相对隔水层分布, 并基于底板富水性的分布规律及岩石力学特性的研究基础上, 确定底板注浆改造层位及改造厚度。在注浆改造和加固过程中要选取合理的注浆材料和注浆孔布置方法, 对底板完全注浆后要建立底板注浆效果检测和奥灰水实时检测系统, 在注浆降低底板岩层富水性、提高底板岩石力学特性和增加隔水层厚度后, 最终实现煤层安全回采。
1 矿井水文地质概况
龙固煤矿于1994年建井, 原设计生产能力为45万t/a, 核定生产能力为110万t/a。矿井主要开采山西组7煤层和8煤层及太原组21煤层。龙固井田位于滕县背斜西南倾伏部位的西北翼, 为一单斜构造。井田内地质构造复杂, 沿走向及倾向派生次一级小褶曲或波状起伏, 以垂直地层走向的一组为最发育。断层以走向NE的一组为主, NW的一组不发育。因此, 区内构造的特点是以较小的宽缓褶皱为主, 伴生有一定数量的断层, 到目前为止, 生产中共揭露12个岩溶陷落柱。
21煤底板自上而下分为3层, 分别为石炭系本溪组、中奥陶系八陡组、阁庄组和下奥陶系马家沟组。其中本溪组由14及15两层石灰岩、白云质灰岩溶隙承压含水层及泥岩、铝土岩隔水层段组成。14灰厚0.80~3.84 m, 平均2.15 m, 井田北部和浅部较厚;15灰厚2.32~15.55 m, 平均9.47 m。14灰及15灰为开采21煤层的底板间接充水含水层, 井田中部较薄, 南部、西部较厚。通过对龙固煤矿各钻孔统计, 得出14灰、15灰岩至21煤的厚度, 进而绘出了在整个矿区21煤至14灰、15灰顶板厚度的等厚线图。
21煤至14灰、21煤至15灰顶板厚度的等厚线如图1、2所示。
2 防治水方案
由于21煤受底部本溪组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层的影响, 在21煤开采过程中, 首先超前探查21煤底板水文地质条件。在回采过程中坚持“疏水降压、注浆加固”的综合防治水措施, 强化现场防治水技术管理、明确各级管理职责, 为21煤开采提供技术保障。
在掘进材料道和溜子道时首先进行对工作面进行全面物探, 同时进行超前钻探, 并在两巷道对工作面底板进行注浆加固, 对14灰、15灰和奥灰顶界面全面注浆加固, 使其改造成为隔水关键层, 提高底板岩体整体强度和突水系数临界值。注浆后再检验注浆效果, 如果检验后合格, 工作面就可以进行回采;如果检验不合格, 还需要继续注浆以至达到合格为止, 并且在工作面回采期间还可以对底板扰动深度进行监测, 可以做注水和抗渗性等实验。
底板加固深度主要依据计算公式:
突水系数计算公式为:
式中:TS—突水系数, MPa/m;
P—底板隔水层承受水压, MPa;
M—底板隔水层厚度, m。
长期以来, 我国煤炭系统一直将判别是否突水的突水系数临界值确定为0.06 MPa/m, 并将这个数值作为划分煤炭资源是否受底板水害威胁的标准。在巷道掘进前, 对于奥灰水, 运用突水系数公式计算底板隔水层厚度, 以此厚度作为探测巷道底板的深度。根据上式计算可得注浆深度为80~85 m。
注浆孔的布设主要根据注浆扩散半径, 扩散半径以小于30 m布置钻孔, 注浆层位主要为14灰、15灰及奥陶系顶部岩层, 为了防止侧向来水, 确保底板安全, 注浆孔延伸至溜子道和材料道两侧各50 m。在溜子道和材料道一共布置了32个注浆钻场。
注浆孔布置示意图如图3所示。
3 注浆加固方案
3.1 注浆加固依据
根据龙固矿工作面开采现状, 经力学理论分析、经验统计和数值计算得到完整底板采动裂隙发育深度为6.8~10.2 m, 在有断层和陷落柱处采动裂隙发育深度为20~36 m。在充分利用奥陶系顶部八陡组、阁庄组岩层消减承压水头能力的基础上, 矿井深部开采防治水的主要方法是分区分层级的注浆改造底板本溪组14灰、15灰及奥陶系顶部岩层, 重点是对导水断裂和陷落柱等构造的注浆改造, 以确保21煤深部延伸工作面安全回采。
基于底板富水性的分布规律及岩石力学特性等研究的基础上, 确定了底板注浆改造层位及改造厚度, 改造层位为本溪组14灰、15灰及奥陶系顶部岩层, 注浆改造深度为80 m (以穿过奥灰约30 m为准) 。选取合理的注浆材料和注浆孔布置方法对煤层底板进行注浆改造, 并建立底板注浆效果检测和奥灰水实时检测系统, 在注浆降低底板岩层富水性、提高底板岩石力学特性和增加隔水层厚度后, 最终实现煤层安全回采。
3.2 注浆技术要求及路线
注浆工程具体路线如图4所示。
结合区域性资料综合分析21煤底板各层灰岩富水性, 14灰和15灰以及奥灰顶部进行注浆加固改造, 在此基础上, 将底板改造为人工的复合隔水关键层, 提高底板岩体整体强度, 同时提高突水系数临界值, 防治奥灰垂向渗流通道。
在巷道掘进和首采面回采过程中, 当物探探测前方存在异常时, 应立即停止掘进和回采, 施工注浆、探水钻场, 在钻场内针对巷道异常区和底板施工注浆、探放水钻孔, 如果发现构造异常或钻孔出水量大于5 m3/h, 则停止掘进, 采取注浆措施, 封堵水量, 注浆后设置检测孔, 如果检测孔出水量大于5 m3/h时, 则继续进行注浆改造, 直至出水量小于5 m3/h, 方可继续掘进。
3.3 注浆设计要求
(1) 水泥具有固结体强度高、来源广、价格低、可注性强、结石体强度高及施工工艺简单等优点, 因此, 工作面底板的注浆加固选用425#新鲜普通硅酸盐水泥。
(2) 浆液浓度:为增大浆液的扩散范围, 同时又保证结石体的强度和致密, 浆液浓度一般应控制在水灰质量比2∶1, 若注浆顺利、浆液流畅, 可适当增大浆液浓度 (水灰质量比 (1.8~1.2∶1) 之间) 。
(3) 注浆压力:注浆压力一般为水源压力的1.5~2.0倍, 根据钻孔出水情况, 确定注浆压力。
(4) 该工程为加固密封底板基岩, 起到防治奥灰水的作用, 施工期间必须连续作业, 确保备用设备、水泥等材料及时到位。注浆期间, 应指派专人分管, 以便协调、监督指挥。
4 结论
(1) 首先确定首采面防治水方案, 对底板完全注浆后可以降低底板岩层富水性、提高底板岩石力学特性和增加隔水层厚度后, 最终实现煤层安全回采。
(2) 解放深部21煤不仅可以延长矿井寿命, 提高经济及社会效益, 而且为受岩溶水威胁的其他下组煤开采提供了借鉴意义。
参考文献
[1]刘新华, 谢志红, 徐克新.强承压奥灰水条件下双液注浆封孔堵水技术[J].山东煤炭科技, 2005 (1) :37-38.
[2]虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京:煤炭工业出版社, 2005:149-168.
[3]李志亮.矿井水害防治技术在梅花井煤矿的应用[J].矿山天地, 2000 (12) :181-182.
注浆防治水 篇7
1 井筒基岩水文地质特征
1.1 井检孔揭露基岩主要含水层水文地质特征
1.1.1 基岩风化带风化裂隙承压含水层 (Ⅱ)
风化带起止437.66~449.60 m, 强风化带厚度11.94 m, 孔深474.85~484.57 m, 为一层厚9.72 m的粗粒砂岩。该砂岩上部岩心较完整, 下部岩心破碎, 垂直裂隙发育, 线裂隙率4~7条/m, 与上部强风化带共同构成该段主要含水层。该层段抽水试验结果:q=0.009 L/ (s·m) , K=0.04 m/d, 水位标高+7.45 m, 水温24℃, 矿化度为6.2 g/L, p H值7.4, 水质类型为SO4-Na型水, 矿化度高, 水质差, 说明地下水交替缓慢, 预计井筒涌水量26 m3/h。
1.1.2 下石盒子组五煤组砂岩含水层 (Ⅱ1)
顶底板深度为484.95~621.48 m, 标高为-448.443~-584.973 m, 含水层厚度29.09 m (真厚) , 为细粒砂岩及粗粒砂岩, 其垂向裂隙发育, 被钙质充填。简易水文观测有明显消耗, 其深度为613.00~618.91 m, 消耗量为1.00~6.48 m3/h。井检孔抽水试验结果:单位涌水量0.033 2 L/ (s·m) , 渗透系数0.113 6 m/d, 水位标高+12.417 m, 矿化度7 669 mg/L, 硬度1 089.46 mg/L, p H值7.6, 水质为SO4Cl-Na型, 属于承压裂隙含水层[1]。K6砂岩为该段主要含水层, K6砂岩为中—粗粒石英砂岩, 常含石英及燧石砾石, 碎屑成分中石英占90%以上, 硅质胶结, 厚9.86~18.53 m, 纵向裂隙发育。预计井筒涌水量为68.64 m3/h (其中K6砂岩涌水量占49.34 m3/h) 。
1.1.3 下石盒子组二、三煤组砂岩含水层 (Ⅱ2)
顶底板深度为679.25~781.32 m, 标高为-642.743~-744.813 m, 含水层厚度29.66 m, 岩性为细粒砂岩, 其裂隙发育, 方解石脉充填。简易水文观测未发现有明显消耗。此次井检孔抽水试验结果:单位涌水量0.026 5 L/ (s·m) , 渗透系数0.091 2m/d, 水位标高+10.147 m, 矿化度7 513 mg/L, 硬度969.33 mg/L, p H值7.6, 水质为SO4Cl-Na型, 属于承压裂隙含水层。K5砂岩为该段主要含水层, K5砂岩厚1.20~8.33 m, 浅灰—灰色, 细—中粒结构, 碎屑成分以石英为主, 长石为次, 硅、泥质胶结, 含菱铁质颗粒, 具大型斜层理, 层面含炭质, 下部含泥质包裹体, 纵向裂隙发育。预计井筒涌水量为67.45m3/h (其中K5砂岩涌水量占23.87 m3/h) 。
1.2 预想井筒基岩水文地质特征
根据井检孔揭露基岩资料结合矿井地质勘探报告、三维地震报告以及永夏矿区已生产的六对矿井井筒施工时揭露的情况分析:主、副、风三井筒基岩段构造复杂、岩石破碎、裂隙发育、含水层多且富含水;主、风井筒施工时主要受K6砂岩含水层的影响, 基岩风化带和K5砂岩含水层次之;副井除受基岩风化带、K6、K5砂岩含水层影响外, 预计在K6砂岩含水层段遇到SF6断层, 断距为0~25 m, 岩石破碎。
2 大段高高压超前预注浆方案
井筒基岩段施工期间, 坚持“有疑必探、先探后掘”的施工原则[2];根据《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》要求, 单层涌水量在10 m3/h以上的含水层, 必须采用工作面预注浆通过。根据井检孔地质报告, 井筒基岩段含多层含水层, 其中将穿过2个水量较大的含水层组, 为了进行安全快速施工, 须对冻结段以下的井筒段实行工作面预注浆法通过 (140m段高、注浆压力为水压2~3倍) 。
工作面预注浆以封堵含水层孔隙、裂隙水, 增加破碎岩石强度构建井筒“隔水帷幕层”为目的[3]。在井筒内施工注浆孔, 地面建注浆站, 通过地面注浆泵和井壁吊挂无缝钢管, 将地面搅拌好的水泥浆液压入注浆孔含水层裂隙和构造破碎带中封堵裂隙水。
3 大段高高压超前预注浆工程设计
3.1 超前预注浆起止深度及注浆方法
以副井为例, 井筒复杂基岩段采用3个段高探水、注浆施工 (表1) , 全段下行压入式注浆。
注:结合井检孔资料。
3.1.1 注浆钻孔布置
(1) 注浆孔数N。
式中, D为井筒净径, 6.0 m;A为注浆孔与井壁距离, 0.5 m;L为注浆孔间距, 1.95 m。
代入数据计算得, N=8.05, 取8个 (图1) 。
(2) 径向角α。
α=arctan (S+A) /H
式中, α为钻孔在径向上与竖轴的夹角;S为终孔位置在径向上超出净径的距离, 取3.0 m (超出下部掘进荒径2.5 m) ;H为段高, 140/75 m。
代入数据计算得, α=1°26'/2°40'。
(3) 切向角。为解决钻孔控制范围内“竖向裂隙盲区”导致注浆效果差这一难题, 特设计钻孔切向倾角。钻孔切向倾角按照下式计算:
α1=arctan (s/h)
式中, α1为钻孔在切向上与钻孔径向斜距的夹角;s为注浆孔终孔位置间距离, 4.59 m;h为钻孔径向斜距, 141.25/75.13 m。
代入数据计算得, α1=1°52'/3°30'。
探水注浆孔布置参数见表2。
3.1.2 注浆孔施工顺序
注浆孔8个, 1#布置在正北方向, 按顺时针编钻孔序号 (图1) 。钻孔分2组交替施工, 1#、3#、5#、7#孔为第1组, 先行施工, 封堵大的裂隙;第2组2#、4#、6#、8#孔封堵细小裂隙及孔隙水, 并作注浆质量检查孔。其中1#孔为初检孔, 主要检查水量和地层的岩性;8#孔作为终检孔, 检查本次探水注浆的质量。钻孔数量及布置方式应根据第1组探孔施工及注浆情况进行合理调整。
3.1.3 注浆压力
注浆压力是浆液在裂隙中流动、扩散充塞、压实的能量, 是控制浆液距离的重要因素之一, 根据地层情况, 注浆终压取含水层水压的2~3倍 (表3) , 注浆压力为工作面注浆压力表压力值, 前期封堵大裂隙注浆压力取低值, 后期小裂隙注浆压力取高值。
注:应根据注浆情况调整注浆孔数, 暂定8个。
3.1.4 注浆材料及注入量
(1) 注浆材料。前期注浆选用单液水泥浆封堵裂隙水, 采用P.O32.5R普通硅酸盐水泥浆液, 另掺入水泥质量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺作为外加剂, 外加剂起速凝早强作用, 加强注浆堵水效果。
(2) 水泥浆液注入量。水泥浆液注入量为:
式中, A为浆液消耗系数, 1.5;H为注浆段高, 140/75 m;R为浆液有效扩散半径, 10.5 m;β为浆液充填系数, 0.85;m为结石率, 0.85;η为裂隙率, 3.5%。
水泥浆液量及材料用量见表4。
3.2 混凝土止浆垫厚度计算及施工
3.2.1 混凝土止浆垫厚度计算
采用单级平底型混凝土止浆垫。混凝土设计标号为C60, 采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥配制, 另加混凝土早强减水剂。止浆垫厚度Bn按式 (1) 计算:
式中, P0为注浆终压, 各注浆段分别取14.7, 17.7, 22.6 MPa;[σ]为混凝土3~7 d抗压强度, 44.1MPa;r为井筒掘进半径, 4.0 m (井壁厚度加厚为1.0 m) ;k为安全系数, 取2.0。
根据计算结果, 各注浆段止浆垫有效厚度分别为3.87, 4.40, 5.30 m, 各注浆段止浆垫有效厚度分别取4.00, 4.50, 5.30 m;止浆垫有效厚度可根据混凝土强度及井壁厚度变化进行调整。施工时可以减小止浆垫有效厚度, 先加固止浆岩帽 (止浆垫下的岩帽厚度应不少于20 m, 每次段高预留20 m的超前距) , 使岩帽与混凝土止浆垫共同承受注浆压力。
3.2.2 混凝土止浆垫施工
为防止止浆垫与井壁间漏水漏浆, 要求止浆垫与井壁重叠0.5 m, 永久井壁以下止浆垫有效厚度不得小于设计厚度。混凝土由地面搅拌站配制, 经底卸式吊桶下井, 混凝土浇筑应连续施工, 加强振捣, 混凝土中可掺加早强减水剂;止浆垫上面避开孔口及罐底位置预留一个集水坑以备排水。
混凝土止浆垫施工前, 应做好上部井壁截水及下部围岩出水点导水工作, 确保止浆垫施工质量[4]。若工作面水量较大, 应施工滤水层止浆垫, 并在滤水层中埋设滤水箱 (厚8 mm钢板加工) , 滤水箱顶部焊接滤水管 (273 mm×8 mm) , 便于潜水泵排水。滤水层采用大粒径石子铺设, 滤水层的铺设厚度应保证其空间满足中间换泵时间 (10 min左右) 。
滤水层厚度A=tq/3.14βr2+0.25
式中, t为停泵时间, 一般取10 min;r为井筒荒半径;q为井筒工作面实际涌水量;β为碎石孔隙率, 取40%。
3.3 孔口管埋设
3.3.1 孔口管长度取值
根据《简明建井工程手册》要求, 孔口管长度应大于止浆垫厚度0.5 m以上, 止浆垫以上留0.3 m高度, 孔口管取值见表5。根据施工经验, 孔口管采用108 mm无缝钢管加工而成, 孔口上部焊接法兰以便与高压注浆阀连接, 中下部加工成倒竹节状。根据施工经验, 井筒注浆选用108 mm×5/6 mm无缝钢管, 孔口管长度现场根据止浆垫厚度、注浆深度及岩帽岩层特性合理选择。
3.3.2 孔口管埋设方法
第1组孔口管采用预埋的方式。将钻机按设计的方位、孔径、倾角安装固定在大模板上, 在清底后的工作面向下钻进5~10 m, 用压风吹净孔内岩粉, 下入108 mm注浆孔口管, 孔隙充填2∶1的水泥砂浆后, 然后浇注混凝土止浆垫;根据第1组孔注浆情况, 确定是否需要进行第2组孔施工, 需要施工时, 第2组孔口管则采用后埋的方式进行, 即直接在止浆垫上造孔埋设即可。
3.4 注浆孔施工
注浆钻孔采用2台ZDY650 (MK-3) 型液压钻机, 分别配50 mm钻杆及65/75 mm三芯钻头施工, 地面通过供水管直接供水打钻作循环水。在打钻前, 要在108 mm孔口管上安设12.5 mm高压球阀, 以防钻孔时含水层突水造成淹井事故。
打钻施工是在打钻平台上进行的, 打钻平台距止浆垫2 m左右, 工作台固定在井筒施工的大模板或井壁上, 并卡好保险绳, 在平台上铺厚50 mm的木板 (用铁丝固定) 。钻进过程中, 若钻孔涌水量超过5 m3/h, 或因岩石破碎打不下去时停钻注浆, 否则一直钻进直至终孔。终孔时要核实钻具长度, 确保钻孔深度符合设计要求[5]。
3.5 注浆施工
3.5.1 准备工作
注浆站布置在井口附近, 站内安装XPB-90E型液压注浆泵 (注浆压力可达25.5 MPa) 2台, 并设置清水池、水泥浆搅拌系统。一级搅拌池利用井口搅拌机, 并在附近砌筑二级搅拌池, 采用普通108mm弹簧管将一级搅拌池内浆液放入二级搅拌池, 利用现有散装水泥罐直接上料。利用一路50 mm×6 mm无缝钢管作输浆管路, 输浆管路与注浆泵和孔口管之间用6.4 mm高压胶管连接。每次注浆结束后应及时清洗管路及注浆泵。
3.5.2 设备试运转
注浆设备及管路安装完毕必须进行试运转, 注浆系统应满足最大注浆压力和流量的要求, 试运转或耐压试验时设备应无异常响声。
3.5.3 注浆作业流程
浆液经搅拌系统搅拌后, 经注浆泵、输浆管和注浆孔口管进入受注岩层。
注前试验过程中, 视凝胶时间调整好浆液配比。每个孔注浆结束后, 必须用清水冲洗净注浆管路。当注浆孔钻到既定深度后, 先用清水冲孔 (破碎带不冲) 直到流清水后进行注浆作业。注浆作业程序:接通输浆管路→压水试验→注浆→定量压清水→冲洗输浆管路→拆洗注浆泵→扫孔或钻进。
3.5.4 压水试验
注浆前进行压水试验, 冲洗岩石裂隙中的充填物, 提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗透能力, 并根据泵压及注入量进行钻孔吸浆量的测定, 单位钻孔吸水量的计算公式为:
q=Q/H
式中, Q为最大压力时的流量;H为试验段的高度。
压水试验时, 应尽可能采用大泵量, 将压力值控制在本段注浆终压, 一般压水时间为20 min (破碎带压水时间缩短或不压水) , 精确测量并记录压水段高、流量和压力, 根据压水时间测定的单位钻孔吸水量确定注浆时浆液的起始浓度, 作为鉴定注浆效果的依据之一。
3.5.5 注浆压力调整
在注浆过程中, 注浆压力可分为初期、正常及终压3个阶段变化, 当初始浓度确定后, 根据注浆压力变化情况, 及时控制浆量, 调整浆液浓度及凝胶时间等, 使注浆压力平缓升高, 避免出现较大波动, 直至达到注浆终压和终量, 并稳定20 min以上。
3.5.6 浆液调配
单液水泥浆常用水灰比为2∶1、1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.75∶1、0.6∶1和0.5∶1, 单液水泥浆配制见表6。每次注浆的初始浓度根据压水试验测定的单位钻孔吸水量进行选择 (表7) ;注双液浆时, 水泥浆与水玻璃体积比例为1∶ (0.8~0.6) 。
每个钻孔注浆时, 初注用浓浆, 复注时逐渐降低浆液浓度, 但每次注浆时, 一般先稀后浓。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段, 若压力不升且进浆量也不减时, 应逐渐加大浆液浓度;反之, 若压力上升快且进浆量减少也快, 应依次降低浆液浓度;每间隔20 min更换一次浆液浓度。
3.5.7 注浆结束
当钻孔注浆达到结束标准, 或因裂隙较大, 虽未达到结束标准, 但为防止浆液扩散较远, 按预定的注浆注入量已达到要求, 可结束此次注浆。在结束注浆前, 需压注一定量的清水, 将管路中的浆液冲洗干净, 注入量为输浆管路和注浆孔容积的80%, 然后关闭孔口高压球阀, 打开放浆阀, 冲洗输浆管路。注浆结束标准:各注浆孔的注浆压力达到设计终压值, 注入量小于50 L/min, 稳定20 min以上。注浆结束时, 浆液水灰比不低于1∶1, 即1∶1浆液或更稀。
3.5.8 扫孔和复注
注浆结束后, 原则上在注浆段位置能托住钻就可扫孔, 一般需4~6 h;扫孔后进行压水试验, 当耗水量小于20 L/min时可不再注浆, 进行下一个钻孔的钻进, 否则应复注。
4 钻孔施工和注浆效果
以副井第2段高对K6砂岩含水层和断层破碎带超前预注浆施工情况和效果进行分析。
4.1 钻孔施工和注浆情况
原设计施工8个注浆钻孔, 根据主、副、风3个井筒第1段高超前预注浆施工情况, 调整设计增加钻孔密度, 由8个增加到12个, 为提高“隔水帷幕墙”阻水强度, 增加补孔和检查钻孔, 注浆材料先期为水泥加添加剂, 后期为化学浆, 进一步提高注浆效果 (图2) 。
该段高140 m, 共施工钻孔28个, 造孔进尺为7 349.3 m, 单液2 677.009 m3, 水泥1 277.63 t, 食盐6 265.45 kg, 三乙醇胺626.545 kg;化学浆68.392 t (表8) 。
4.2 注浆效果
各注浆孔的注浆压力达到设计终压值, 地面终压达18 MPa, 工作面注浆压力最大为24 MPa;注入量小于50 L/min, 稳定20 min以上。注浆结束时, 浆液的水灰比不低于1∶1 (即1∶1浆液或更稀) 。浆液运移可见距离达50~100 m (副井注浆时在风井、主井见水泥化学浆渗出) , 浆液的注入量基本达到设计要求。
根据各钻孔最后一次扫孔结束单孔涌水量分析:Q≤1 m3/h的孔分别为:1#孔、补1#孔、2#孔、3#孔、补3#孔、4#孔、补4#孔、5#孔、补5#孔、6#孔、补6#孔、7#孔、8#孔、补8#孔、9#孔、补9#孔、10#孔、补10#孔、检3#孔、检4#孔;1 m3/h<Q≤2 m3/h的孔分别为:补2#孔、补7#孔、补11#孔、补12#孔;Q≥2 m3/h的孔分别为:11#孔、12#孔。
根据单孔涌水量推断, 下一步井筒施工分层揭露涌水量为2 m3/h, 不大于10 m3/h, 满足副井井筒基岩段正常掘砌条件。
5 井筒施工揭露情况
从井筒揭露的情况看:砂岩中竖向裂隙充填水泥胶结, 微细裂隙充满化学浆液呈白色;断层破碎带充填水泥, 水泥胶结破碎岩块形成完整的岩块;不同岩性岩层界面充满水泥和化学浆、呈灰白色;构建井筒“隔水帷幕层”较完整, 隔水效果较好, 掘进时井壁局部砂岩和破碎带微细裂隙有少量渗水外, 其他井壁揭露岩层岩石潮湿, 该段井筒涌水量0.7~0.9m3/h。掘进期间, 利于炮眼施工和光面爆破, 减少出岩量, 利于井筒浇筑混凝土并增加强度, 提高掘进速度 (正常月进100 m) , 井筒成型好。
6 结论
对岩石竖向裂隙发育、横向联通较差的砂岩高承压含水层和构造破碎的复杂基岩段采取大段高、高压井上下结合超前预注浆防水技术, 采用径向和切向倾角注浆钻孔消除控制范围内“竖向裂隙盲区”, 提高预注浆效果, 构建井筒“隔水帷幕墙”, 既加固了“破碎基岩”, 又消除了涌水给井筒施工带来的安全隐患, 可以实现“强基岩、干井筒”快速施工。
参考文献
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浅析煤矿井下注浆堵水技术 篇8
1井下水灾成因及实施水下注浆堵水的必要性
井下水灾现象是井下较为常见的灾害之一, 导致水害最主要的原因是治水失误引起, 在钻孔时没有及时处理好后续工作, 另一方面是随着地质活动和开采的不断深入, 加上煤矿企业对相应的防止措施不够重视, 导致发生水害。
在煤矿作业中, 矿井下的巷道是相互连通的, 当出现突水问题的突水点通过采用净水注浆工作量大、费用高且效果较小, 而实施井下注浆堵水方式一方面可以降低或减少煤炭损失, 另一方面采用井下注浆技术较为灵活, 工作量小且命中率高、效果显著且费用成本低;当井下出现大面积突水问题时, 会因为突水问题放弃回采工作, 造成煤炭储量的浪费, 在应用井下注浆技术后, 可不断进行矿井下回采工作, 合理利用报损资源, 减少资源的浪费。
2井下注浆堵水技术的实施
实施矿井下注浆堵水技术不仅提高了井下的排水能力和抵抗水灾的能力, 也可以及时应对随时突变的大量涌水。大量的涌水会导致巷道淹没, 采煤工作中开采资源难以输出, 因此根据地质情况对注浆堵水技术进行分类。
2.1堵漏技术
为防止发生水害, 矿井下作业应提前掌握井下具体情况和勘察工作, 勘察时需要注意井下作业区域内的含水层、冲击层和隔水层的具体位置、厚度和分布情况等信息, 分析水防治的关键之处, 查明地表水的供给分布和矿井不同范围的气候条件等数据资料, 全面把握这些情况更加利于制定相应的治水方案。煤矿开采为预防漏水可采取超前钻探技术, 探明水源深度、位置与煤层的间距等, 从源头上预测可能发生的隐患, 提前采取措施防治水灾。但在巷道掘进作业中发生漏水或涌水现象时, 通过出水巷道和爆裂的水层缝隙直接快速凝结材料或水泥封堵注浆进行封堵, 具有时间短、封堵效果显著等有点, 因此该技术在井下巷道注浆堵水技术中得到广泛应用。
2.2大水封堵注浆技术
在矿井下开采时由于面临勘探技术的限制和复杂地质等情况, 很难把握部分区域内水害的发生, 此时需要及时明确地了解不同水源的具体位置, 采取相应的疏放水措施, 将影响矿井下安全的水源疏放后从根本上防止水害的发生, 而根据这一状况, 在水通道周围进行钻孔, 并使用堵水材料进行充填, 从源头上切断水源的产生, 可以准确的对井下的出水进行排泄, 将排水和注浆相结合, 此技术为动力水注浆技术;当矿井下出现此情况的出水时, 通过巷道里构建闸墙让动水变静, 动水进入净水水位后, 通过封堵过水通道, 对源头进行封堵, 并及时将静水排出井下, 提高了井下作业安全的指数, 提高工作效率。
2.3截水技术
截水技术是根据矿区采煤的实际情况进行设计的, 不适用于动力水注浆技术, 为避免大量涌水源流入矿井下, 可采用截水技术进行隔离, 主要是通过设置防水墙、防水闸门或简易永久截水设施, 从而防止大水流的涌入, 并同时预防火灾的发生。但建立永久性截水设施, 在出现后壁空洞情况后仍然导致排水困难和施工困难的情况, 因此需要实施堵水加固, 应用巷道井筒处理、井壁加固等方式提高工作成效。
2.4注浆堵水和地面堵水技术
注浆堵水技术为堵住涌水道, 在注浆堵水作业施工时, 采用钻孔将堵水材料压入断层或底层裂隙中, 由于注浆堵水本身特有的材料特性, 可以填充孔洞和空隙, 预防水害的发生, 此方法由于在具体操作中取得的良好效果, 因此应用较为广泛。
针对井下有较大出水点的水害情况, 为达到堵水效果, 在附近布置钻孔并将注入配置好的浆液, 此技术需要借助多台钻机和大型注浆设备, 工作周期较短, 与其他堵水技术相比成本较高, 因此不适合在450m以下的层面作业。若煤矿巷道掘进工作导致的水断层和破碎带等导致出水的情况时需要暂时停工, 在工作面进行钻孔和注浆, 对含水裂隙部分进行封堵, 相对其他技术来讲, 此技术有布孔准确, 结合岩石缝隙处和通道方向进行封堵, 且具有工作量小的特点;若受到施工条件差和施工尺寸受限时, 要求较高的安全防护, 此时应采用工作面预注浆方法进行注浆工作。
3防水实施效果
煤矿矿井下为达到预期的防治水的效果, 在采取技术措施的同时还应注意做好施工工作, 提高施工水平保障井下安全。
(1) 设置相应的组织机构, 为了有效防止水灾, 应明确相关工作人员职责并配备专业的工作人员参与日常防止水灾的工作, 可以随时根据水灾的具体类型, 建立相应的应急机制、抢险组、救援组和专业技术组等部门, 明确各个部门相关人员的职责, 发生水灾时及时作出反应并查找事故原因, 以便及时采取相应措施, 降低突发事故带来的影响, 成立应急处理机制, 可以将防治水害工作落实到位, 在发生水灾事故时, 第一时间组织工作人员撤出事故现场, 并根据现场情况和水灾具体表现查明导致水害的原因, 专业工作人员通过分析水灾成因, 针对性的制定相应的处理措施, 通过过水通道, 找到突水水源位置, 采取有效对策, 最小范围的控制水灾的危害范围。
(2) 井下施工时必须要严格遵守井下施工工作流程, 做好施工的每一步, 通过施工前对施工人员的专业培训、落实施工现场制度, 对存在安全隐患的区域进行及时排查并加强检查巡视, 提前采取预防措施, 只有施工人员熟练掌握工作流程遵守以及各项操作规定, 杜绝违规操作, 避免操作不当引起的安全事故。矿井中通过实施封堵改善生产条件, 合理开采受到水灾威胁的矿产资源, 减少资源浪费提高了资源回收率, 增加了井下抗灾排水的能力;在井下封堵突水点时, 充填浆液中含有大量骨料注入, 充填含水层的裂缝, 及时补给通过改善水流畅度, 减少矿井排水和费用, 并节约了资源, 在改善井下生产环境的同时建设高效高产提供了安全保障, 取得显著的经济效益。
4结束语
综上所述, 煤矿突发水灾时采取相应的防治水灾技术措施是十分重要的一项工作, 实施注浆堵水技术能实现理想堵水效果, 根据开采的实际情况, 制定相应措施, 降低了地下水流量, 有效防治水害, 保障煤矿开采的作业安全, 从而提高整个煤矿的经济效益。
摘要：煤矿井下存在水害, 其严重危害着井下职工的安全, 在井下实施注浆堵水技术是非常必要和可行的。本文主要阐述井下探水技术、疏放水技术、防治水技术等技术, 详细介绍注浆堵水作业在井下的技术关键点, 并介绍了应急工作程序, 为实施矿井对水害的防治工作打好基础, 减少井下淋水改善工作环境并, 提高井下员工作业安全和工作效率。
关键词：煤矿井下,注浆堵水,水害,技术
参考文献
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