組煤承壓水開采中的實踐與應用

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邢臺礦區(qū)地處太行山與華北平原的過渡帶，地勢西高東低，具有中低山、丘陵盆地及山前傾斜平原地貌景觀。東龐礦北井是該礦區(qū)的一座下組煤開采煤礦，主采石炭系太原組9號煤，隨著礦井開采年限的增加，井田淺部的煤炭資源所剩不多，大力開發(fā)－300m水平以深、突水系數(shù)大于0．1MPa/m的9號煤已成為礦井可持續(xù)發(fā)展的當務之急。本著“超前主動、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開采”的防治水技術新理念，引進國際一流的區(qū)域注漿治理技術，利用集成化的注漿裝備與工藝，在地面實施奧灰含水層區(qū)域的注漿改造工作，為解放深部采區(qū)煤炭資源創(chuàng)造了條件，進一步豐富了礦山水害治理的工程實踐。

1概況

東龐井田位于太行山東麓中段，傾斜的山前沖洪積平原之中，地形西高東低，標高+70～+130m。東龐礦北井位于東龐井田北翼，地表均被第四系松散沉積物覆蓋，僅在西部邊緣有基巖出露，地層平緩，揭露的地層由老至新依次為太古界贊皇群、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系地層。主要含煤地層為石炭系二疊系地層，其中石炭系上統(tǒng)太原組9號煤層平均厚度6.95m，為穩(wěn)定的主采煤層。礦井開拓方式為立井單水平下山開采，采煤方法為走向長壁綜合機械化放頂煤采煤工藝，頂板管理方式為全部垮落法［1］。

2水文地質(zhì)條件

2．1含水層與隔水層井田內(nèi)主要含水層包括第四系頂部卵礫石孔隙含水層、第四系底部砂卵礫石孔隙含水層、下石盒子底部砂巖裂隙含水層、2號煤頂板砂巖裂隙含水層、野青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、伏青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、大青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。在八個含水層之間均分布一定厚度的隔水層，巖性多以黏土巖和粉砂巖為主，厚度不一，隔水性能較好。

2．2充水水源礦井主要充水水源為大青灰?guī)r水、奧陶系灰?guī)r水以及小煤窯采空區(qū)積水。9號煤開采防治水的重點是防止奧灰含水層突水。

3區(qū)域治理注漿改造工程施工情況

治理范圍位于9400采區(qū)南部，9號煤底板標高為－280～－480m，治理面積約為0．92km2。

3．1布孔原則及改造層位選擇布孔方式采用主孔和定向分支孔方式，分支孔呈“帶”或“羽”狀布置，分支孔間距按50m設計，漿液擴散半徑按25m考慮。改造目標層位為奧灰頂界面以下25～40m層段。

3．2鉆孔結構設計

3．2．1地面主孔地面主孔分為直孔段和造斜段兩部分，直孔段為地面至2號煤底板以下20m層段，造斜段為2號煤底板以下20m至奧灰頂界面以下25～40m層段，鉆孔結構見圖1?！耙婚_”采用Ф444．5mm鉆頭施工至進入完整基巖10m完鉆，下入Ф339．7mm×9．65mm石油地質(zhì)套管，用水泥做永久性固管;“二開”采用Ф311．1mm鉆頭施工至2號煤底板下20m，下入Ф244．5mm×8．94mm石油地質(zhì)套管，用水泥做永久性固管;“三開”進入造斜段，采用Ф215．9mm鉆頭施工至奧灰頂界面以下2m，下入Ф177．8mm×8．05mm石油地質(zhì)套管，用水泥做永久性固管;“四開”采用Ф152．4mm鉆頭裸孔鉆進，進入奧灰頂界面以下25～40m。

3．2．2分支孔全孔段均為裸孔，采用Φ152．4mm鉆頭沿奧灰頂界面以下25～40m層段鉆進。

3．3注漿工藝設計

3．3．1注漿初始條件在鉆探施工過程中，若沖洗液漏失量大于5m3/h、每鉆進100～150m沖洗液無漏失、漏失量小于5m3/h，即提鉆洗井開始注漿。

3．3．2水文觀測提鉆后每30min觀測一次水位，共觀測三次;進行壓水試驗前，每30min觀測一次水位，直至水位穩(wěn)定，一般觀測三次。

3．3．3壓水試驗在每次注漿前，均要進行壓水。其主要目的是疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙，確定初始注漿泵量。由小泵量開始試壓水，若無壓力，則逐漸提升泵量，壓水量大于孔內(nèi)體積2倍時才可停止壓水;若壓水過程中有壓力，則需壓水至壓力穩(wěn)定，壓水水壓一般不小于受注含水層最大靜水壓力的2倍，壓水時間不小于4h。每次注漿結束后，也要向孔內(nèi)壓水，具體壓水量為管路與孔內(nèi)體積之和的2倍。根據(jù)壓水成果確定注漿的起始泵量:當泵量30m3/h壓水孔口無壓力時，由30m3/h泵量開始注漿;當壓水孔口有壓力時，則由取得穩(wěn)定壓力時所用的泵量開始注漿。若壓水壓力上升快，且在最小泵量壓水時壓力仍大于7MPa，則不需注漿［2］。

3．3．4注漿工藝流程采用地面注漿站造漿，首先將水泥、粉煤灰和水通過螺旋上料器、潛水泵送入渦流制漿機內(nèi)進行初次攪拌制漿，初次攪拌后的漿液進入攪拌池中進行二次攪拌，再由注漿泵抽入專用輸漿管路內(nèi)，通過輸漿管路注入鉆孔中。

3．3．5單孔(段)注漿結束標準注漿結束標準:泵量達到35L/min以下，孔口壓力不小于5．5MPa，并穩(wěn)定30min以上。

3．3．6注漿泵量控制工藝正常情況下(壓水孔口無壓)，注漿初始采用雙泵(390型泥漿泵)四擋注漿，泵量30m3/h;當孔口壓力升至2MPa時，改為雙泵三擋注漿，泵量19．2m3/h;當孔口壓力升至3MPa時，改為單泵三擋注漿，泵量9.6m3/h;當孔口壓力升至4MPa時，改為單泵二擋注漿，泵量5．4m3/h;當孔口壓力升至5．5MPa時，改為260型泥漿泵二擋壓水，泵量35L/min，穩(wěn)定30min以上后結束注漿。若孔口壓力急劇上升超過5．5MPa時，停止注漿或壓水，關閉注漿閥門;若憋壓30min后孔口壓力仍不小于5．5MPa，也可視作達到注漿結束標準。

3．3．7漿液比重控制工藝根據(jù)壓水試驗的結果，若孔口壓水初始存在一定壓力，則采用比重1．2t/m3的漿液;若泵量30m3/h壓水孔口始終無壓，則注漿初始采用比重1．2～1．3t/m3的漿液;如單次注漿累計注入水泥量超過200t，孔口壓力仍不起壓，則將漿液比重調(diào)整至1．5t/m3;當孔口起壓后，根據(jù)壓力上升的快慢程度，將漿液比重重新調(diào)整為1．2～1．3t/m3，直至注漿結束［3］。

3．3．8注漿材料調(diào)整工藝每次注漿初始均采用水泥單液漿，加入0．03%～0．05%的三乙醇胺和0．3%～0．5%的食鹽作為早強劑;當單次注漿累計注入水泥量達到1000t時，則采用粉煤灰－水泥混合漿液，比例控制在1∶2～1∶1;當單次注漿累計注入水泥量達到2000t，但孔口仍不起壓，則采用間歇注漿的方式，注漿12h，間歇8h，交替循環(huán);如間歇注漿實施3次以上，孔口仍不起壓，則每次間歇注漿時在孔口加入3%的水玻璃作為助凝劑，直至孔口起壓達到注漿結束標準。

3．4工程施工成果工程工期共計37個月，共計施工地面主孔3個，定向分支孔43個，完成鉆探工程量28681．05m;建設地面注漿站2座，累計注入水泥、粉煤灰128682．02t。區(qū)域治理工程鉆孔布置如圖2所示。

4注漿改造效果檢驗

4．1注后沖洗液觀測當分支孔每次因沖洗液漏失而進行注漿施工后，掃孔至原孔深，觀測孔內(nèi)沖洗液漏失的情況，如沖洗液不漏失則繼續(xù)鉆進，如沖洗液仍然存在漏失情況則進行補充注漿。

4．2鉆孔施工次序檢驗鉆探施工中將每3～4個分支孔作為一個組，先施工兩側的分支孔，中間的分支孔作為檢查孔后施工，必要時在兩側分支孔漏失量大、注漿量大的區(qū)段采用局部取芯鉆進，查驗巖溶裂隙的充填程度。以F3斷層附近發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶為例，W1、W2、W3、W4、W5分支孔為一個孔組，按W1、W5、W4、W3、W2依次施工(見圖3)。W1分支孔揭露了5個注漿量較大的漏失點，累計注漿量36962．15t，對斷層破碎帶進行了初步的充填加固，W5、W4、W3孔施工時共揭露6處漏失點，再次對該破碎帶進行了局部充填加固。最后施工的W2孔全孔段無明顯漏失。在對W5、W2分支孔施工時，分別在W1分支孔注漿量較大的區(qū)域附近進行了局部取芯，所取巖芯破碎，均發(fā)現(xiàn)了水泥充填。取芯結果驗證了F3斷層附近確實存在大范圍的巖層破碎帶，尤其是取芯段所取巖芯破碎，水泥充填痕跡明顯，但沖洗液無明顯漏失，充分驗證了破碎帶注漿加固的效果良好［4］。圖3分支孔組施工次序示意圖

4．3地面檢驗孔驗證工程結束后，施工了2個地面檢驗孔，主要目的是探查奧灰含水層的水文地質(zhì)條件，同時對注漿改造效果進行驗證。鉆孔在奧灰層段全段取芯，在奧灰含水層頂界面以下0～20．08m、20．08～50．13m層段分別進行了抽(壓)水試驗，如表1、表2所示。根據(jù)鉆探施工及抽(壓)水試驗成果資料可知，奧灰含水層0～50m層段上部裂隙不發(fā)育，中下部裂隙發(fā)育，但裂隙被方解石或泥質(zhì)充填，富水性弱。距離最近的漏失點初始漏失量為18m3/h，注漿前壓水試驗計算吸水率大于0．43624L/min．m．m，注漿后吸水率為0．00211L/min．m．m。

5奧灰含水層突水危險性分析

治理區(qū)域9號煤開采標高為－280～－480m，近三年奧灰含水層的最高水位為+53m，9號煤至奧灰含水層隔水層的平均厚度為43m，計算得出注漿改造前突水系數(shù)為0．086～0．131MPa/m。實施區(qū)域治理注漿改造工程后，可將奧灰含水層頂部改造層段視為相對隔水層，以最小改造厚度25m計算，改造后的隔水層平均厚度為68m，計算得出改造后突水系數(shù)為0．058～0．087MPa/m。

6結語

針對礦井深部采區(qū)高承壓水、突水系數(shù)較大的區(qū)域，分析井田承壓含水層水文地質(zhì)條件，采取地面區(qū)域治理控制奧灰注漿的改造范圍，同時研究漿液擴散的規(guī)律及不同條件下注漿材料的配比，最終可達到根治水害的目的，實現(xiàn)安全帶壓開采。目前，地面區(qū)域治理注漿改造含水層技術已經(jīng)在邢臺礦區(qū)全面推廣應用，為解放深部煤炭資源和保水開采奠定了堅實的基礎。

參考文獻:

［1］王永全．羽狀分支水平孔在煤礦水害地面區(qū)域探查與治理中的應用探討［J］．中國煤炭地質(zhì)，2018，30(S1):84－89．

［2］劉坤鵬．淮北界溝煤礦灰?guī)r水害地面區(qū)域治理鉆井設計優(yōu)化［J］．中國煤炭地質(zhì)，2020，32(10):60－64．

［3］趙璞．底板區(qū)域超前探查治理技術應用與設計研究［J］．煤炭與化工，2020，43(07):57－61+65．

［4］袁明．下組煤承壓開采工作面合理長度技術研究［J］．煤炭與化工，2019，42(09):41－43.

作者:陳龍 單位:冀中能源股份有限公司