矿井特大突水巷道截流封堵技术.pdf

第3 0卷第3 期 西安科技大 学 学报 2 0 1 0年 5月 J O UR N AL O F XI AN U N I V E R S I TY OF S C I E N C E A ND T E C HN OL O GY V0 l _ 3 0 No ． 3 Ma y ． 201 0 文章编号 1 6 7 2 9 3 1 5 2 0 1 0 0 3 0 3 0 5 0 4 矿井特大 突水巷道截流封堵技术 李彩惠 河北金牛能源股份有限公司， 河北 邢台 0 5 4 0 0 0 摘要煤矿发 生陷落柱突水灾害后， 利用独头过水巷道的有利条件 ， 在高水压动水条件下， 通过 灌注骨料和综合注浆施工建造阻水墙 实现巷道截流， 堵水率 1 0 0 ％ ， 成功封堵了特 大突水。 关键词 特大突水 ； 巷道截流；阻水段 ；骨料灌注；动水 ；综合注浆 中图分类号 P 6 4 2 文献标志码 A 0 引 言 注浆技术起源于地下工程的特殊需要， 至今已有近 2 0 0 a的历史。1 8 6 4年， 阿里因普瑞贝硬煤矿的一个 井筒第一次使用了水泥注浆法 ， 以后在 比利时、 法国、 德国、 英 国、 南非、 美国、 日本以及前苏联等国家得到了 广泛的应用。2 0世纪 5 0年代初 ， 我国开始了注浆技术的应用， 在煤炭、 水电、 铁路等行业中， 逐步开展利用注 浆法治理水害工作 。6 0年代以后， 注浆技术在煤炭行业得到很大的发展和推广应用 ， 特别是在注浆材料和工 艺 、 注浆设备和机具、 注浆方法 、 钻探技术等方面得到快速发展。许多矿务局、 矿都建立起了专业注浆队伍 ， 治理煤矿各种水害或加固不 良岩体、 特大透水或淹井事故 ， 取得了良好的技术经济效果。 以东庞煤矿特大突水为例 ， 探讨截流封堵技术。东庞煤矿发生陷落柱导通奥灰强含水层突水 ， 出 水后 3 h水量就达到 1 0 0 0 0 m ／ h以上， 9 h后达到峰值水量 7 0 0 0 0 m ／ h ， 总涌水量约 1 0 0 0万 m ， 奥灰含 水层内影响半径达 3 0 k m． 1 巷道截流堵水流程 在动水高水压 5 ． 4 6 MP a ， 巷内动水流速约 3 0 0～3 5 0 m ／ h的条件下， 在深 5 8 0 m， 断面积达 1 4 m ， 巷内 空高 1 ． 5 m左右 的煤层巷道中， 建造截流阻水墙属 国内外首次 ， 困难可想而知 。经过分析研究， 形成 了在独头过水巷道 中建造阻水墙截流封堵突水的方案。为此 ， 设计建成 1 0 5 m长 、 抗压5 MP a以上的阻水 墙 。巷道截流堵水流程如下 。 打钻命 中突水点附近主要过水巷道 ， 充填骨料 ， 使动水变为渗透流后 ， 再综合注浆法加固形成 “ 阻水 段” ， 达到封堵治理水害的目的。 1 ． 1 截流堵水巷道选择原则 所选巷道是突水水流的集中过水通道 ， 附近 2 03 0 I n以内没有与其平行或上下交叉 的其它巷道或 采空区存在。截流部位的水流前进方向最好是上坡道或者含有一段上坡道 越长越好 ， 至少是平巷 ， 不 宜选在下坡道或下 山。截流部位应距主泵房水仓 比较远 ， 以免骨料进入水仓 、 井底车场而影响矿井原有 排水系统的快速恢复。 1 ． 2 透巷钻孔布孔原则 投料及注浆钻孔的布置要根据巷内水流阻力段的骨料充填长度及有效注浆段 的最小长度进行布置。 收稿 日期 2 0 0 91 1 2 3 基金项目 国家十一五科技支撑计划 2 0 0 7 B A K 2 9 B IM， 2 0 0 7 B A K 2 4 B 0 1 ， 2 0 0 8 B A B 3 3 B 0 2 ； 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 0 作者简介 李彩惠 1 9 6 6一 ， 男， 河北唐县人， 工程硕士， 高级工程师， 主要从事煤矿开采管理与研究工作． 西安科技大学 学报 2 0 1 0卑 在巷内堵水段范围内， 一般按 2 0 3 0 m间距布孑 L 。透巷 的裸孔直径以不大于 1 4 6 m m， 不小于 1 2 7 m m为 宜。透巷前的最后一层通天套管 ， 如无特殊原因， 一般可下在巷顶上 51 0 m处较坚硬岩层中， 但必须先 经孔斜测定 ， 预计能正中透巷时才可下人。 1 ． 3 集中过水通道“ 阻水段” 建设 巷内阻水墙成功构筑的关键是通过灌注骨料形成一定长度的“ 阻水段” 。对于特大突水来讲， 建立 “ 阻水段” 的长度几十甚至上百米 ， 需要足够的巨量骨料充填。因此 ， 只要条件具备 ， 就应力求做到多孔联 合灌注和不停顿的连续灌注， 有利于骨料的快速、 有效集聚和相邻各孔注人体之间的快速连接， 形成合 力， 最终使巷道中水流从管道流转化为渗透流 ， 把水流速度和过水量减少到最小程度 ， 以有利于下一步注 人浆液的有效积聚和凝结。 1 ． 4 综合注浆法完成“ 阻水段” 综合注浆法是阻水墙建造过程中各种注浆工艺的一个总体称谓， 它是由旋喷注浆工艺、 充填注浆工 艺、 升压注浆工艺及引流注浆工艺四部分组成， 其划分依据主要是受注层的水动力条件、 裂隙与空隙特 征、 目标层的可灌性等因素。不同的注浆工艺对应于不同的注浆阶段 ， 不同的阶段实现不同的工程 目标 ， 四种注浆工艺的有序排列组合与实施就形成 了完整的阻水墙建造技术。 2 巷道截流堵水原理、 工艺技术 2 ． 1 封堵动水基本原理 岩溶裂隙地下水在流动过程 中会发生压力损失， 压力的损失与裂隙 巷宽 长度、 运动速度和动力粘 滞系数成正比， 与裂隙 巷宽 宽度的平方成反比。 △ P 厂 ． 1 式中△ P为流体的压力损失 ； L为裂隙长 度； 为流体的运动速度； 为流体的动力 粘滞系数 ； D为裂隙 巷道 的宽度。 式中显示裂隙 巷道 宽度较大时 ， 流 体压力损失很小 如 图 1 a ， △ P近似为 零 ， 注入的水泥浆还没有凝固就被流水带 走 ， 只有将裂隙宽度减小 ， 才 出现压力 损 失 图 1 b 。此 时如注入水泥浆 ， 由于 I l I I o ＼ O 星 O 0 c △ P - - 0 水泥浆的动力粘滞系数远大于清水 ， 所 以其压力损失也将大于水 ， 而且随着水泥浆的浓度增大而压力损 失加大 图 1 c 。充填骨料形成的裂隙对水泥浆的阻力加速了其失水凝固， 封水成功。 在动水条件下 ， 如果充填的骨料太小 ， 将随着运动着的地下水流失 ， 如果骨料粒径过大将堵住钻孔 ， 而不能堵住过水通道。 2 ． 2动水注浆工艺特点 封堵特大涌水恢复被淹矿井的注浆工作 ， 要从突水点 的过水通道进行堵治 ， 方能尽快解脱水患 。 因此， 注浆前， 在动水条件下， 要进行钻孔的连通试验和灌注惰性材料的试验。注入骨料后， 往往就能减 少涌水量， 使地下水位复升， 给注浆施工创造良好的条件。此时应及时注浆， 否则， 随着水位的复升而静 水压力增加， 容易冲开已灌注好的骨料而出现反复， 从而造成过水通道的表面被骨料磨擦得较为光滑， 使 流动阻力减小， 骨料在通道 内的停 留几率就相应降低。灌注惰性材料的工作结束以后 ， 要及时进行注浆 ， 以便将灌注在过水通道内的砂粒和石子固结成整体性较好的充填体。为巩固堵水效果， 凡与出水点连通 较好的钻孔 ， 都应及时注浆。动水条件下注浆 ， 容易跑浆 ， 防止跑浆的主要措施为 采用间歇定量注浆 ； 提 高水泥浆的浓度 。 2 ． 3 投注骨料技术 本工程骨料灌注采用水力射流孔口密闭、 砂石 自重连续灌注系统 ， 该系统利用大流量清水泵产生的 第3期 李彩惠 矿井特大突水巷道截流封堵技术 3 0 7 高压水流将骨料送人孔底受注体 ， 孔 口设密闭防喷装置。其工艺流程如图 2所示。 投注骨料的粒径是钻 L f L 径 的 1 ／ 31 ／ 4， 即 D骨 1 ／ 4 D 孔。钻孔孔径以 q 1 6 0～1 6 8 m m为宜 ， 孔径太小 ， 不 易投注骨料 ； 孔径太大 ， 用水多 ， 若发生堵孔透孔 困难 ， 时 间长 。 在静水条件下 ， 依靠水和骨料的混合后产生 的负压 图 2 骨料 投注工艺流程 F i g ． 2 P r o c e s s f l o wc h a r t o f s k e l e t a l ma t e r i a l p e r f u s i o n 充填巷道或裂隙的空间， 骨料 冲刷的距离近 ， 一般堆积在巷道底部 ， 较易封顶 ， 孑 L 口负压在 0～ 0 ． 0 1 MP a 之间 ， 初期可投注 l O～ 3 0 m m石子和砂子 ， 比例为1 2， 投注骨料量一般是巷道断面积的 3 0～4 5倍 ， 水骨 比为 3 0～ 6 0 1 ， 每小时可灌注 3～ 1 5 m ． 在动水条件下， 由于水流速度高 ， 灌注量较大 ， 不易封顶 ， 水骨比为 5 1 ～1 0 1 ， 后期适当增加水骨比。负 压在 0 ． 0 5 MP a以上 ， 可投注 3 0～ 5 0 mm石子， 1 5～ 2 0 m ／ h ； 负压在 0 ． 0 2～ 0 ． 0 5之间， 可投注 1 0～ 3 0 m m石 子 ， 1 5 2 0 m ／ h ； 负压 0 ． 0 2以下 ， 投入 l 0～ 2 0 m m石子和砂子 ， 比例为 1 2 ， 后期以充填砂子为主。 此次骨料灌注工程总灌注量为 4 3 4 3 m ， 建成了 1 0 5 m长的阻水段 ， 使水流由管流变为渗流。 2 ． 4 综 合注 浆技 术 综合注浆技术包含 4个阶段 4种注浆方法。 第 1阶段 ， 旋喷注浆阶段 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 2阶段 ， 充填注浆阶段 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 3阶段 ， 升压注浆阶段 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， 既增强 阻水墙与围岩粘接力， 提高抗挤出与抗水流冲刷能力 ， 又可以防止突水绕流。 第 4阶段 ， 引流注浆阶段 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。可利用 G 2孔进行注浆 ， 对 出水 口附近进行注浆封堵 。综合注浆建造阻水墙 ， 旋 喷注浆是其关键的 核心技术 。 3 “ 阻水段 ” 阻水效果检验 建成长约 1 0 5 m， 抗压 1 0 M P a的阻水墙 ， 矿井排水复矿后 ， 残余涌水量由初始的 1 7 0 m。 ／ h ， 逐渐衰减 为零 ， 堵水率达到 1 0 0 ％． “ 阻水段 ” 建成的一般标志和检验条件是 经投孔实测灌入骨料 的顶界面高于巷顶标高， 往下至巷底 无掉空 ； 经压 注 水试验孔 内的单位吸水量已降到可正常注浆 的标准 一般在 1 6 L ／ mi n m以下， 越小越 好 ； 巷道“ 阻水段” 两侧钻孔 内水位 ， 出现较大稳定落差 落差越大越好 。在通常情 况下 只有上述各项 同时具备 ， 才能确保“ 阻水段 ” 已经形成 _ 9 。 4结论 1 在深度 5 8 0 m， 巷道断面 1 4 m 的煤层巷道及水压 5 MP a的动水条件下 ， 采用骨料灌注结合综合注 浆法工艺技术 ， 建成长约 1 0 5 11 1 ， 抗压 1 0 MP a的阻水墙 ， 堵水率达到 1 0 0 ％在我国煤矿行业属于首次 ， 具有 相 当的技术难度和施工难度 ； 2 动水条件下建造阻水墙截流封堵工程 ， 快速定 向钻探技术是成功的保障 、 灌注骨料技术和综合注 浆技术是成功的关键 ， 形成的特大突水成套封堵技术可以为类似水害治理工程提供借鉴。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 陈立武． 东庞矿特大突水灾害治理技术 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 5 ． C HE N L i ． w u ．T r e a t m e n t t e c h n o l o g y o f s u p e r g i a n t w a t e r i n r u s h d i s a s t e r i n D o n g p a n g m i n e [ M] ．B e i j i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y 3 0 8 西安科技大学 学报 2 0 1 0血 P r e s s ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 赵苏启煤矿突水灾害快速治理的配套技术[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 1 ， 2 2 6 2 8 ． Z H A O S u - 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r a g e d c o n d i t i o n o f s e p a r a t e w a t e r p r e s s u r e o v e r f l o w l a n e w a y，i n t h e c o n d i t i o n o f h i s h p r e s s u r e h y d r o d y n a m i c w a t e r ， w a t e r r e s i s t i n g w a l l i s b u i l t b y s k e l e t al m a t e r i al p e r f u s i o n a n d i n t e g r a t e d i n j e c t i o n t o a c h i e v e l an e w a y i n t e r c e p t i o n，w a t e r r e s i s t i n g r a t i o o f 1 0 0 ％ ，s u c c e s s f u l l y p l u g g i n g s u p e r g i a n t w a t e r i n r u s h ． Ke y wo r d s s u p e r g i a n t w a t e r i n r u s h；l a n e wa y i n t e r c e p t i o n；w a t e r r e s i s t i n g s e g me n t ；s k e l e t al ma t e r i al p e r f u s i o n ； d y n a m i c w a t e r ； i n t e g r a t e d i n j e c t i o n CD f 叼咖哪i ng a u t h or L I Ca i h u i ， S e n i o r En g i n e e r ， Xi n g t a i 0 5 4 0 0 0， P． R． C h i n a ， T e l 0 0 8 6-31 9-2 0 6 7 4 9 2， E- ma i l y i n s h x 0 3 1 2 6． c D m