高家堡煤矿煤层顶板注浆加固堵水技术探讨_李金龙.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY 2. Shandong Energy Zibo Mining Group Co., Ltd., Zibo 255000, China; 3.China Coal Geology Engineering Co., Ltd, Beijing 100040, China Abstract Coal seam roof water hazard is one of the hidden dangers for safe production in coal mines, extremely harmful to mine safe production. Taking the roof grouting and water plugging in Gaojiabao coal mine of Binchang coal Mining area in Shaanxi Province as an example, the water-conducting passage and the characteristics of water enrichment of roof were analyzed, and a large number of grouting tests were carried out. Finally, a plan for roof water control was put forward. The results show that the height of roof cracks detected by horizontal drilling and horizontal grouting has exceeded 210 M. The angle of fracture development is above 80 degrees, and the grouting effect is better by combining filling grouting, intermittent grouting and rapid sealing grouting. The research results can be used for reference in the popularization of roof grouting reinforcement technology in similar mining areas. Keywords roof; grouting reinforcement technology; water plugging; roof cracks; Gaojiabao coal mine 煤层顶板水害是矿井安全生产隐患之一，通过 导水裂隙与工作面沟通后将成为矿井主要水害来源 之一，对矿井安全生产危害极大。 注浆技术在我国的应用是从 20 世纪 50 年代初 期壁后注浆封堵井壁淋水开始的，并从 20 世纪 60 年代后期才开始广泛使用注浆技术方法治理矿井底 板水害，主要用于注浆堵水和帷幕截流，而 80 年代 以来，随着矿井水害事故的频发和注浆设备、工艺 的改进，注浆加固技术得以迅猛发展，在多个领域 得到应用，注浆加固改造底板技术开始发展[1-4]。 注浆加固技术作为改变局部底板阻隔水性能的 方法和手段，是在一定压力作用下，使浆液在注浆 目的层原来被水占据的空隙或通道内脱水、固结或 胶凝，并使结石体或胶凝体与围岩岩体形成联合阻 水体，这样底板岩层导水裂隙被封堵，隔水层强度 和隔水性能得到提高或增加了隔水层厚度，将含水 层变成相对隔水层，一方面可以减小工作面的涌水 量，另一方面可以降低奥灰岩溶水突水的危险性， 实现矿井的安全开采。 在实现矿井安全开采的同时， 还保护了珍贵的地下水资源[5-12]。 目前，煤层底板超前注浆加固、突水预测等研 究已经成熟[13-14]，同时对注浆加固效果模型也有研 究[15-16]，但对煤层顶板含水层进行注浆加固缺乏实例 可供参考。 ChaoXing 增刊 1 李金龙等 高家堡煤矿煤层顶板注浆加固堵水技术探讨 21 煤矿在开采后煤层顶板形成冒落带、裂隙带、 弯曲下沉带，冒落带与裂隙带合称导水裂隙带，导 水裂隙带与上覆岩层含水层导通后，可以使承压含 水层和煤层发生水力联系，使采矿活动受到水害威 胁。为了减少煤层顶板水渗入工作面，在含水层下 部煤层顶板裂隙带上部进行注浆加固，截拦顶板水 向下渗流，切断煤层与顶板水之间的水力联系，从 而减少矿井涌水量。本文通过对高家堡煤矿洛河组 含水层地质条件进行分析，结合煤层采高等因素， 对洛河组下段进行注浆加固，封堵导水裂隙，减少 矿井涌水量，达到治理水害目的。 1 高家堡矿井地质概况 1.1 矿井概况 高家堡井田位于陕西彬长矿区，井田东南距西 安市 190 km，矿井于 2012 年初开工建设，2016 年 4 月 20 日进行矿井联合试运转，主采 4 煤，4-1 煤 和 4 上煤。采用立井开拓方式，采煤方法为长壁采 煤，综采放顶煤回采工艺。采用单水平120 m 水 平开采，采煤方法为综采放顶煤，全部垮落法管理 顶板，具备边采边掘能力。 1.2 地 层 矿井内大部分地区被第四系黄土及新近系红土 所覆盖，在泾河沿岸及黑河出露有白垩系下统华池 组。依据钻孔揭露及地质填图资料，矿井内地层由 老至新依次有三叠系上统胡家村组T3h，侏罗系 下统富县组J1f、中统延安组J2y、直罗组J2z、安 定组J2a，白垩系下统宜君组K1y、洛河组K1l、 华池组K1h，新近系N及第四系更新统Q13、全 新统Q4。 1.3 含水层概况 矿区主要含水层为侏罗系中统延安组含水层、 侏罗系中统直罗组含水层、白垩系下统宜君组砾岩 裂隙含水层段、 白垩系下统洛河组孔隙–裂隙承压含 水层，根据资料显示，白垩系下统洛河组孔隙–裂隙 承压含水层为富水性强的含水层，是对矿井开采威 胁最大的含水层，其他含水层富水性较弱。 洛河组上段含水层和下段含水层水文地质特征 差异较明显，其上段含水层富水性较强，接受区域 地下水侧向补给的条件较好； 下段含水层富水性弱， 接受区域地下水侧向补给的条件较差。洛河组上段 与下段之间的水力联系较弱。洛河组含水层渗透系 数大，水头压力大，厚度大、分布广、富水性较强， 为煤层顶板的间接充水含水层，是该矿防治水治理 的主要对象。 2 治理区水文地质问题 本次治理区为高家堡矿井一盘区 101、 102、 103 工作面。 2.1 治理区导水裂隙带高度 高家堡煤矿的煤层顶板“两带”探查工作是采用 井下仰孔压水试验、数值模拟和微震监测方法来获 取“两带”发育高度。 根据“两带”探查结果图 1， 101 工作面煤层顶板导水裂隙最大发育高度为煤层 图 1 高家堡矿井 101 工作面煤层顶板“两带”探查成果剖面示意图 Fig.1 Schematic section of exploration results of “two belts”of seam roof in working face 101 of Gaojiabao mine ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 47 卷 顶板之上 142.5 m已进入洛河组约 42.5 m，冒落带 高度为煤层顶板之上 82.5 m。据统计，煤层距洛河 组砂岩含水层间隔 6070 m，中间虽有弱含水层和 隔水地层阻隔，但由于“两带”的关系，这种阻隔作 用明显减弱。洛河组下段含水层水质与矿井涌水水 质相似，含水层特征一致，并且涌水量中洛河组上 段、中段水质成分及比例有所增大，说明白垩系洛 河组含水层已成为矿井工作面的主要充水含水层。 2.2 矿井涌水来源 综合工作面水量、水质、地下水位变化等因素 分析，可以将工作面出水分为四个阶段回采开始 2016 年 1 月 28 日为第一阶段缓慢上升阶段， 2016 年 1 月 28 日2016 年 2 月 1 日为第二阶段急 剧上升阶段，2016 年 2 月 1 日2016 年 3 月 6 日 为第三阶段趋向平稳阶段，最后第四阶段为平稳 阶段。各个阶段的具体情况见表 1。 根据表中数据和前文分析， 第一阶段出水主要 为侏罗系水和洛河组下段水，1 月 2 日至 6 日，洛 河水下段水位上升 7.444 m，表明洛河组下段已接 受了洛河组上段的补给， 此时导水裂隙带已波及至 洛河组上段。但此时，洛河组下段的裂隙要小于导 水裂隙带的上段，下段的导水性也小于上段，洛河 组下段向下排泄不畅，导致水位上升。而到第二阶 段，洛河组下段裂隙增大，从而导致上段水和下段 水同时下泄， 所以水量急剧增大， 根据矿化度分析， 洛河组上段比例已达到 40.71以上。第三阶段和 第四阶段以洛河组上段水为主，其比例已高达 76.12。 表 1 101 工作面出水各阶段情况表 Table1 Water outflow stages in working face 101 水位变化量 水源构成占比依据矿化度/ 阶段划分 出水量/m3h-1 洛河下段JT2孔 洛河上段T2孔 洛河全段G3孔 侏罗系 洛河组下段 洛河组上段 第一阶段 059.57 7.444 无明显变化 无明显变化 53.18 46.82 第二阶段 59.57445 –78 m –16.28 m –9.27 m 59.29 40.71 第三阶段 445643 缓慢下降 缓慢下降 缓慢下降 23.88 76.12 第四阶段 643527 缓慢下降，趋于稳定，略有回升 缓慢下降，个别回弹 2.3 洛河组砂岩含水层 洛河组砂岩含水层可分为上、中、下三段。上 段地层厚度约 100 m，岩性主要为紫红色粉砂岩， 泥质胶结，平均孔隙度为 5.65，单位涌水量 0.016 2 L/sm， 渗透系数 0.018 6 m/d， 为弱富水性含水层。 洛河组中段砂岩厚约 220 m，主要为细砂岩、中砂 岩、粗粒砂岩和泥质岩类地层，粗砂岩孔隙度较大， 细砂岩–粗砂岩的平均孔隙度为 15.44，单位涌水 量 2.248 2 L/sm，渗透系数 1.321 5 m/d，地下水径 流条件相对较好，为强富水性，是 4 煤层顶板的主 要充水含水层。 洛河组下段地层厚度较小， 约 60 m， 主要为细砂岩、中砂岩和泥质岩类地层，几乎不发 育粗砂岩，泥质含量增加，其平均孔隙度为 6.65， 孔隙较小，渗透系数为 0.030 0 m/d 左右，地下水径流 条件相对滞缓，单位涌水量为 0.013 00.084 0 L/sm， 为弱富水性含水层。 3 煤层顶板注浆加固治理 在 4 煤层开采后，形成冒落带，裂隙带往上发 育到洛河组含水岩层中，导致含水层水量下泄，形 成导水裂隙带，对煤矿安全生产带来威胁。采取水 平钻孔对 4 煤层上的洛河组下段进行注浆加固。 3.1 治理方案与加固方法 洛河组下段主要以细砂岩和泥质岩类为主，孔 隙度小，富水性弱，导水性差，地下水径流条件相 对滞缓，流量测井也未解释出较明显的出水层段。 煤系和洛河组下段总厚度 150 m 左右，在自然状态 下，对 4 煤层来说是良好的隔水地层，但由于岩性 脆弱，采后“两带”发育，导致洛河组上段富水含水 层水量经过导水裂隙带下泄进入煤层巷道。 采用水平钻孔的方法在该层段内进行注浆封堵 导水裂隙，加固薄弱地层，改造煤层顶板导水层为 相对隔水层，阻止洛河组上段水量下泄。 a. 水平注浆方法 沿地层采用水平钻探技术在目标层注入水泥浆 液，通过高压使水泥浆充填目标层的孔隙，同时钻 探遇到垂向裂隙时，水泥浆液沿着垂向裂隙带充填 注入。 如果遇到垂向裂隙较大，注浆压力减小，注入 量较大时，变换注浆材料添加粉煤灰或黄土。 需要停止注浆或希望水泥浆尽快在裂隙带中停 滞凝固，可在水泥浆中增加速凝剂。 b. 水平钻探方法 目标层位确认之后，采用水平钻进方法探查该 ChaoXing 增刊 1 李金龙等 高家堡煤矿煤层顶板注浆加固堵水技术探讨 23 层的导水裂隙和构造。 水平定向技术是新型钻井技术，钻头用螺杆马 达提供动力，由随钻测斜仪指引，控制井斜角、方 位角和垂深这些主要参数，使得钻具的造斜率能够 达到设计要求，使钻孔轨迹保持在目标层中。 在定向仪器的引导下，钻头按照设计钻孔的轨 迹，沿地层走向钻进。必要时，可以采用多分支水 平孔。在地层完整、稳定、无导水通道的条件下， 钻进正常，钻井液无漏失，一旦发现钻井液漏失量 达到 5 m3/h，开始进行注浆。 3.2 注浆加固治理层位选择 由于顶板注浆加固缺乏可供参考借鉴的经验， 实施过程中分别选择煤层顶板以上 107 m、122 m、 155 m、210 m图 2，从下往上依次进行注浆加固， 根据钻探、注浆情况分析裂隙发育宽度、密度以及 注浆的难易程度。 图 2 各层位剖面图 Fig.2 Cross-section of different horizons a. 煤层顶板以上 107 m 该层位处于冒落带上部，发育高角度裂隙，裂 隙开度大，注入棉籽壳、核桃壳等骨料不能够在裂 隙中停留，导水裂隙带高度已超过 107 m。 治理过程中分别采用纯水泥浆、黏土水泥浆、 骨料与水泥浆间歇性注浆、水泥水玻璃浆均不能封 堵裂隙，说明该层位已不适合作为注浆加固治理层 位，根据导水裂隙带发育规律应往上抬高层位。 b. 煤层顶板以上 122 m 由于煤层顶板以上 107 m 层位注浆加固时效性 差，治理难度大，经过调整方案选择煤层顶板以上 122 m 进行注浆加固堵水。 该层位钻探过程中漏点较多，裂隙相对煤层顶 板以上 107 m 处发育较小，但至 1 370 m 时，经过 多次封堵效果不好，注浆量大，时效性差，处于 101 工作面中部，此处导水裂隙带高度已远超 122 m。 c. 煤层顶板以上 155 m 选取煤层顶板以上 155 m 对裂隙发育特征进行 探查，钻进至 1 348 m、1 350 m 等处出现失返现象， 裂隙发育，注浆难度大，表明导水裂隙带高度已远 超过两带探查结果 142.5 m。 考虑到煤层顶板裂隙发 育高度的不确定性，继续选取更高位置作为注浆层 位进行试验。 d. 煤层顶板以上 210 m 选取煤层顶板以上 210 m 作为注浆层位进行试 验，该层位在施工过程中钻遇多个漏点，说明导水 裂缝发育高度已经影响到了煤层顶板以上 210 m 处。 对比 4 个层位钻探、注浆情况，101 工作面中 部，煤层顶板以上 107122 m，裂隙开度大，多为 近 90“立式”裂隙，煤层顶板以上 155 m 相比煤 层顶板上 107122 m 处裂隙发育开度较小，而煤层 顶板以上 210 m 处裂隙发育规模更小，注浆时效性 相对更好。 3.3 注浆工艺 煤层顶板注浆加固在国内属于试验性工程，传 统的注浆工艺效果不好，本次尝试采用不同的注浆 材料及工艺，并进行现场实践。 针对不同裂隙开度大小、裂隙发育规模，在不 同层位进行试验。煤层顶板以上 107122 m，裂隙 开度大，多为近 90“立式”裂隙，一般的纯水泥 浆不能满足要求，经过试验，在水泥浆掺入海带、 锯末、核桃壳、水玻璃，核桃壳可形成注浆支点， 锯末、棉籽壳可被浆液包裹形成大颗粒注浆材料， 适用于大裂隙。煤层顶板以上 155 m，采用取材方 便、造价低的黏土水泥浆，大大节约水泥用量，降 低成本。煤层顶板以上 210 m 处，裂隙发育规模小， 但由于受采动影响，裂隙密度大，采用水泥水玻璃 浆液进行快速封堵，能节省时间，提高注浆时效性。 根据顶板采动裂隙特征不同，试验出适用件不 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 47 卷 同的 3 种注浆方式充填注浆、间歇式注浆和快速 封堵注浆。 a. 充填注浆 充填注浆主要适用于导水裂隙带影响区域周边 及一些局部小封闭空间中， 比如在注 1 主支 1 253 m 漏点处，该漏点位于导水裂隙带以外，受裂隙带影 响形成的小型闭合空间， 空间大小有限， 注入 812.66 t 粉煤灰后压力达到 6 MPa，空间被充填。而在裂隙 发育开度大、发育密集的区域，浆液易顺着裂隙下 流，不易停留，充填注浆效果较差。 b. 间歇式注浆 针对煤层顶板上 107122 m 处裂隙发育开度 大、密集等特征，宜采用间歇式注浆方式，先用黏 土水泥浆、水泥浆携带核桃壳、锯末等骨料注入到 裂隙中，浆液在往下流动过程中核桃壳、锯末等骨 料易在缝隙中卡住架桥，从而使部分浆液在下流的 通道中停留，停注一段时间，浆液凝固，之后注入 浆液才能承受住一定压力，从而提高注浆效果。间 歇式注浆根据情况不同需要配合快速封堵注浆技 术，在用浆液携带核桃壳等骨料注入之后，再注入 水泥水玻璃浆液，计算好注入到目标位置的时间， 使浆液包裹的骨料可以在短时间内凝固，在目的层 下方形成一个底托，使浆液能够停留。 本次注浆过程中注 1 原轨迹、注 1 第一次上调 轨迹各漏点均采用此方法。 c. 快速封堵注浆 快速封堵注浆是利用水泥水玻璃等速凝材料的 凝固时间可调、凝固时间快、强度高等特征，在裂 隙发育、水流作用较强区域，注入水泥水玻璃浆液 快速凝固，保证浆液不被冲散或带走。 综上所述，在对煤层顶板采动裂隙封堵的过程 中针对裂隙的发育、水动力条件以及裂隙空间大小 情况，初步探索出一套适合于煤层顶板采动裂隙封 堵的注浆工艺体系，即有针对性的运用充填注浆、 间歇式注浆及快速封堵注浆方法。 在实际施工过程中，根据实际需要，采用充填 注浆、间歇式注浆及快速封堵注浆相结合的方式进 行封堵。比如在封堵 1 323.3 m 漏点时，先注入黏土 水泥浆，掺入一定量的核桃壳，核桃壳在裂隙内 起一定的支撑作用，黏土水泥浆可以先进行充 填，最后用水泥–水玻璃进行快速封堵注浆，扫 孔至 1 323.3 m 漏点时不漏失，注浆效果好。 4 结 论 a. 通过对高家堡煤矿 4煤层上部不同层位裂隙 发育规律的探查、注浆改造，发现裂隙发育高度已 超过 210 m，裂隙发育的角度达到 80以上，多为垂 向裂隙， 这一结果为进一步注浆改造方案提供依据。 b. 根据 4 煤层上部裂隙发育的宽度、密度、注 浆量，对煤层顶板以上 107210 m 范围内的裂隙空 间展布、空间分带取得更好的认识。 c. 对不同裂隙发育规模、大小，应采用不同的 注浆工艺，选取不同的注浆材料及配比，在实际施 工过程中，多采用充填注浆、间歇式注浆及快速封 堵注浆相结合的方式进行封堵。提高注浆的时效性 和经济性。 d. 煤层顶板注浆加固是在煤层采动后对煤层 上方含水层下地层进行注浆改造，目前缺乏可供参 考借鉴的经验，在高家堡煤矿作为试验应用，有待 于后期进一步推广验证。 参考文献 [1] 陈酩知. 华北区煤田底板注浆加固技术的发展及展望[J]. 能 源与环保，2018，40810–15. 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