东曲矿斜巷穿灰岩含水层注浆堵水技术研究与应用_李荣.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程概况 山西焦煤集团西山煤电东曲矿排矸斜巷主要为井 下工作面回采排矸使用，排矸斜巷掘进宽度为 3.2m， 高 度为 3.2m， 巷道与水平方向的角度为 25， 在排矸斜巷 掘进期间， 当巷道掘进至 115m， 会穿过 L1灰岩含水层， L1灰岩层含水丰富， 局部岩溶、 裂隙发育， 透水性较强， 均厚5～6m， 为8煤层直接顶板。在巷道掘进接近L1灰 岩层顶部位置时，掘进迎头底板位置出现大量涌水现 象， 涌水总量 40m3/h， 现为保障斜巷工作面掘进通过 L1 灰岩含水层时的安全性，拟采用对灰岩含水层超前注 浆的方式进行堵水， 保障巷道斜巷掘进时的安全性。 2动力水注浆浆液扩散规律 2.1浆液扩散形态 根据排矸斜巷及 L1灰岩含水层的具体地质条 件， 可知该次注浆属于裂隙网络动水注浆堵水， 为有 效分析注浆浆液在裂隙网络中的扩散规律，现采用 MATLAB 软件进行数据处理模拟分析，本次模拟分 析主要针对完全封堵型的浆液扩散规律进行分析， 模 型建立时将坐标原点设置在注浆孔中心， X 轴设置为 水流方向， Y轴设置为垂直于水流的方向，注浆浆液 采用水泥 - 水玻璃双液浆， 水灰比设置为 0.61， 依据 浆液的各项参数进行模型参数的赋值。 a 模型图b 扩散 60s c 扩散 130sd 扩散终态 图 1注浆扩散模型图及不同时段扩散形态图 东曲矿斜巷穿灰岩含水层注浆堵水技术研究与应用 李荣 （西山煤电集团东曲矿 ， 山西 古交 030200 ） 摘要 为保障排矸斜巷顺利通过 L1灰岩含水层， 采用数值模拟软件进行动力水注浆浆液扩散规律 的研究与分析， 根据模拟结果将浆液的扩散划分为三个阶段 自由扩散、 部分封堵和残留通道封堵阶 段， 基于数值模拟结果， 结合具体地质条件， 确定采用底板加固 帷幕注浆的方式进行注浆堵水作业， 同时对注浆加固方案的各项参数进行， 注浆结束后采用堵水率进行注浆效果的评价。结果表明 注浆 结束后， 含水层涌水水量小于 1m3/h， 堵水率为 97.5， 堵水效果非常好。 关键词 含水层 ； 注浆堵水 ； 堵水率 中图分类号 TD745文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0073- 04 Research and Application of Grouting and Water Blocking Technology in Limestone Aquifer of Inclined Lane of Dongqu Mine LI Rong （Dongqu Mine, Xishan coal electricitygroup , Gujiao 030200 ，China ） Abstract In order to ensure the smooth passage ofthe platoon slanting lane through the L1limestone aquifer, numerical simulation software is used tostudyand analyze the diffusion lawofdynamic water groutingslurry. Based on the simulation results, the slurrydiffusion is divided into three stages free diffusion, Based on the results ofnumerical simulation and specific geological conditions, the offloor reinforcement curtain grouting was adopted for partial grouting and residual channel plugging, and various parameters of the grouting reinforcement scheme were determined. After the slurry is finished, the water blocking rate is used to uate the grouting effect. The results show that after the grouting is completed, the water inflowfrom the aquifer is less than 1 m3/h, the water blocking rate is 97.5, and the water blocking effect is verygood. Key words Aquifer ; grouting; water blocking; 73 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 数值模拟模型如图 1a所示， 根据数值模拟结果 能够得出浆液在不同扩散时间下的扩散形态， 现具体 对浆液在扩散 60s、 130s 和浆液扩散最终形态时浆液 的扩散形态进行具体出图， 如图 1b～ 图d所示。 通过具体分析不同时段时浆液扩散的具体形态 可知， 浆液的裂隙网络内的扩散主要可划分为自由扩 散、 部分封堵和残留通道封堵三个阶段， 具体各个阶 段的特征如下 1 ） 自由扩散阶段 当浆液注入到含水层内部的裂 隙网络后， 由于浆液还未达到其凝固时间， 其在含水 层裂隙内的流动主要表现为牛顿流体的特征， 该阶段 浆液的扩散形态主要受到裂隙开度和含水层内动力 水的流动速度影响， 该阶段浆液基本以注浆钻孔为中 心向两侧均匀扩散； 2 ） 部分封堵阶段 随着注浆作业的进行， 浆液进 入裂隙内后， 会逐渐出现凝固的现象， 凝固后的浆液 会与裂隙的壁面之间产生一定的粘结性能， 当浆液与 裂隙壁面间的粘结力达到一定强度时， 浆液便会停止 前进， 进而对已扩散的裂隙进行封堵， 已封堵的裂隙 会阻止浆液的进一步扩散， 进而致使后续注入的浆液 的只能沿着其余未被封堵的裂隙进行扩散， 被注介质 内的水流通道面积会逐渐减小， 水流的速度会明显增 大； 该阶段内浆液仍然具有较好的流动性， 但该阶段 裂隙开度较小的主流通道基本已被封堵， 仅剩下一些 裂隙开度较小的分支通道未被浆液封堵[1-2]； 3 ） 残留通道封堵阶段 随着浆液的进一步扩散， 此阶段内仅剩下一些开度较小的裂隙未被封堵， 随着 浆液的进一步扩散， 浆液在注浆压力作用下会逐渐向 这些开度较小的裂隙内流动， 并逐渐凝固封堵， 随着 含水层内开度较小裂隙的封堵， 浆液的扩散形态基本 达到终态， 浆液的注浆压力会逐渐达到设定压力值而 最终停止。 根据数值模拟结果， 具体浆液在不同注浆时间下 浆液的最大扩散距离、 扩散面积与注浆时间之间的关 系曲线如图 2 所示。 （a ） 扩散距离（b）扩散面积 图 2浆液在不同时间下的扩散距离与面积曲线图 2.2注浆压力变化曲线 在数值模拟过程中， 为有效监测注浆浆液的出口 位置处设置监测点，进行浆液注入压力的监测作业， 根据数值模拟结果能够得出不同注浆时间下浆液的 压力曲线如图 3 所示。 图 3不同注浆时间下注浆压力曲线图 根据图 3 可知， 注浆堵水作业开始后， 随着注浆 时间的增加，注浆的压力呈现出注浆增大的趋势， 根 据上述分析可知， 浆液的扩散呈现出自由扩散、 部分 封堵和残余通道封堵三个阶段， 结合图 3 可知， 在注 浆初始浆液的自由扩散阶段， 浆液的注浆压力基本呈 现出稳定的状态， 浆液的压力基本稳定在 1MPa； 随着 注浆作业的进行，浆液扩散面积达到一定的程度， 浆 液进入到部分封堵阶段，此阶段注浆压力逐渐提升, 浆液的压力提升到 1.7MPa 左右，并在一定的范围内 波动； 当注浆达到残余通道封堵阶段时， 注浆压力进 一步升高， 与部分封堵阶段相比， 注浆压力升高的幅 度明显减小，该阶段浆液的注浆压力最大值为 2.0MPa。 3注浆堵水方案 3.1注浆方案设计 由于目前排矸斜巷已经掘进接近 L1含水层区 域， 在掘进采动影响下巷道底板的裂隙发育很可能会 与含水层之间贯通， 同时为保障巷道掘进通过含水层 时的安全， 现确定采用掘进至距离含水层垂直高度最 短为 1.5m时， 现进行巷道加固底板的注浆作业， 随后 进行帷幕注浆作业， 具体注浆各项参数如下 1 ）加固底板注浆 巷道掘进作业时， 掘进至与底 板含水层垂直高度小于 1.5m时， 进行底板注浆作业， 沿着巷道掘进头位置， 布置注浆钻孔， 钻孔成孔直径 为 φ75mm， 深度为 5.0m， 与巷道底板成 75夹角， 即沿垂直方向打设， 布置 3 排钻孔， 每排布设 3 个， 注 浆钻孔排间距为 2.0m1.5m， 由于钻孔为垂直注浆 作业， 设置钻孔的封孔长度为 0.3m， 具体底板注浆作 74 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 业钻孔布置形式如图 4a所示。 2 ） 帷幕注浆 当底板加固注浆作业完成后， 随后 进行帷幕的打孔注浆作业，沿着巷道掘进头位置， 布 置注浆钻孔， 钻孔成孔直径为 φ75mm， 钻孔长度为 13～15m， 钻孔的俯角为 - 10～30之间， 帷幕注浆 钻孔布置 5 排， 钻孔在巷道底板布置 2 排， 排间距为 2.0m1.5m， ， 在掘进头上布置 3 排钻孔， 排间距为 1.0m1.5m， 设置钻孔的封孔长度为 0.5m;打孔作业 时，先以直径为 φ108mm 钻头开孔，开孔深度为 2.5m， 随后进行 φ75mm 钻头进行成孔， 具体帷幕注 浆作业钻孔布置形式如图 4b所示。 a底板注浆孔布置 b帷幕注浆孔布置 图 4注浆钻孔布置形式示意图 3 ） 注浆材料 由于 L1灰岩含水层内裂隙较为发 育， 裂隙之间基本以网络的形态赋存， 故本次注浆材 料选用水泥 - 水玻璃双液浆， 水泥浆的水灰比设置为 0.61， 水玻璃型号为 40 波美度， 水泥浆与水玻璃间的 比例为 11。 4 ） 注浆压力 根据 L1灰岩含水层的具体地质条 件， 结合本次谁用水泥水玻璃浆液的性能参数， 基于 数值模拟结果， 为保障注浆效果， 最终确定注浆的终 孔压力为 2MPa。 5 ） 注浆量 排矸斜巷对含水层进行注浆作业的最 终目的是在巷道掘进通过含水层时形成帷幕， 进而保 障巷道掘进通过含水层区域时不会出现突水现象， 具 体注浆量可用下式估计 Qλnηv （1 ） 式中 Q 为注浆量 （m3） ；v 为被注岩层的体积 （m3） ； n 为被注岩层的孔隙率， 取 10； λ 为浆液耗损 系数， 取 1.2； η 为空隙的浆液充填率， 取 80； 根据 材料斜巷及 L1 含水层的具体情况，取 λ1.2， n10， η80， v3.141325.52918m3，代入式 （1 ） 中能够计算出 Q280m3。 6 ） 注浆顺序 在进行底板注浆加固作业时， 从远 离掘进头的位置向掘进头位置逐渐进行注浆作业， 同 排钻孔注浆作业时由两边到中间进行注浆作业； 帷幕 注浆钻孔采用间隔施工的方式， 根据图 3 中的钻孔编 号方式， 先进行奇数号的注浆作业， 当奇数孔全部注 浆完成后， 再进行偶数孔的打孔注浆作业。 3.2注浆效果分析 在注浆堵水的工程实践中，由于注浆为隐蔽工 程， 无法有效评价浆液在被注介质体内的扩散形态及 规律， 故采用堵水率作为堵水效果的评价指标。堵水 率 （简称 SE ） 即为注浆结束后含水层动力水流的流量 与初始动力水流的差值与初始动力水流量的比值[3-4]， 具体数学表达式为 SE Q0- Qg Q0 100（2 ） 式中 SE 为堵水率； Qg为注浆结束后稳定后的动 水流量； Q0为初始动水流量； 根据众多的理论研究与 工程注浆堵水实践的结果， 将注浆堵水的效果划分为 6 个等级， 具体划分标准及效果评价如表 1 所示。 表 1堵水效果等级划分 排矸斜巷在采用加固底板注浆 帷幕注浆后， 巷 道在掘进通过含水层区域时， 根据现场观测可知浆液 对含水层进行密实充填， 掘进作业时无明显的突水情 况出现， 注浆加固后涌水水量小于 1m3/h， 未注浆堵水 前的涌水量为 40m3/h， 基于此能够计算出 SE97.5， 注浆堵水效果非常好。 4结论 根据排矸斜巷与 L1含水层的具体地质条件， 通 过数值模拟分析动力水注浆浆液扩散规律， 确定采用 底板加固 帷幕注浆的堵水方案， 并确定了各项注浆 （下转第 78 页 ） 等级堵水率注浆效果 190≤SE非常好 280≤SE＜90好 350≤SE＜80一般 430≤SE＜50差 510≤SE＜30非常差 6SE＜10失败 75 ChaoXing （上接第 75 页 ） 参数， 注浆结束后， 根据现场观测得出注浆堵水率达 到 97.5， 注浆效果良好， 保障了巷道掘进通过含水 层区域的安全。 参考文献 [1] 靳立创. 粗糙裂隙与裂隙网络动水注浆试验研究[D].中国 矿业大学, 2019. [2] 石强.巷道揭露破损水文钻孔的注浆堵水治理实践[J].江 西煤炭科技,2019 （02） 148- 150. [3] 杨静. 地面水平定向钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙的合理 层位研究[D].中国矿业大学,2019. [4] 曹胜根,程正刚,张云,姜海军,王琛.巷道围岩预注浆防突 水技术研究 [J]. 采矿与安全工程学报,2016,33 （02） 311- 317. 作者简介 李荣 （1985-） ， 男， 山西定襄人， 2018 年 6 月毕业于黑龙 江科技大学地质工程专业， 助理工程师， 现从事工作 矿井地 质工。（收稿日期 2019- 12- 16） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 接孔内注浆管， 由里向外进行封孔。风巷施工顺层钻 孔 317 个， 穿层钻孔 84 个， 机巷顺层 86 个， 穿层钻孔 86 个，由于煤层倾角变化和断层影响，钻孔深度在 60～130 m之间，并间隔对顺层和穿层钻孔实施了深 孔预裂控制爆破， 爆破孔长度 50 m以上。 3爆破后瓦斯抽放效果 表 1风巷控制爆破瓦斯自排量对比表 从表 1 瓦斯自排量看，对比孔的瓦斯自排量为 0.011～0.019m3/h， 51～55 号孔爆破时，平均自排量 0.014m3/h；爆破邻近孔的瓦斯自排量为 0.034～ 0.058m3/h， 爆破孔自排量为 0.068～0.266m3/h， 是对比 孔的 5～14 倍。 100～106 号孔爆破时， 由于该区段煤 层裂隙发育，发生了三次爆破孔与邻近孔的贯穿， 最 为突出的是 106 孔爆破后与 107 号贯通， 后者自排量 最高达 10.78m3/h，瓦斯浓度为 90， 图 2 为两个爆 破孔、 一个爆破邻近孔及爆破远区孔在爆后 5～24 天 的自排量进行对比， 爆破效果相当明显。 4结语 利用深孔预裂爆破提高低透气煤层瓦斯抽放率 的效果是非常好的， 达到了技术上安全可靠、 操作简 便、 成本较低的目标、 具备在众多高瓦斯矿推广的条 件。在相关爆破理论和爆破技术突破后， 利用爆破方 法进行提高瓦斯抽放率的效果是相当明显， 它的推广 前景十分光明。 参考文献 [1] 张建华,李振兴.深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔方式研 究[J].能源与环保,2019,41 （4） 80- 83. 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