煤矿注浆堵水技术.ppt

煤矿注浆堵水技术,,煤炭科学研究总院西安研究院,主要内容,1概述1.1基本概念1.2注浆分类1.3注浆材料2注浆在煤矿中的应用3注浆堵水方案4注浆工程设计5东庞矿“4.12”突水灾害治理5.1过水巷道封堵技术5.2陷落柱封堵技术,1.1、注浆的基本概念,注浆也称灌浆，就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照规定的配比或浓度，借用注浆设备或浆液自重对之施加压力，通过钻孔输送到受注层段中的一种施工技术。其实质是使浆液在受注层中渗透、扩散、充填，经过一定时间后凝固和硬化，从而达到加固受注层和抗渗防水的目的。,1概述,1.2、注浆的分类,1概述,按注浆材料水泥单液浆，水泥-水玻璃双液浆，水泥-粘土（粉煤灰、沙子）混合浆，化学浆液。按水动力条件静水注浆，动水注浆。按工程目的帷幕注浆，注浆改造，注浆堵水，井筒预注浆，管棚支护注浆。按注浆工艺旋喷注浆，孔口静压注浆，孔内止浆注浆。按突水构造断层注浆，裂隙注浆，陷落柱注浆,1.3注浆材料,1概述,固粒灌浆材料,,水泥,水玻璃,粉煤灰,粘土,骨料,Na2CO3nSiO2作为速凝剂或双液浆与水泥浆配合使用,适用于裂隙、孔隙与岩溶类受注层。具有结石强度高，性能稳定，来源广泛的特点。裂隙宽度不下于3～5倍的水泥颗粒直径（普通硅酸盐水泥30～80μm）,满足水工混凝土掺用粉煤灰技术规范，其细度应不小于水泥细度。,水泥代用材料，不同的工程目的对粘土性能指标（塑性指数、粘粒含量、粉粒含量、含沙量等）有不同的要求,砾石、沙子等，适用于大空洞充填,化学浆材,真溶液浆材，具有粘度低、可灌性好、胶凝时间易于控制的特点。适用于井巷工程小型裂隙与微孔隙含水层注浆（丙烯酰胺类浆液）。,,,,2注浆在煤矿中的应用,,预注浆工程,注浆堵水工程,特殊注浆工程,井筒预注浆,工作面注浆改造,帷幕注浆,导水构造的预注浆处理,巷道封堵工程,突水构造封堵,突水水源封堵,管棚支护注浆,防灭火注浆,充填注浆,3注浆堵水方案,选择堵水方案应考虑的因素1）突水水文地质条件。水源、突水构造的类型、突水方式，井下与地面施工条件等。2）矿井受淹状况与施工条件。淹巷道、工作面，还是淹水平、或是整个矿井，地面与井下的施工条件等。3）本次突水与矿井今后防治水工作和煤炭生产接续的关系。4）不同方案的工期与工程造价因素,,,,4注浆工程设计,,钻孔设计,注浆工艺设计,质量检查与效果检验,钻孔布置,钻孔结构,钻孔技术要求,注浆层段与注浆方式,注浆工艺控制,注浆结束标准,工序检查,钻孔检查,物探检查,堵水效果,工程设计应遵循的原则,1）先探后治，探治结合2）动态设计3）分序次施工4）注浆工艺科学合理1先骨料、后浆液;2动水注骨料、静水注浆;3注浆时间小于浆液凝固时间相适应4注浆强度与受注层吸浆量相匹配,4工程设计,5东庞矿“4.12”突水灾害治理,项目背景“4.12”突水灾害1）水源奥陶系强岩溶含水层2）水量出水后3h水量就增加10000m3/h以上，出水后9h水量增加到最大水70000m3/h3）通道隐伏导水陷落柱4）其他总涌水量约1000万m3，奥灰含水层内影响半径达30Km,总体方案,项目概况,5.1过水巷道封堵技术,快速定向钻进,骨料灌注,阻水墙建造,,,旋喷注浆,充填注浆,升压注浆,引流注浆,快速定向钻进,1）技术要求钻孔须在垂深586m处透巷，透巷水平位移不得大于1m，偏斜精度达1.72‰2）钻探工艺（1）T685WS车载顶驱钻机，灵活机动（2）复合钻进技术纠偏PDC钻头ф197mm双扶单弯螺杆0.5ф203.2mm无磁钻铤ф203.2mm普通钻铤ф178mm普通钻铤6ф114mm钻杆3）钻进效率平均每孔12天，最快达到100m/天4）钻探成果7个钻孔命中巷道,5.1巷道封堵,动水骨料灌注,1施工条件高水压5.46MPa,动水条件，煤层巷道，巷内空高1.5m左右，巷内动水流速约300-350m/h。2灌注工艺1）灌注方法水力射流，孔口密闭、砂石自重连续灌注法，定期下钻具透扫骨料。2）骨料级配骨料分细纱和石子两类级配河沙小石子中石子大石子11213）水固比61-1014）灌注结束标准骨料堆积到巷顶经多次下钻冲扫仍不能进入巷道且经注（压）水试验，q值已降到1.0L/min.m以下时此孔灌注骨料工作结束,5.1巷道封堵,灌注骨料成果汇总表,5.1巷道封堵,阻水墙的建造,第一阶段，旋喷注浆首先选择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。第二阶段，充填注浆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。第三阶段，升压注浆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，一方面增强阻水墙与围岩粘接力，提高抗挤出与抗水流冲刷能力。另一方面，注浆封堵了顶底板裂隙，可以防止突水绕流。另外，通过高压注浆提高阻水墙体的强度与抗渗透能力，封堵薄弱带的过水通道第四阶段，引流注浆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。为了检验堵水效果，封堵残留小的过水通道，在矿井试验排水期间，利用G2孔进行注浆，对出水口附近进行注浆封堵。,5.1巷道封堵,堵水效果,125天一期工程完工，225天矿井全面恢复生产。矿井排水复矿后，残余涌水量由初始的170m3/h，逐渐衰减为零，堵水率达到100。,5.1巷道封堵,陷落柱治理的必要性,1）陷落柱从奥灰顶界面的-690m水平一直发育到上石盒子下段的-240.61m水平，垂直高度达450m，它穿透了大青、野青及9煤、2煤顶板砂岩含水层，并成为以上含水层的强大补给水源，如不进行陷落柱治理，在这些含水层中井巷工程一旦揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着2煤、9煤的安全开采。2）突水后陷落柱内大量的充填物被高压水冲出堆积在巷道，扩大了陷落柱空洞裂隙的体积，破坏了原有的平衡状态，使陷落柱周边岩体存在再次塌落的可能，特别是煤层强度低、结构疏松，更容易发生坍塌。因此，如不进行陷落柱治理，2煤煤柱的塌落使煤柱厚度变薄，陷落柱二次突水的危险性进一步增大。3）注浆封堵陷落柱，切断奥灰水的补给通道，降低柱内水压，可以减少陷落柱四周煤柱的留设厚度，解放部分煤炭资源。,陷落柱治理方案,在陷落柱探查的基础之上，封堵工程的核心就是在陷落柱的预定位置建造“堵水塞”，以切断陷落柱突水通道。其施工方案是采用以地面施工为主、井下施工为辅的井上下相结合的综合治理方案。一方面，在地面打钻施工注浆孔、监测孔，通过灌注骨料、浆液封堵“堵水塞”段的陷落柱体及其四周导水裂隙带，截断奥灰水的补给通道；另一方面，在井下施工定向放水钻孔，通过放水试验定量评价堵水效果。另外，对陷落柱上部空洞进行骨料充填，防止陷落柱进一步向上发育，沟通第四系水源。,5.2陷落柱治理,B-B＇剖面图,治理技术,2903陷落柱放1孔剖面图,治理技术,2.1技术方案,突水陷落柱封堵技术,定向分支钻孔,骨料灌注,阻水塞建造,,,充填注浆,升压注浆,引流注浆,加固注浆,质量综合评价,,工序检查,钻孔取芯,压水试验,物探检测,放水试验,5.2陷落柱治理,定向分支钻孔,二期工程共施工注浆孔6个，定向分支钻孔20个；质检孔2个；骨料孔2个；放水孔1个，总进尺8788.23m。从钻孔施工结果来看，除Z5-2孔因孔内事故未达到设计深度外，其余钻孔均按设计要求施工至目的层位，钻孔各项参数如偏斜方位、偏斜角等均符合设计要求,5.2陷落柱治理,钻孔对堵水塞段的控制,5.2陷落柱治理,陷落柱发育特征参数,“阻水塞”段注浆孔平面投影图,5.2陷落柱治理,注浆钻孔东北等轴测图,5.2陷落柱治理,陷落柱阻水塞建造工艺,5.2陷落柱治理,质量检查,钻孔取芯,5.2陷落柱治理,Z4-检1孔岩芯图片（704m）,治理技术,压水试验,5.2陷落柱治理,堵水效果放水试验,1残余补给量2.24m3/h2水质化验结果显示，未有奥灰水参与3水位动态表明，本次放水与奥灰水没有关联结论堵水塞已成功切断了陷落柱的奥灰水补给通道，从而根除了隐患。,5.2陷落柱治理,2.1.3综合注浆法建造阻水墙,2旋喷注浆1）钻孔G8、G7、G3、G62）注浆材料42.5普通硅酸盐水泥，早强剂为三乙醇胺和食盐3）工艺参数浆液配方水灰比控制在0.6～0.7，浆液比重1.6～1.8，可加入水泥量0.03-0.05的三乙醇胺和0.3-0.5的食盐。喷浆压力1015MPa喷体结构喷嘴直径为ф34mm，三喷嘴型旋喷注浆泵LM-500/22型泥浆泵4）旋喷注浆施工工艺流程①单位吸水率即Δq值已降到1（L/min.m）以下时，即可下入三孔射流旋喷钻头，采用水泥浆喷射自上而下射流搅拌至孔底（低于巷底的深度），然后再由下而上一边提升、一边旋转喷射至巷道顶以上的钻孔内；②水泥凝固68小时后，扫孔到底，进行第二次旋喷，如此反复多次，直到孔口返浆为止。③待凝48小时后，经用筒状钻头取芯，若取芯砼密实完整，说明旋喷效果好，否则，下钻具重复旋喷注浆，直到岩芯完整，且钻孔吸水率达到设计要求。,治理技术,2.1.3综合注浆法建造阻水墙,3充填注浆工艺1）充填注浆参数及工艺流程（1）注前压水（2）制浆浆液比重控制在1.6～1.7g/cm3之间，制浆能力3660m3/h。（3）注浆充填注浆的从排量400L/min、比重1.7g/cm3注起。充填注浆阶段的初期主要以单孔大浆量注浆法和多孔大浆量联合注浆法为主，在注浆的同时及时其他注浆孔、主井和奥灰孔水位动态，分析注浆效果，如注浆效果好，则连续注浆，否则，采用多孔间歇交替注浆法，以防止浆液大量流失。在充填注浆阶段的后期，过水通道断面大幅缩减后，采用单孔小浆量间歇注浆法。（4）停止注浆①压清水经泵冲洗管路并将水压入孔中。②待孔口压力归零后，方可拆开孔口注浆栓。③下钻具透孔至原孔深，以便下次再注，中间托钻记录深度。,治理技术,2.1.3综合注浆法建造阻水墙,4升压注浆1）受注层巷道顶板裂隙岩体、巷道、巷道底板裂隙岩体2）注浆方式下行分段式注浆，终孔层位为2煤层的底板以下10m，逐段进行反复的封堵加固。主要采用单孔注浆，但在压水和注浆过程中若发现与有的钻孔串通，应改为双孔联合注浆。3）注浆参数浆液的比重一般为1.5-1.75。4）结束标准待巷底总压至10MPa（2倍水头），孔口压力达到5MPa左右，稳压30分钟以上，吸浆量在50L/min以下，扫孔到巷底以下10m处，经压水试验q值不大于0.01L/min.m时结束。,治理技术,2.1.3综合注浆法建造阻水墙,5引流注浆1）应用条件主要过水通道被封堵后；2）实施方案在矿井主副井或突水点附近进行引流排水，使静水条件变成动水条件，排水量为7000m3/h；3）目的过水通道的细小裂隙、薄弱带进行再加固，进一步减少出水量，同时，向来水方向逆流压注，并通过陷落柱进一步向被陷落柱贯穿的各含水层及其导水系统进行注浆封水；4）引流钻孔靠近突水点的G2孔，借助堵水段内外的水头差进行引流注浆；5）施工情况从8月16日开始到9月22日结束，实际上大部分浆液当时已很难通过G6和G8孔的“阻力段”，在注浆工程后期特别是进入升压注浆阶段以后，G1孔频繁的窜水窜浆，说明阻水墙已基本形成，浆液通过G1孔逆流压注到突水口及陷落柱内。最后G2孔孔深延伸到596.6m（巷道底板下15.6m），全孔注浆31次，注浆最终压力4.6-6.0MPa，最终浆液比重1.65，结束吸浆量50L/min。这次引流注浆在巷顶以上注浆18次、耗用水泥5184t，占引流注浆总量的56.5，巷底以下共注入3270t，占引流注浆总量的35.6，而巷内仅注入水泥720吨，占引流注浆总量的7.8，这一情况表明，本次引流注浆的作用，实际上已不仅是加固巷内的堵水段，更是通过巷道顶、底板的裂隙进一步封堵它们与陷落柱之间的水力联系。,治理技术,2.2.1突水陷落柱探查,1利用三维地震勘探控制突水陷落柱的空间构造特征2电法探测、V5多功能电磁法探测陷落柱的富水性3探查与施工钻孔验证物探成果，进一步查明陷落柱纵向形态特征、上部空洞特征、“堵水塞”段陷落柱发育特征2.1技术方案,治理技术,A-A＇剖面图,治理技术,2.2.2定向分支造孔工艺,1）设计单位提出单孔设计，对直孔段深度、起始偏斜深度、水平偏斜距、偏斜段垂高、偏斜方位、平均偏斜角等参数作出规定。2）施工单位根据钻孔设计参数编制钻孔施工组织设计，作出钻孔偏斜轨迹预测。3）直孔段钻具组合一开钻具Φ311mm钻头＋Φ159mm无磁钻铤＋Φ159mm普通钻铤＋Φ127mm钻杆＋驱动装置二开钻具Φ210mm钻头＋Φ159mm无磁钻铤＋Φ159mm普通钻铤＋Φ127mm钻杆＋驱动装置4）定向偏斜段钻具组合Φ146mm金刚石复合片钻头＋Φ126mm螺杆＋Φ127mm钻铤＋Φ127mm钻杆＋127mm方钻杆5）钻孔定向测斜直孔段水平偏斜距不得大于1m，偏斜方位不得大于1度，每20m测斜一次。为此，采用1.5度单弯螺杆钻进，及时进行随钻测斜，发现偏斜及时纠偏，确保井身轨迹误差在设计要求范围之内。6）直孔段冲洗液漏失，采用重泥浆堵漏，进入陷落柱后，发生大量漏失，注浆堵漏。2.1技术方案,治理技术,3.2.4质量评价,1钻孔成孔质量评述20分支孔按设计参数施工2单孔注浆效果--q≤0.001L/min.m.m3施工过程中取芯情况见照片4井下TEM法探测成果治理后富水异常区消失5质量检查孔长度满足要求,治理技术,注浆结束标准,治理技术,岩石透水性等级表,治理技术,“堵水塞”长度,Z4-检1孔至少81m放1孔138mZ3-检2至少132m三处“堵水塞”顶面至少高于设计位置8m、65m及59m实际堵水塞长度不小于81m2.1技术方案,治理技术,3.2.5堵水效果放水试验,1残余补给量2.24m3/h2水质化验结果显示，未有奥灰水参与3水位动态表明，本次放水与奥灰水没有关联结论堵水塞已成功切断了陷落柱的奥灰水补给通道，从而根除了隐患。2.1技术方案,治理技术,,,观测孔水位历时曲线图,治理技术,放水试验期间观26孔奥灰水位动态曲线,放水期间,,,,恢复期间,治理技术,治理技术难点,1）一期工程面临的封堵巷道埋深达580多米，是最深的；2）奥灰的水压达5MPa以上，是最高的；3）封堵巷道为宽4.5m、高3.5m、断面为15.25m2的煤层巷道，由于受突水冲刷实际断面很大，且2煤的抗压强度仅0.10MPa，在这种条件下，建造长约105m、抗压5MPa以上的阻水墙，在我国煤矿行业属于首次，具有很大的技术难度和施工难度；4）二期工程的治理对象为2903工作面突水陷落柱，其赋存状态和发育特特征还不很清楚，需要结合二期治理工程进行针对性的勘查工作；5）从最终的勘探结果来看，在造成突水淹井灾害的陷落柱中，2903工作面突水陷落柱的规模是最大的，2煤以下堵水塞段的陷落柱水平截面积达3546m2（含裂隙带）；6）在松散破碎的陷落柱内建造堵水塞，首先要研究出一套适合复杂地层的定向分支造孔工艺，确保钻孔按设计轨迹施工，然后，须根据陷落柱的发育特征，制定科学合理的注浆工艺与方法；7）矿井恢复之后，在静水条件下，如何定量评价注浆质量和封堵效果是以往类似工程尚未解决的技术问题。,治理技术,