22302工作面防治突水溃沙工程设计.doc

22302工作面防治突水溃沙工程设计 一、前言 石圪台煤矿22302工作面上方局部松散含水层厚度较大，上覆基岩厚度较薄，工作面回采至该区域将有突水溃砂的危险。为确保工作面安全回采，受神东煤炭集团委托我陕西天地地质有限责任公司根据神东煤炭集团地测公司编制的石圪台煤矿22302工作面冒落带注浆加固工程方案及正在对该区域进行疏放水工作情况，编制深化石圪台煤矿22302工作面冒落带注浆加固工程设计。 2010年9月12日由神东集团生产技术部组织，地测公司等单位参加对我公司方案进行了审查，会后根据会议审查纪要及9月13日地测公司提供的22302工作面注浆范围图对方案进行了修改。 二、水文地质条件 本区地貌以黄土梁峁、沙漠滩地、流水风蚀砂丘、砂梁地貌为主，其间发育冲沟、洼地等微地貌单元。区内分布的浑圆状长梁状剥蚀基岩丘陵和黄土梁峁为井田内发育的各沟谷分水岭。井田内的沟流均由发育于萨拉乌苏组泉水汇集而成，自东向西并列横贯井田。 2.1、含水层水文地质特征 井田内新生界松散层孔隙潜水主要包括第四系全新统冲积层孔隙潜水（Q4al）、上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水（Q3s）；中生界碎屑岩类裂隙潜水和承压水主要包括中侏罗统直罗组裂隙潜水（J2z）、中下侏罗统延安组裂隙潜水和承压水（J1-2Y）。区内对工作面有水患威胁的含水层仅涉及到上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水（Q3s）。详述如下 萨拉乌苏组含水层岩性为黄褐色中细砂、粗砂、含粉砂及粘土透镜体。其沉积厚度受古地形制约，一般在古河槽中心沉积较厚，而向两侧逐渐变薄。根据井田勘探阶段及建井和生产阶段施工的水文钻孔及松散层调查孔资料，主要分布石圪台沟以东，葫芦头沟及井田中部布袋壕、柳根沟一带。本区就位于布袋壕泉域。 在古湖洼地、古冲沟沟槽处厚度40m左右，根据抽水试验资料水位降低1.06～15.30m，涌水量0.783～12.60/s，单位涌水量0.369～1.54/s.m，渗透系数3.89～10.96m/d，富水性中等到强。水化学类型一般为HCO3-Ca型水或HCO3-CaMg型水，矿化度0.21～27g/L。 2.2、第四系松散岩类孔隙地下水补、迳、排条件 第四系松散岩类广布本区地表，沉积厚度巨大，极易接受大气降水入渗补给，地下水主要接受大气降水入渗补给及少量的凝结水补给，大气降水入渗后沿其孔洞、裂隙向下运移，并在其底部富集，沿砂层底界即基岩面古地形，由地势较高处向低洼处运移、存储，流向具有多向性。本区地下水与井田其它区域一样，从东向西沿地势较高处向低洼处运移、存储通过22302工作面上方，在沟谷切割沿岸，潜水以下降泉、渗流等形式排泄补给地表水，并最终以沟流的形式排入乌兰木伦河。同时，在工作面未回采前放水孔也是地下水排泄途径之一，在工作面回采后矿井涌水转变主要的排泄途径。根据陕西省神木县大柳塔水源地供水水文地质勘探（1988年），松散层给水度实测值0.13～0.21，降水入渗系数0.47～0.62。 2.3矿井涌（突）水实例及充水因素分析 2.3.1、矿井涌（突）水实例分析 根据矿井水文地质、工程地质及开采条件等特征，矿井是易发生涌（突）水的矿井，位于矿井南侧紧邻的涌（突）水的矿井实例可供借鉴。 位于井田南侧紧邻的哈拉沟矿井的瓷窑湾煤矿涌（突）水事故可供借鉴。瓷窑湾煤矿巷道沿2-2煤层开拓，1990年4月28日，一采区皮带巷掘进至304米处，发生巷道顶板冒落涌水溃沙事故，巷道上部松散层水和沙子一起涌入井下，造成巷道被淹埋，矿井停产。同年12月28日又发生第二次冒顶事故，首次冒顶涌水，井下涌水量50m3/h，最大时为200m3/h，淤砂4000 m3，地表下陷呈直径28 m，深18 m的陷落漏斗。第二次冒顶涌水溃沙，矿井涌水量仅50m3/h，溃砂6000 m3。分析其原因，主要由于煤层上覆基岩太薄，且顶板基岩工程地质条件差，各种结构面（特别是沉积结构面）较发育，况且该处位于三元沟古冲沟沟底位置，第四纪沉积物厚度较大，富水性中等，从而为矿井巷道冒顶溃砂提供了地质条件和水源条件，导致水砂溃入井下，造成危害。 2.3.2、充水因素分析 （一）充水因素的地质背景 １）．基岩面形态 石圪台煤矿22302工作面基岩面形态以KS6号钻孔及SS1号钻孔边线方向基岩面较低，形成了一条古冲沟，地下水流向由东向西径流，南北两侧基岩面较高。拟治理加固区主要分布在古冲沟内。 ２）．第四系沙层含水层 石圪台煤矿22302工作面第四系沙层含水层厚度较大，最大厚度40.3米，以KS6号钻孔及SS1号钻孔边线方向两侧含水层厚度最大。最小厚度10米，主要分布在古冲沟两侧基岩面较高位置。含水层平均厚度为19米。Ss1水文孔8月13日观测数据该区域松散含水层厚度为40.3m。拟治理加固区第四系沙层含水层38米。 3）．2-2煤层上覆基岩厚度 石圪台煤矿22302工作面2-2煤层产状近水平，受古冲沟影响2-2煤层上覆基岩厚度变化较大，古冲沟位置2-2煤层上覆基岩厚度较小，古冲沟两侧2-2煤层上覆基岩厚度较大，2-2煤层上覆基岩厚度最小处T42号孔仅为30.70米。 4. 回采时冒落影响边界确定 煤层回采冒落边界按本地区正常基岩安息角取值，正常基岩安息角为75，基岩厚度取40米；砂土层休止角参数如下φ取36.8。砂层厚度取40米。经计算，基岩影响宽度为10.7米，地表松散层影响宽度为42.6米。 5）．综合分析 石圪台煤矿22302工作面基岩地层产状近水平，受古地质时期剥蚀冲刷作用的影响，基岩面起伏不平，形成了一条较深的沟系，后经新生代松散层的沉积，对地形起到填平补齐作用，因而大体上基岩面低洼处，2-2煤层上覆基岩厚度薄，松散层和松散含水层厚，且本区风化岩层厚度较大，因此，回采时井下涌水量会较大，存在“溃砂突水”隐患。 （二）充水水源 1）.直接充水水源含水层 石圪台煤矿22302工作面基岩含水层富水性弱，水量小，可视为相对隔水层，不会对井巷及工作面构成威胁。直接充水水源为上更新统河、湖积层潜水（Q3S）。 2）. 间接充水水源大气降水 大气降水入渗后先补给给含水层，再通过含水层进入井下，故大气降水为间接充水水源。虽然本区多年平均降水量很小，只有435.7mm，但降水集中。7-9月约占全年总降水量的60～70，对本区工作面开采也有一定的影响。 （三）充水通道 主要是冒落带和导水裂隙带。煤层开采后，冒落带和导水裂隙带波及地表或第四系松散砂层含水层，从而引起地表水、大气降水和地下水沿其涌入井下。 当正常基岩不发生变形破坏时，松散层水和风化基岩裂隙水就不会涌入矿井，而煤层开采，必然会破坏围岩应力平衡状态，发生顶板冒落和裂缝，形成充水通道。其规模取决于采高、采空程度及上覆基岩的厚度和岩性。2-2煤层采高按3.00米、3.20米、3.50米考虑，其顶板为砂岩、粉砂岩，单轴抗压强度一般20～40MPa，属中硬岩石，按煤炭工业部建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程（简称‘三下规程’）中的计算方法，冒落带高度、导水裂隙带发育高度计算公式分别为 计算公式如下 冒落带高度（m）Hm2.2 导水裂隙带高度mHI5.6 防水安全煤岩柱高度（m）HshHIhb1Hf 防沙安全煤岩柱高度（m）HsHmHb2 式中∑M累计采厚（m） Hb1防水安全煤岩柱保护层厚度（m）； Hb2防沙安全煤岩柱保护层厚度（m）； Hf风化层厚度（m）。据矿区多年经验，以强风化层厚度（一般为35m）代替较为合适，强风化层厚度的取值为Hf≤3m，同Hf；3m＜Hf≤10m，取3m；Hf＞10m，取5m。本工作取5m。 Hb1、Hb2的取值为 Hb16A Hb23A 式中A，n为分层数，为2-2煤，n1。 以上述公式对2-2煤进行计算，煤层采厚取3.50米时，冒落带最大高度12.07m，防沙安全煤岩柱高度22.50m，导水裂隙带最大高度43.64m，防水安全煤岩柱高度69.64m。煤层采厚取3.20米时，冒落带最大高度11.6m，防沙安全煤岩柱高度21.20m，导水裂隙带最大高度42.30m，防水安全煤岩柱高度66.50m。煤层采厚取3.00米时，冒落带最大高度11.2m，防沙安全煤岩柱高度20.3m，导水裂隙带最大高度41.3m，防水安全煤岩柱高度59.3m。虽然2-2煤层上覆基岩厚度（正常基岩）绝大部分大于防沙安全煤岩柱高度，但导水裂隙带最大高度在古冲沟附近均大于2-2煤层上覆基岩厚度。从计算结果可以看出，冒落带直接成为充水通道的可能性不大，而裂隙带基本在古冲沟附近都能达到松散含水层，勾通松散层含水层成为充水通道。另外本区含水层厚度较大，富水性中等～强，补给区域大，上部基岩风化强烈，地质及水文地质条件与瓷窑湾煤矿涌（突）水事故区域相似， 因此，在古冲沟区域应采取必要的防治水（沙）措施。 （四）充水强度 本工作面的充水强度与多种因素有关，主要与上覆基岩厚度、岩石特性、含水层厚度及富水程度、降雨强度、开采方式等因素有关。 当上覆基岩厚度很薄，一般处于古地形低洼地段，含水层厚度也较大，富水性中等～强地段，工作面通过该段时，将会出现突水溃沙事故，含水层静储量及迳流量瞬时溃入井下，充水强度最大。 当上覆基岩厚度较大，处于古地形较高位置，含水层厚度相应较小，富水性弱地段，工作面通过该段时，矿井涌水量主要为井巷工程所产生冒落带和导水裂隙带波及范围含水层重力释放水量，充水强度较小。 降水对矿井充水强度的影响是显著的，根据本区特点，一般降雨多集中在7、8、9月份，一日最大降雨量136.3mm，短时间的强降雨会产生超渗产流，形成地表径流，向采后地面形成的塌陷坑汇集，迅速补给地下水及沿导水裂隙进入井下，使矿井充水强度明显增大。 三、防治水及顶板注浆方案 3.1编制依据 本次工程施工组织设计编制依据如下 22302工作面含水层厚度等值线图地测公司 22302工作面2-2煤上覆基岩厚度等值线图地测公司 22302工作面2-2煤松散层厚度等值线图地测公司 工程测量规范 GB50026-93 矿井防治水规程2004版 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程煤炭部 勘察机械使用安全技术规程 本公司对注浆施工技术能力和机械设备能力及相关工程的施工经验。 3.2处理范围 本次处理范围为22302工作面回顺附近2-2煤层上覆基岩厚度小于41.3m内的富水性中等～强的富水区范围。处理结果为将基岩厚度小于41.3m的区域加固至41.3m，处理深度为进入风化基岩2.00米，单孔平均处理高度约10.80m。 根据最近的松散层调查孔资料，工作面中部尚存在基岩厚度小于40米范围，考虑到工作中部基岩裂隙发育程度一般小于两侧的基岩裂隙发育程度，故注浆范围只选择22302工作面回顺一侧，即冲沟下游地段。 3.3主要水文地质参数 （1 根据三下采煤规程，采厚按3.00米考虑，中硬岩石冒落带高度经验公式计算导水裂隙带高度为41.30m。 （2）根据地面Ss1水文孔8月13日观测数据该区域松散含水层厚度为40.3m。另据T42号孔2-2煤层上覆基岩总厚度（包括强风化基岩层）仅为30.70米。 （3）从近期疏放水钻孔来看，辅运78联巷施工的T21初始泄水量为40m3/h，79联巷施工的T20初始泄水量为64.4m3/h，80联巷施工的T19初始泄水量为16.5m3/h。说明该区域松散含水层厚度较大，富水性强，与地面水文孔观测反映的情况相同。 （4）由于松散层岩性多为粉细砂、泥质砂土，粒级较小，部分钻孔疏放水过程中曾流沙堵孔，与井田南侧紧邻的哈拉沟矿井的原瓷窑湾煤矿涌（突）水事故岩性地层及含水层情况相近，说明本工作面松散层有溃水溃沙可能。 3.4同类工程经验 我公司近年在神东矿区及周边施工的同类及其类似灌浆、注浆工程较多,主要有 1、1995年12月受原神府公司供电处委托，大柳塔变电站采空区及其煤层火烧综合治理工程，采用粉煤灰水泥浆注浆。工程效果良好。 2、1996年8月受原神府公司活鸡兔煤矿委托，对李家畔煤矿采空区及其煤层火烧区工作面进行治理，采用粉煤灰--水泥浆注浆。工程效果良好。 3、1998年4月受大柳湾煤矿委托，对大柳湾煤矿煤层火烧巷道进行治理封堵工程，采用细砂水泥浆注浆。工程效果较好。 4、2004年5月受神东公司委托，对哈拉沟煤矿产品仓火烧区注浆，采用水泥浆及水泥-水玻璃浆进行注浆。工程效果良好。 5、2004年8月受神东公司委托，对哈拉沟煤矿3，4号新增产品仓火烧区注浆加固，采用水泥浆及水泥-水玻璃浆进行注浆。工程效果良好。 6、2006年6月受陕煤集团委托，对柠条塔煤矿主井及副井围岩加固及火烧岩地下水进行封堵注浆工程，采用水泥浆及水泥-水玻璃浆进行注浆。工程效果良好。 7、2006年8月受鲁能集团委托，对朔洲兴淘煤矿火区注浆处理，采用水泥浆及水泥-三乙醇胺旱强剂或阳泉一号速凝剂。浆进行注浆。工程效果良好。 6、2007年5月受陕煤集团委托，对柠条塔煤矿副井矿井“突水”事故突水区突水点进行封堵注浆工程，采用水泥浆及水泥-水玻璃浆进行注浆。工程效果良好。 8、2008年3月受原神东煤炭分公司煤矿委托，对上湾煤矿51208工作面白家渠段古冲沟上覆基岩加固工程，采用劈裂袖阀管水泥浆注浆。达到设计目的。 9、2008年6月受原神东煤炭分公司煤矿委托，对大柳塔煤矿五当沟小窑着火巷道封堵工程，采用碎石、细砂及水泥浆注浆。达到设计目的。 10、2010年8月受神华乌海能源公司委托，对影响苏海图煤矿大巷的煤层火区进行封堵工作，采用膨润土-黄泥浆、固化泡沫材料进行封堵注浆，现已初见成效。 以上工程均与本工程相同或类似，积累了大量的注浆技术数据（例如扩散半径、注浆材料、配比、钻探参数及注浆泵压等参数）和现场施工管理经验。 3.4加固方案 本次工程本着“突出重点、表本兼治、宁强勿弱、多措并举、不留隐患”的原则，采用“拦截侧向补给水、顶板围岩注浆固结、预留防范应急注浆通道”的方法进行。 手段一地表施工拦截侧向补给水源的多管井，内侧施工抽取其静储量的多管井，以最大可能降低松散层含水层的厚度，减少矿井涌水量。 手段二地面注浆是使导水裂隙带高度范围内的松散层固结,形成固结体；在回采顶板跨落时固结体形成块状或片状，达到加固顶板防止溃沙的目的。 手段三为“溃砂应急预案”，工作面回采过程若局部出现溃沙现象，可利用已施工好的多管井作为注浆通道，必要再施工少量钻孔，采用“水玻璃浆-水泥浆双液”进行注浆可在1-2小时内固结流砂，减小损失。 3.4.1进一步降低地下水位（手段一）多管井及管井施工工艺参数如下 （1）、设计治理范围为22302工作面2-2煤层上覆基岩厚度小于41.3m的富水区周边。 （2）、继续进行井下探放水钻孔放水记录工作。 （3）、在治理地下水侧向补给周边区域施工三管井形成拦截侧向补给水的帷幕。其间距为28米，三管夹角为15度，控制距离为10.7米。共布置13组，每组三管、每管40米，合计1560延米。 （4）、在治理区域内为了抽取静储量布置了15组五管井。其间距为35米，五管夹角为18度，控制距离为13米，沿中心孔四周布置。共布置11组，每组五管、每管40米，合计3000延米。 （5）、多管井钻孔结构、孔深钻孔基本结构为松散层φ63㎜，水冲成孔，下入1寸半的朔料管，钻孔终孔层位为基岩面。 （6）、多管井广布整个治理区，平均不到10米范围一个管井，前期作为抽水管井施用，回采过程作为备用注浆孔施用。 3.4.2地面注浆加固（手段二）施工工艺参数如下 （1）设计处理范围为22302工作面2-2煤层上覆基岩厚度小于42.3m的富水区内。 （2）注浆钻孔间距采用66米，钻孔416个。扩散半径大于4米。 （3）灌浆宽度根据基岩厚度等值线图圈定。 （4）施工顺序成孔施工应遵循由内向外的施工的原则，在施工过程中根据钻孔情况修改基岩厚度等值线，及时调整施工方案。 （5）钻孔结构、孔深钻孔基本结构为松散层φ91㎜，钻探工艺要求全孔取芯，干孔钻进观测水位或泥浆钻进提浆观测水位；下入φ50㎜的袖阀管，钻进入正常基岩1m终孔。 （6）注浆管选用50㎜袖阀管，注浆段顶部到注浆段底部高度约为5-14m，下入袖阀管，袖阀管外侧灌入粉煤灰；上部采用多级孔径托盘止水封闭，连接部3m范围内为反扣。确保在注浆过程中浆液不会从封闭处溢到非注浆段，用稠浆从井口灌入注浆管外侧，为减短凝固时间可加入水泥重量2的速凝剂。 （7）钻孔灌浆灌浆材料为水泥及水拌合而成。水泥与水体积比为10.3～0.4，先稀后稠。如空隙较小时加入素水泥浆1～5‰的三乙醇胺及聚丙稀铣胺。 （8）注浆压力以泵压4.50～6.0Mpa为注浆结束标准。处理高度为将基岩厚度小于42.3m的区域加固至42.3m。 （9）注浆方式采用跳孔间隔全孔一次性注浆方式，本次采用袖阀管定位压力劈裂注浆方法进行。 （10）裂隙率按0.50计算。 3.4.3回采时若出现漏砂时双液堵砂应急预案（手段三）施工工艺参数如下 （1）、在前期施工的多管井广布整个治理区，平均距离不足10米，回采过程作为备用注浆孔施用。 （2）、若出现局部漏砂现象，在第一时间内通知我公司现场值班人员，在井下确定漏砂位置后，在图上马上确定最近的两个孔进行双液注浆。可在1-2小时内将流砂固结。 （3）、注浆材料采用水玻璃-水泥浆，水泥浆水灰比可根据渗漏情况在0.50－1.0之间调整，水泥－水玻璃的参考配比（Ｃ／Ｓ）为１0.3－0.5体积。一管注水泥浆、一管注水玻璃。 （4）、备用材料量水泥50T，水玻璃40T，水200方；备用设备钻机1-2台，搅拌站一套，搅拌机1-2台，发电机1台。 3.5加固效果预测 通过地面注浆使导水裂隙带高度范围内的松散层形成固结体；在回采顶板跨落时固结体形成块状或片状，不会形成流沙,可以有效防止溃沙现象。 3.6.注浆工程初步设计预计工程量 1、本工程预计注浆钻孔416个，钻探总进尺为16640m；注浆段总长度为4492.8m,多管井备用注浆管总延米4560m。在实际施工过程中，根据实际勘探的基岩厚度情况增加或减少钻孔数量。 2、注浆钻孔注浆材料预计量 A.水泥 1797T B.水 2740T C.聚丙稀铣胺 3.90T D.三乙醇胺 2.57T G.注浆实管 12140m H.注浆花管 4500m K.注浆管托盘 416个 L．抽水设备 28台 3.7施工进度计划 钻孔注浆工程总工期为45天。 15