葫芦素煤矿缓冲硐室壁后注浆堵水技术_刘成勇.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 固体充填开采技术[1]以煤矸石、 粉煤灰等固体废 弃物为充填物料， 通过地面矸石运输系统、 垂直矸石 投放系统、 井下矸石运输系统将矸石运输至井下充填 工作面。 其中矸石垂直投放系统是充填采煤运输系统 的咽喉工程， 决定着矸石给料的稳定性和井下巷硐的 安全性[2]。 1工程概况 葫芦素煤矿是中煤能源集团作为固体充填开采 的矿井之一， 该矿井设计生产能力 13.0Mt/a， 矸石产 量约为 2.0Mt/a。 矸石投放井设计孔深 600.8m， 根据投 放井周围的钻孔柱状图及水文钻孔资料可知， 矸石投 放井经过的主要承压含水层为第四系松散孔隙含水 层， 白垩系孔隙、 裂隙含水层， 侏罗系砂岩裂隙含水 层。缓冲硐室位于矸石投料管下方， 埋深约为 598m， 其断面为矩形，设计断面净高度 3600mm、净宽度 6500mm， 净断面 23.4m2。 设计支护形式为锚网索 钢 筋砼砌碹支护， 其顶底板主要由砂质泥岩和细粒砂岩 组成， 顶底板岩性示意图如图 1 所示。由于投放管在 固管的过程中， 注浆管出现破裂提前返浆， 未能实现 达到 “连续上返、 全段充填” 的固井要求。 另外， 位于直 罗组下部的缓冲硐室开挖以后， 其周围岩体的应力状 态发生改变并出现应力集中现象， 集中应力致使围岩 破裂， 并从巷道周边扩展至围岩深部， 形成围岩松动 圈， 围岩松动圈内的岩体渗透性增加[3,4]。为了防止含 水层的水沿着投放管外壁与井壁可能存的裂缝以及 缓冲硐室周围岩体的松动圈进入缓冲硐室， 对矿井的 安全生产造成危害，综合现有技术条件下的治理经 验， 决定对缓冲硐室进行壁后注浆堵水工艺。 2壁后注浆堵水原理 壁后注浆堵水原理是以注浆泵为动力， 将具有胶 结性能的有机材料或无机材料制成的浆液， 通过注浆 孔注入到围岩的孔隙或裂隙中， 达到封堵裂隙和隔绝 水源和空气的目的[5,6]。 此外， 在裂隙含水岩层中， 通过 浆液充填可增强围岩的内聚力、 杨氏模量以及内摩擦 葫芦素煤矿缓冲硐室壁后注浆堵水技术 刘成勇 1, 刘永强2, 秋丰岐1， 吴玉意1 （1. 中煤能源研究院有限责任公司 ，陕西 西安 710054； 2. 中天合创能源有限责任公司 葫芦素煤矿 ， 内蒙古 鄂尔多斯 017000 ） 摘要为了防止葫芦素煤矿缓冲硐室上方含水层的水沿着投放管外壁与井壁存在的裂缝以及缓冲 硐室周围岩体的松动圈进入缓冲硐室， 对矿井的安全生产造成危害。 结合投放管周围的钻孔柱状图及 水文钻孔资料， 提出了缓冲硐室壁后注浆的堵水方案， 在分析壁后注浆堵水原理的基础上， 对注浆所 用材料及配比、 注浆压力和浆液扩散半径等参数进行了确定， 并阐述了具体的施工工艺。 关键词 投放管 ; 缓冲硐室 ; 壁后注浆堵水技术 ; ZKD高水速凝材料 中图分类号 TD265文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0021- 03 Water shutoff technology of grouting behind buffer chamber in HuLuSu Coal Mine LIU Chengyong1, LIU Yongqiang2, QIU Fengqi1, WUYuyi1 （1. China Coal EnergyResearch Institute Co., Ltd. , Xian , 710054 , China; 2. Hulusu Coal Mine , Zhongtian HechuangEnergyCo., Ltd. , Ordos 017000 , China ） Abstract In order to prevent the water in the aquifer above the buffer chamber of HuLuSu Coal Mine from entering the buffer chamber along the cracks between the outer wall of the drop pipe and the shaft wall, and the loose circle of the rock around the buffer chamber, it will cause harm tothe safetyproduction ofthe mine. Combined with the drilling histogram and hydrological drilling data around the drop pipe, this paper puts forward the water blockingscheme ofthe backwall groutingofthe buffer chamber. Based on the analysis ofthe water blockingprinciple of the backwall grouting, the parameters such as the material and ratio, the grouting pressure and the diffusion radius of the grouting are deter- mined, and the specific construction technologyis described. Keywords drop pipe ; buffer chamber ; water shutofftechnologybygroutingbehind the wall ; ZKDhigh water quick settingmaterial 21 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 角等参数， 改善围岩稳定性， 使得注浆围岩体具有良 好的承载能力， 从而降低围岩的破坏程度。 图 1缓冲硐室顶底板岩性示意图 3壁后注浆堵水方案设计 3.1注浆堵水基本思路 根据以往巷道破坏出水治理经验， 为取得理想的 破壁注浆堵水效果， 杜绝治理后可能存在返渗等较大 安全隐患， 本次注浆将采用深浅孔结合的方式进行注 浆封堵。结合缓冲硐室顶底板岩性示意图可知， 位于 硐室顶板上方 3.3m 以上的位置有一组厚约 5.6m 的 细粒砂岩含水层， 且该含水层刚好位于两组砂质泥岩 隔水层中间， 因此， 为了形成一组具有连续隔水性能 的厚约为 20m的隔水层，可对该细粒砂岩进行注浆 分隔。 3.2注浆技术参数 1 ） 注浆材料及配比。 注浆材料的选择是注浆成功 的关键， 浆液材料的类型与特性对堵塞过水通道起着 关键的作用。为了保证注浆堵水的效果，决定选择 ZKD 高水速凝材料[7]作为注浆材料， 该种材料具有细 度小、 水灰调节比大以及流动性好等优点。本次缓冲 硐室壁后注浆选用浆液的水灰比为 1.51，高水速凝 材料的力学性能见表 1， 在实际注浆的过程中， 水灰 比可根据注浆效果随时调节。 表 1注浆材料用量及力学性能 2 ） 注浆压力。壁后注浆压力宜比静水压力大 0.5～1.5MPa[8]， 结合邸春生等研究得到葫芦素煤矿侏 罗系直罗组的静水压力约为 0.1～4.6MPa[9]， 故将本次 注浆的压力控制在 6MPa 以内，潜孔注浆时压力为 0.6～2MPa， 深孔注浆时压力为 4～6MPa。 3 ） 浆液扩散半径。浆液扩散半径主要受注浆压 力、 注浆时间以及浆液初始黏度等因素的影响。结合 类似矿井注浆工程经验，为取得良好的注浆堵水效 果， 拟将浆液扩散半径控制在 2.0～3.0m范围内。 3.3注浆孔布置 注浆孔布置图如图 2 所示， 浅孔孔深 2.5m， 孔径 42mm， 每排 7 个， 其中顶板 3 个， 两帮各 4 个； 深孔孔 深 4.5m， 孔径 42mm， 每排 4 个， 全部位于顶板之上， 深浅孔排距均为 3.2m。具体钻孔布置及孔深， 根据实 际注浆情况可进行适当调整。 a注浆孔布置断面图 b顶板注浆孔布置图 c帮部注浆孔布置图 图 2注浆孔布置示意图 浅孔注浆管采用 32mm 1000mm 的无缝钢管， 壁 厚为 2.5mm；深孔注浆管采用 32mm2500mm的无缝 钢管， 壁厚为 2.5mm， 在钢管出浆端 900mm 范围内按 150mm间距对称开 6mm的圆孔。另外所有注浆管的 水灰比 WC 水用量 kg/m3 速凝材 料用量 kg/m3 初凝 时间 min 1.51813542104.65.68.811.0 单轴抗压强度MPas 2 小时1 天3 天7 天 22 ChaoXing （上接第 20 页） [1] 涂强,尹小强.沿空留巷矸石墙代替煤柱喷浆控制技术[J]. 煤矿安全,2019,50 （08） 75- 79. [2] 苗青旺.沿空留巷无煤柱开采力学模型及工程实践[J].煤 矿现代化,2019 （05） 142- 144. [3] 范子伟. 坚硬石灰岩顶板大采高无煤柱沿空留巷围岩结 构及变形特征[J].煤矿现代化,2019 （04） 178- 180. [4] 邬雨泽. 浅埋煤层复合顶板无煤柱回采巷道支护技术研 究[D].中国矿业大学,2019. 作者简介 任建忠 （1983-） ， 男， 山西省孝义市人， 1983 年毕业于太 原理工大学阳泉学院采矿工程， 工程师， 从事工作 采矿。 （收稿日期 2019- 12- 16） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 进浆口处均需加工 30 mm 丝扣，以达到与快速接头 相连接的目的。 4壁后注浆施工工艺 壁后注浆施工工艺流程如图 3 所示， 主要步骤如 下 1 ） 钻孔。 根据设计的注浆孔参数， 使用 7655 型风 钻施工注浆孔。 2 ） 封孔。 封孔质量的好坏直接决定了注浆的成败 与否，封孔具体方法是在封孔段使用棉纱进行缠绕， 并将缠绕好的棉纱蘸取一定的水泥浆液， 然后将其塞 入注浆孔中， 并在端部使用快硬水泥捣实， 潜孔封孔 长度为 600mm， 深孔封孔长度为 1200mm。 3 ） 注浆。 封孔 24 小时以后方可进行注浆， 注浆时 应采用 “先两帮后顶板、 先潜孔后深孔” 的注浆顺序进 行注浆。 4 ） 清洗。 注浆当班结束后或在注浆过程中因故暂 停注浆时， 均应使用清水对注浆所使用的设备进行清 洗， 防止因浆液凝固而堵塞注浆设备。 图 3壁后注浆工艺流程图 5结语 注浆结束后， 经过实际检验， 缓冲硐室内未出现 较大的渗水现象， 说明壁后注浆堵水是一种行之有效 的方法， 其对缓冲硐室上方含水层的水起到了良好的 封堵效果， 确保了葫芦素煤矿矸石充填开采的安全生 产。 同时， 本次注浆所使用的 ZKD型高水速凝材料固 化后强度显著高于水泥浆液固化后强度， 且其成本较 低， 产生了良好的经济和技术效益， 具有良好的应用 前景。 参考文献 [1] 缪协兴. 综合机械化固体充填采煤技术研究进展[J]. 煤炭 学报,2012,37 （801247- 1255. [2] 周琳. 充填采煤固体物料垂直投料井施工工艺研究[J]. 科 学技术创新, 2016 （33） 118- 118. [3] 郭志宏, 董方庭. 围岩松动圈与巷道支护 [J]. 采矿与安全 工程学报, 1995 （3） 111- 114. [4] 钱自卫, 姜振泉, 曹丽文, et al. 基于围岩松动圈理论的井 筒壁后防渗注浆技术研究[J]. 煤炭学报 （2） 14- 18. [5] 朱世奎, 谢文兵. 浆液在巷道围岩裂隙中扩散规律研究 [J]. 矿山压力与顶板管理, 2004, 21 （2） 56- 58. [6] 袁延, 陈锁忠, 张玉东. 注浆堵水在吴桂桥煤矿的实际应 用[J]. 煤矿安全, 2009 （09） 59- 61. [7] 侯朝炯, 周华强, 张连信, et al. ZKD 型高水速凝材料的生 产及应用[J]. 煤炭科学技术, 1993 （01018- 2165. [8] GB50511- 2010,煤矿井巷工程施工规范[S]. 北京人民出 版社,2011. [9] 邸春生, 丁湘, 黄浩. 深埋侏罗系煤层顶板水探放技术实 践以呼吉尔特矿区葫芦素矿井为例[J]. 煤田地质与 勘探 96） 96- 100,共 5 页. 作者简介 刘成勇 （1982-）男， 汉族， 辽宁营口人， 本科， 高级工程 师。 （收稿日期 2019- 11- 29） 23 ChaoXing