煤层底板超前注浆加固定向孔注浆工艺技术_李长青.pdf

第42卷第4期 2014年8月 文章编号I001-1986201404-0059-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西西安710077;3.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054 摘要煤层底板交水是矿山建设与生产过程中的主要灾害之一。底板i主浆加固技术是目前我国防 治底板交水的重要措施和方法。利用走向孔进行煤层底板超前注浆加固，对j主浆的层位与注浆材 料选取、i主浆工艺制定、注浆方法和浆液配直进行了系统研究；针对走向孔的特点对注浆效果检查与 许价进行了完善，并通过赵固一矿11151工作面现场进行了验证。试验表明，所采取的注浆工艺技术 很好的保障了注浆和钻进施工，j主浆加固效果明显，实现了工作面超前区域注浆加固的目的． 关键词－煤层底板；超前注浆加固；走向孔；注浆工艺技术 中图分类号TD74文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2014，悦目013 The grouting technology of directional borehole for pre-grouting reinforcement in coal floor LI Changqing1, FANG Jun23, LI Quanxin2，丑ANGWenhao1, ZHANG Hongjian 1. Jiaozuo Coal Company, Hen an Energy Group, Xinxiang 453634, China; 2. Xian Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xian 710077, China; 3. Xian Uniνersity of Science and Technology, Xian 710054, China Abstract Water inrush from coal floor is one of the main disasters in mine construction and mine productio口、 brings great risks and losses to the coal mine safe production with huge destruction, floor grouting reinforcement technology is an important measure and for water prevention. Using directional borehole to conduct reinforcement by pre-grouting will be an important development and promotion direction of floor grouting reinforcement technology in the仇1ture.According to the characteristics of directional drilling, this paper has systematically studied selection of grouted horizon and grouting materials, grouting technology, uation criterion of grouting effect, grouting reinforcement technology is ed. The tests in face 11 151 of Zhaogu mine show that the grouting technology is reliable and advanced to ensure grouting and drilling, the effect of grouting reinforcement is evident, achieves the goal of reinforcement by in-advance regional grouting in working face. Key words coal floor; pre-grouting reinforcement; directional borehole; grouting technology 注浆工艺技术是一项实用性很强、应用范围很 广的按人的意志改变岩体（层）水文地质条件的工程 技术（1-3］。注浆加固基本原理是将某些能很好的与岩 土体固结的浆液在一定压力和时间作用下注入到岩 土体的孔隙、裂隙中去，通过脱水、固结或胶凝使 岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构 体，从而达到改善岩土体的物理力学性质或改变不 利于开采的水文地质条件的目的。 注浆技术在煤矿底板水害防治中得到了应用。 目前，多采用常规钻孔对底板进行注浆加固，导致 钻孔施工量大，只能在巷道掘进后进行注浆加固［牛7]. 还可能出现加固盲区。针对其技术的不足，将定向 收稿日期2013-07-01 基金项目同家科技重大专项课题（2011ZX0504 l-OO 1 孔钻进技术引入到煤矿井下，利用定向孔实现煤层 底板的超前注浆加固。 由于定向孔在底板的空间轨迹及钻孔深度等多 个方面均与常规钻孔有较大的 区别．因此 ，需要针 对性地对其注浆技术进行重点研究。 l 注浆设计原则 合理的注浆设计能有效减少钻孔数量，提高注浆 效果，方便现场施t。在注浆设计时应注意以下原则 a.均匀布孔的原则。常规钻孔为伞状布孔，而定 向孔为平行单排孔，钻fLJiiZ尽量布满整个t作面，并 且工作面外围加固范围30m以上，且应尽量均匀布孔。 作者简介李长青（1969一），男，河南南阳人，高级丁．程师，从事煤矿地质与水文地质丁－作． ChaoXing 60 煤田地质与勘探第42卷 b.方便施工的原则。由于多个钻孔需要在同一 个钻场施工，注浆设计时应考虑钻孔注浆和钻进的 相互影响，避免互相干扰。 c.注浆设计时，应将技术上的可行性和经济上 的合理性综合起来考虑。 d.注浆的目的一是堵水，二是加固，应选择适 直的注浆材料。 e.对注浆施工中的注意事项和可能发生的问 题考虑周全，避免出现安全事故。 2 注浆层位与注浆材料 2.1 洼浆层位与加固半径 煤层底板超前注浆加固定向钻孔布孔层位选取 时应注意考虑、以下问题a.钻孔应布置在含水层或 裂隙发育较多的地层中；b.目的层位距煤层垂距合 适．不可太大，若太大则定向钻孔施工困难；也不 可太小，若太小则无法起到解决工作面区底板含水 层的补给通道，增加隔水层厚度的目的，更无法保 证注浆施工的安全；c.目的层位的硬度应适合定向 钻进，且地层稳定．尽量不在坚硬或破碎地层中钻 进，以避免成孔困难及钻进效率低。 我同华北及华东地区二叠纪下统山西组煤普遍 发育，储量丰富，是许多矿区的主要开采煤层之一。 但是煤层下部地层水文地质条件比较复杂，是我国 煤层水害影响最多的区域。该地区煤层以下底板赋 存有几个含水性很强的灰岩岩溶含水层，主要是太 原组8～10层薄层灰岩含水层、奥陶系灰岩含水层、 寒武系内云质灰岩含水层。 煤层底板为海相泥岩和砂质泥岩，在华北和华 东地区普遍发育，其存在于煤层与太原组灰岩之间， 岩性致密均匀，隔水性能好，当海相泥岩深度大于 煤层底板的强扰动深度时才能选择加固这一层位， 再则即使海相泥岩得到了充分加固，也不能实现阻 止底板突水的效果。此外，泥岩地层容易发生缩径 等钻孔事故，在其中施工长距离定向孔危险性较大， 一般不建议选择该层位。 太原组灰岩被存在于其中段的一组砂质泥岩隔 水层分为上、下两段含水层，上段是L1-s灰岩，下 段为L1_4灰岩，该隔水层可起到阻断L1-4灰岩与L1-s 灰岩之间水力联系的作用。Li-4灰岩以下为本溪组 地层，地层较厚时可有效阻隔奥陶系与Li-4灰岩之 间的水力联系。之下的奥陶系灰岩含水层、寒武系 白云质灰岩含水层水量和水压很大，但其一般距离 煤层较远，底板注浆加固困难。 太原组下段Li-4灰岩灰岩一般垂深较大，且距 奥陶系灰岩和寒武系白云质灰岩强含水层较近，定 向孔施工时突水风险较大，不适合布置定向钻孔。 L1-s灰岩上下均有一层隔水层，可注性强，能够承 受较高的注浆压力，且距离煤层垂距合适，当在其 中进行注浆加固后，可将两个隔水层联系起来，大 大增加隔水层厚度，确保煤矿安全生产。 综合以上考虑，定向钻孔的布孔层位可以根据 实际底板情况进行选择，尽量布置在L1-s灰岩之间， 具体层位的选取可根据岩层硬度是否适合定向钻进 范围及钻进安全性等方面来确定。 2.2 洼浆孔间距 底板超前注浆加固定向孔间距可依据单孔注浆 扩散范围确定，根据赵固一矿施工常规钻孔所积累 的经验值，一般单孔注浆扩散范围为25～30m，在 设计定向孔时，钻孔间距应定在50～60m。 2.3 注浆材料 由于煤矿井下工程的特点，要求注浆材料具有 以下性能凝胶体或固结体的耐久性和抗渗性较好， 受环境因素的影响小；浆液的胶凝或固化时间可根 据需要进行调节，具有较满意的强度；浆液无毒， 对环境无污染，而且灌注工艺比较简单；注浆材料 来源广泛，价格相对低廉，贮存、运输方便；要求 浆液有一定的抗液化能力，即使在地震情况下也不 发生液化”］。 目前煤矿井下常规钻孔使用的注浆材料有水 泥、粉煤灰、黠土水泥浆等，而在定向孔注浆加固 时，钻遇目的层距离长、注浆量大、若采用分段注 浆时还需多次透孔等，则使多个材料在定向孔注浆 中受限。对含水层和地层裂隙所进行堵水改造，黠 土水泥浆既有良好的堵水性能和较好的加固强度， 同时还具有环境污染小、成本低、工期短等优点， 成为一种理想的注浆堵水材料而大量使用［9］。在断 层破碎带、出水量大等需要增加加固强度的地段， 还应增加水泥材料的含量或者用纯水泥浆注浆，达 到快速加固的目的。 3 洼浆工艺 3.1 注浆方式及工艺流程 注浆方式是指在施工中所采用的注入方式，目 前煤矿井下常规钻孔均采用全孔一次性注浆。但是 定向孔孔深较长，采用全孔一次性注浆时，注浆段 落长度过大，地质构造存在很大的差异性，会产生 均一性很差的注浆效果，长距离注浆时大裂隙较多， 浆液将首先顺岩层交界面渗透、填充，然后沿空隙 或裂隙度较大的部位渗透。在裂隙度和空隙较小的 ChaoXing 第4期李长青等煤层底板超前注浆加固定向孔注浆工艺技术 61 部位渗透能力小，从而无法形成连续的注浆帷幕， 继而导致注浆效果较差［10-12］。因此，针对定向孔应 采用前进式分段注浆方式进行注浆。 前进式分段注浆是指采用钻、注交替作业的一 种注浆方式，即在施工中，实施钻一段、注一段， 再钻一段，再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注 浆施工。其施工工艺流程见图l。 罔l前进式分段注浆施工工艺流程图 Fig. I Flowchart of construction technology process of marching segmented grouting 3.2 注浆顺序 单个定向孔采用前进式分段注浆方式进行注 浆，而多个定向孔组成的集柬型定向孔群更要合理 设计钻孔的注浆顺序，注浆顺序选择的合理与否对 注浆效果影响很大。 a.由外到内注浆根据约束发散原则，先注外 部定向孔，形成约束，再注内部定向孔，从而实现 底板注浆的逐步挤压密实作用。 b.跳孔注浆注浆施工时，由于受前期注浆孔 的影响，后期注浆孔将会随着注浆压力或其他因素 而发生偏流，且注浆量也会减少。因此，在注浆施 工中，采取跳孔注浆可以逐步实现约束注浆，使浆 液注浆达到挤密压实，促进注浆体的连续。而且跳 孔注浆也可避免干扰相邻钻孔施工，保证钻孔钻进 和注浆的安全。此外，后序注浆孔也是对前序孔注 浆效果的检查与评定。 c.相邻孔错位注浆当必须对相邻定向孔同 时进行注浆或钻进等施工时，应合理进行施工组 织，实行错位注浆，相邻定向孔注浆或钻进段落 应至少间隔一个注浆段，比如A钻孔进行第N段 注浆时，相邻B钻孔不能对N-l至Nl段进行注 浆或定向钻进．以避免发生窜浆．影响相邻定向孔 钻进施工。 3.3 注浆参数 3.3.1 注浆段落长度 采用前进式分段注浆方式进行注浆必须首先确 定注浆段落长度。注浆段落长度是指注浆加固的纵 向范围。注浆段落长度选取与地质条件、钻进T艺、 注浆工艺有关。如果地质条件越复杂，注浆效果会 受到一定的影响，因此注浆段落长度应适当缩短； 钻孔距离越长，岩粉不易排出，钻进效率越低，同 时钻孔倾角增大，会影响注浆效果，此时注浆段落 应当缩短；同时根据大量往；｝工程实践表明，注浆 存在“契形效应”，即越向前浆液难以扩散，逐渐注 浆效果越差，因此注浆段落宜选取合理的范罔［13]0 注浆段落长度可根据经验公式选取 L 35B I 式中L为注浆段落长度，m;B为注浆加固半径，m 3.3.2 注浆速度 注浆速度的选取主要取决于注浆材料的种类、地 层有效吸浆能力和注浆机械特点及工期要求等（14-15］。对 于定向孔进行煤层底板注浆时注浆速度建议控制在 610 m3剧，当长时间注浆压力上刑缓慢时可适当增加 注浆泵量；当快达到注浆终压时应适当降低注浆泵量。 3.3.3 浆液的体积质量 黠土浆体积质量稳定在l.12t／旷左右，控制在 1.151.20 t/m3，按照先稀后浓的原则，分梢控制。 根据定向孔注浆特点选择采用黠土水泥浆，勃土水 泥浆具有很好的可注性。黠土水泥浆体积质量应根 据浆液渗透性、强度、凝胶时间、带度和结石率等 重要性能指标综合确定，本处黠土水泥浆体积质量 是蒙古土水泥浆常用范围，由注浆加同研究领域浆液 配比试验和注浆施工经验综合优选确定，注浆时先 稀后浓，先使浆液进入裂隙，然后加大体积质量进行 填实。 3.3.4 注浆结束控制标准 实践证明，黠土水泥浆注浆压力越大，扩散的 范围越大，对裂隙充填越饱满，形成的结实体强度 也就越高，但j王力超过定限度时，容易造成巷道 底鼓跑浆，因此需要制定合理的注浆结束控制标准。 采用定It-方式进行控制，压力以孔口压力为依 据，不得低于水店的2.5倍，持续时间为30min以 上。出现底鼓、漏浆等异常情况时可提前停止注浆， 其余情况达不到要求不得结束注浆，未达到注浆压 力需要透孔后继续注浆。 ChaoXing 62 煤田地质与勘探第42卷 4 注浆方法和浆液配置 4.1 洼浆方法 由于煤矿井下空间狭窄，定向孔需要的注浆量 较大，因此不适合采用常规注浆加固钻孔经常使用 的井下造浆和注浆方法，而应采用地面注浆的注浆 方法，即在地面注浆站集中造浆，通过专用高压管 路送浆．利用注浆孔向含水层和隔水层注浆。 每次注浆前都要对注浆管路进行耐压试验，耐 用试验月二力达到注浆最大压力以t，稳、压30min为 合格，注浆时孔口需安装双压力表进行观测，并保 护好孔门，注意观察顶底板。 根据注浆速度设计结果，地面注浆泵可选用 SGBIS-12或3ZB15/ 12-45型泥浆泵。 4.2 浆液配置与注浆流程 浆液配制过程及注浆流程见罔2。 ｜「K7I布辅送 在线（（视，一参数今内功ii...；革 阁2地面注浆浆液配制及注浆流程罔 Fig.2 Grout preparation and grouting process 5 注浆效果检查与评价 定向孔对丁－作面进行超前注浆加固后需要对注 浆加同效果进行检查和评价，以安排下一步施工。 注浆效果可通过以下方法进行检查和综合评价。 5. 检验孔评价 根据定向孔H-1水量、裂隙发育情况及其与奥灰 之间的水力联系情况，有针对性布置检查孔，检查 孔的布置要重点考虑构造复杂地段、含水层相对富 水区以及注浆质量相对较弱的地段。若检查孔涌水 量大于规定值，贝lj需钻进常规钻孔进行补充注浆， 直到检查孔水量小于规定值为止。 5.2 物探检查 在注浆改造之前先进行物探，有针对性地布孔， 注浆之后再进行物探检查对比，从而检查注浆改造 的效果，多采用直流电法和瞬变电磁法，最好两种 方法同时使用效果会更佳。 5.3 注浆量评价 根据注浆量与周围工作面注浆情况对比，判断 定向孔注浆加固效果。 5.4 施工评价 根据工作面巷道掘进和回采出水量等施工情况 对注浆效果进行评价。 6应用 6.1 工作面概况 11151工作面位于赵固一矿东盘区，走向长460m, 倾斜长195m，面积89700 d，工作面为二l煤层， 煤层厚度6.0-6.4m，平均厚度为6.24m，煤层倾角 在0-6.6，煤层平均倾角3.1。，煤层赋存稳定，结 构较简单。 该工作面水文地质条件较复杂。主要充水水源 为底板Ls灰岩水和下部奥灰水，Ls灰岩平均厚8.4m, 局部岩搭发育，富水性较强，上距二l煤底板平均 25.2 m, L8灰岩水位＋50m左右，水压5.0MPa，突 水系数0.198MPa/m，大于突水临界值，工作面回 采时底板突水可能性极大，对该工作面进行了底板 含水层加固。 6.2 注浆设计与施工情况 在l1151工作面设置了2个钻场，设计了5个 钻孔，实钻6个钻孔，组成集束型定向孔群，用于 对整个工作面进行注浆加同，注浆定向孔布置和实 钻平面示意图见图3。 由于Ls灰岩硬度较大，定向钻进困难，因此定 向孔的目的层位为Ls灰岩下的砂岩，注浆材料为黠 土水泥浆，采用地面高压注浆的注浆方法。各定向孔 均采用前进式分段注浆工艺，注浆段落设计为lOOm, 6个定向孔共分为21个注浆段进行注浆。该集束型 定向孔群施工和注浆顺序依次为l号钻孔、5号钻 孔、4号钻孔、2号钻孔、5－补哥钻孔及3号钻孔。 先进行l号钻孔和5号钻孔两个外围钻孔注浆，形 成约束，然后按照跳孔注浆原则施工4号钻孔和2 号钻孔，当最后必须对2号钻孔和3号钻孔进行相 邻钻孔施工时，采用错位注浆。注浆结束控制标准 为注浆压力达到13MPa；注浆速度选择为注浆泵3 档，即6.1m3/h，特殊情况下可采用4档，即9.7m3/h; 检查孔出水量不应超过10m3/h。施工的定向孔孔内 出水情况及注浆情－况见表l。 6.3 注浆效果检查与评价 根据定向孔出水情况及注浆情况可看出，由于 ChaoXing 第4期李长青等煤层底板超前注浆力口固定向孔注浆工艺技术 63 11151）段’山顺楠 I\--, J 川51工作而 一一一一一设计钻-fL 阁3钻孔设计与实钻平面图 Fig.3 Design and actual drilling plan of directional boreholes 表1钻孔出水情况及洼浆情况统计表 Table I The statistics of water yield and grouting in boreholes 孔号 H水次数 最大11,J（盘 注浆 次数 注浆盏 ／次 /m3Y1 ／次 /mJ 9 35 5 14 889.303 5 6 JO 4 I 633.203 4 5 8.4 4 92 I .294 2 3 10 3 646.767 5－补。。58.938 3 4 125.631 采用前进式注浆方式，充分发挥了定向孔的注浆效 果，单孔最大注浆量达到14889.303 m3，远远超出 了相邻工作面常规钻孔单孔注浆量；先施工的钻孔出 水最多．同时注浆量也最多，后施工的钻孔几乎不出 水，且注浆量非常少，充分体现了注浆约束作用和定 向孔区域注浆效果；而跳孔注浆和相邻钻孔错位注浆 也很好的保障了定向孔顺利施工。 定向孔注浆结束后在l1151工作面上巷和下巷 共布置了72个常规检验孔，定向孔注浆加固范围内 的检验孔施工时孔内归水量均未超过规定值，底板注 浆加固效果显著。 11151工作面上巷和下巷掘进过程中，未出现底 板起鼓或突水现象。l1151工作面目前已回采完毕， 未出现突水现象。 7结论 a.采用定向孔对工作面底板进行超前注浆加固 是一种先进的煤层底板水害防治办法。本文结合定向 孔特点，对注浆工艺技术进行了研究，现场试验表明， 制定的技术方案合理可行，可很好的实现预期目标。 b.定向孔钻遇目的层位距离长，且钻遇地质构 造几率大，注浆加固效果明显，与常规钻孔结合可实 现工作面区域超前注浆加固。 c.由于底板注浆加固钻孔深度垂深较大，存在 钻孔岩屑清理困难的问题，孔内117.K有利于钻孔排渣． 而孔内清洁程度影响注浆加固效果，尤其是每个注浆段 的后30m注浆效果受孔内残余岩屑影响较大。 参考文献 川刘义永．注浆改造技术在矿井防治煤层底板承W-.水中的应用［巧 煤炭技术，2005, 249 11 I－门2. 2］靳德武我同煤层底板突水问题的研究现状及展望rJJ.煤炭科 学技术.2002. 306 1-4. 3］虎维岳．矿山水害防治理论与方法［MJ.北京煤炭「业出版 丰士．2005. 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