覆岩离层注浆浆液扩散半径计算研究——以夏店煤矿为例.pdf

第 32 卷 10 期 2020年10月 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol. 32 No. 10 Oct.2020 doi10. 3969/ j. issn. 1674-1803. 2020. 10. 09 文章编号1674-1803202010-0040-03 覆岩离层注浆浆液扩散半径计算研究 以夏店煤矿为例 杜金龙,朱开成,范玉须,方立志,牟兆刚 中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京 100039 摘 要覆岩离层注浆技术中,浆液扩散半径是个重要参数,它影响注浆钻孔布设及注浆安全。 在分析采动覆岩运 动规律基础上,对离层空间形态进行了概化,提出了离层发育高度充填压实体高度估算公式;提出利用粉煤灰注 入量计算充填压实体体积方法,推导了浆液扩散半径估算公式;利用夏店项目数据计算浆液扩散半径为 80100m, 小于经验公式理论值219234m。 建议在相似煤矿开展离层注浆项目时,注浆孔距以 80100m 为宜安全系数 0. 5。 关键词离层注浆;扩散半径;夏店煤矿 中图分类号TD745 文献标识码A Study on Overburden Separation Layer Grouting Slurry Diffusion Radius Estimation A Case Study of Xiadian Coalmine Du Jinlong, Zhu Kaicheng, Fan Yuxu, Fang Lizhi and Mu Zhaogang Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039 AbstractIn overburden separation layer grouting technology, slurry diffusion radius is an important parameter; it impacts grouting boreholes layout and grouting safety. Based on mining overburden movement pattern analysis, has carried out separation layer spatial generalization. Accordingly proposed separation layer developed height filled and compacted mass height estimation ula. Using coal fines injected volume proposed filled and compacted mass volume estimation , derived slurry diffusion radius u- la. Using Xiadian project data estimated slurry diffusion radius is 80100m, thus less than empirical ulatheoretical value 219 234m. So proposed in case of launching separation layer grouting project in similar coalmines,v grouting boreholes interval will take 80100m safety factor 0. 5 isappropriate. Keywordsseparation layer grouting; diffusion radius; Xiadian coalmine 第一作者简介杜金龙1980,男,湖北枝江人,博士,现主要从事 矿山地质环境治理与修复工作。 收稿日期2020-03-08 责任编辑樊小舟 0 前言 覆岩离层注浆技术是煤矿绿色开采、采空塌陷 治理和生态保护有效技术方法,广泛应用于“三下” 采煤,其基本原理是,利用岩移过程中覆岩内形成的 离层空间,通过地面钻孔向离层空间充填材料以支 撑覆岩,从而减缓覆岩移动向地表的传播。 在覆岩离层注浆技术中,注浆钻孔间距设计是 关键技术环节。 合理布设钻孔间距,不仅可以保证 注浆减沉效果,同时可以合理安排钻孔工作量及其 相关费用。 目前,国内学者对钻孔间距和浆体扩散 半径的研究主要集中在裂隙岩石中渗流浆体的扩 散,而对覆岩离层注浆的浆液扩散半径研究较 少[1-3]。 许家林等[4]通过研究离层发育的动态规 律,认为注浆时钻孔间距应当小于离层发育长度,为 钻孔布设提供了理论依据。 姜岩等[5]利用弹性薄 板理论提出了离层空间体积的估算方法。 于涛[6] 也对离层空间的发育进行了数值模拟,给出了钻孔 间距的经验值而没有提出具体的计算方法。 目前, 注浆施工过程中,钻孔间距设计缺乏依据,多数采用 经验公式计算,存在钻孔间距布设随意性比较大、对 浆液扩散半径认识不足的问题。 本文在前人理论研究的基础上,对浆液的扩散 规律进行研究和探讨,结合项目数据对实际扩散半 径进行了计算,并与经验公式进行了对比分析,为今 后开展类似项目钻孔布置提供了依据。 1 项目概况 1. 1 项目背景 夏店煤矿位于山西省襄垣县,产能 170 万 t/ a, 万方数据 ，。q 冀之 ∞ q E 司 辩 引 藩一 3 1 1 7 工作面 10 期杜金龙,等覆岩离层注浆浆液扩散半径计算研究 以夏店煤矿为例41 目前主采 3 煤,煤层平均厚度约 6m、埋深 400 500m,采用长壁后退式、低位放顶煤、顶板全部垮落 综采方法。 受建构筑物影响,夏店煤矿全井田压煤 710 万 t,导致矿井开采接续困难,产能无法保证。 目前正 在开采的 3116、3117 工作面,面临压煤 95 万 t,决定 在 3117 工作面开展覆岩离层注浆试验性工程,释放 煤炭资源,控制地面变形,保护建构筑物。 1. 2 注浆施工 2018 年 1 月至今开展了夏店煤矿 3117 工作面 离层注浆工程,目的是释放西风井工业广场瓦斯泵 站、发电站下压覆的 37 万 t 煤炭资源。 目前工程已 基本结束,仅进行维护性注浆。 注浆试验区北起 3117 工作面前期停采线,南至 西风井保护煤柱,西面为实体煤,东临 3117E 采空 区;宽 187m, 长 234m, 面积 43 758m2; 煤层厚度 5. 93m,倾角 12,埋深约 450m图 1。 经关键层判断及冒裂带发育情况分析,选择 3 煤上方 180m 处主关键层以下离层区为注浆层位; 根据关键层破断距及浆液扩散半径,布置钻孔 8 个,总进尺 2 105. 38m;按一定水灰比配制粉煤灰 浆液,密度控制在 1. 31. 5t/ m3;利用注水试压法 确定注浆开始时机;注浆过程孔口正常压力为 3. 54. 0MPa。 截至 2019 年 8 月 12 日累计注入 浆体 31 万 m3、粉煤灰湿灰25 万 t,采出煤体积 26 万 m3,注采比 0. 48。 注浆期间未出现突然沉降和不均匀沉降现象,截 至目前沉降速率0. 1mm/ d,小于煤炭测量规程给 出的 1. 7mm/ d 活跃临界值,区域地表处于稳沉状态。 注浆区域内最大下沉量 85. 05mm下沉系数 0. 01, 保护建筑瓦斯泵站、发电站地表最大下沉10. 88mm 下沉系数 0. 002,设备基础没有发现异常现,各变 形指标满足建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规范中对建构筑物 Ⅰ 级保护标准。 图 1 注浆钻孔平面布置 Figure 1 Grouting boreholes layout plan 2 估算方法及估算结果 2. 1 离层区空间形态 按照钱鸣高院士关键层理论,关键层下部的软 弱层发生变形后,会形成“月牙形”离层空间图 2 绿色部分,注入浆体后形成的粉煤灰充填压实体 与其一致。 在煤层水平或近水平条件下,离层发育 最大高度位于工作面中心,下部垮裂带压实程度最 高;向两侧逐渐闭合。 2. 2 离层区充填压实体厚度估算方法 浆液充填与离层发育同步进行,离层发育高度 与垮落带的压实程度有关,注浆压力越大,垮落带压 实程度越高,离层发育高度越大。 垮落带压实后残 余空间高度等效高度根据残余碎胀系数也称压 实系数计算 Lm Kr - 1HK1 垮落带最大压实处即是离层区中心最大高度 处,计算公式为 Ll M - Kr - 1HK2 最终,得到离层平均高度或者充填体平均厚 度为 T Ll/23 式中Lm 垮落带压实后残余空间等效高度,m; Ll 离层区最大高度,m; Kr 岩石残余碎胀系数-,与碎裂岩石承 受的压力、岩性有关; HK 垮落带发育高度,m,由实测确定,若未 开展相关工作,可参考附近煤矿垮采比计算,或根据 三下采煤规范提供的计算公式确定; 万方数据 1 0 8 一 R6 栅 糕4 媸 2 0 注3注4注5 ．1注5注6注7 注浆孔 42 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 图 2 离层位置 Figure 2 Separation layer position T 充填体平均厚度,m; M 煤层采高,m。 2. 3 充填压实体体积计算方法 粉煤灰浆液经注浆钻孔进入离层区后,随着水 分消散会逐渐形成饱和压实体,并充满整个离层空 间,该压实体的体积计算公式 VS m S/ ρS 4 mS m d 1 ωS5 md m r/ 1 ωr 6 式中VS 粉煤灰饱和压实充填体体积,m3; mS 粉煤灰饱和压实充填体质量,t; ρS 粉煤灰饱和压实充填体密度,t/ m3; md 注入的粉煤灰干灰质量,t; ωS 粉煤灰饱和压实充填体含水率; mr 注入的到站粉煤灰湿灰质量,t,来自实 际统计数据; ωr 到站粉煤灰湿灰含水率。 2. 4 浆液扩散半径估算方法 假定浆液呈理想的四周均匀扩散,扩散半径为 R,则形成的扩散面积 SR2,则充填体的体积 VS STR2T,T 为充填体平均厚度。 从而得到扩散半径 估算公式 R VS πT 7 3 估算结果 3. 1 饱和充填压实体平均厚度 夏店煤矿的孔口注浆压力维持在 3. 54. 0MPa, 孔底浆体压力为 7. 07. 5MPa,煤层顶板为砂岩、泥 岩,属中硬岩。 通过张俊英、王金庄[7]的试验数据, 得到垮落带岩石残余碎胀系数 Kr1. 15。 夏店没有进行 3 煤两带高度观测。 参考附近王 庄煤矿 6206 工作面资料,采高 5. 25. 7m 条件下, 冒采比为 3. 726. 26;同时根据三下采煤经验公式, 计算得到冒采比为 1. 82. 5。 综合考虑,垮采比取 3,也即垮落带高度为 3M。 将垮落带发育高度 HK、岩石碎胀系数 Kr 以及 煤层采高 M 代入公式1、2、3,计算得到离层 最大高度 H 0. 55m,平均高度充填体平均厚度 TH/20. 275m1. 63m煤层厚度 M 为 5. 93m。 3. 2 饱和充填压实体体积 截至 2019 年 8 月 12 日各孔注入粉煤灰湿灰质 量如图 3 所示。 对比各孔注灰量并参考钻孔布置 图,可以判断注 4 孔的注灰量最为充分,且受其他钻 孔干扰较小南侧注 5 孔距该孔 105m;北侧注 3 孔 在亚关键层下离层内注浆,注浆层位不同,故选择 该孔进行饱和充填压实体计算。 图 3 各注浆孔注灰量柱状 Figure 3 Grouting borehole coal fines injected volume columns 注 4 孔注入到站粉煤灰 7. 69 万 t湿灰,平均 含水率 30;实验室测定粉煤灰饱和压实体密度 1. 65t/ m3、饱和含水率为 8,代入公式4、5、 6,计算得注 4 孔下方离层区形成粉煤灰饱和压 实充填体体积 3. 87 万 m3。 3. 3 浆液扩散半径 将 3. 1 计 算 得 到 的 充 填 压 实 体 平 均 厚 度 1. 63m,3. 2 得到的充填压实体体积 3. 87 万 m3代入 公式7,计算得到浆液扩散半径为 87m。 按照 냎10误差计算,浆液扩散半径的区间为 80100m。 注 4 孔北侧为注 5 孔,其向北扩散会受到注 5 孔注入浆液的顶托影响,扩散不充分,会影响扩散半 径的计算结果。 4 讨论 目前通用的扩散半径估算公式如下 R 90 96m8 将 M 5. 93m 代入上式,得到浆液扩散半径为 219234m。下转第 64 页 万方数据 64 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 段约 2 000m,发挥了多打复合钻进优势,井眼轨迹 圆滑, 节省纯钻时间 1 000h 以上, 钻井月速达 1 500m/ 月,钻进提速在 30以上;钻井液性能使用 良好,保持了有效携砂和孔壁稳定,减少了复杂卡钻 情况;进行了地质导向分析,实现精准穿层,目的层 钻遇率达 95;探查治理了 60 余个岩溶裂隙和断层 漏失点,单孔注浆量达 3 000t,单米注浆量达 0. 65t/ m,注浆效果明显增加;有效封堵了界沟断层等导水 构造,为安全开采提供了地质保障[12]。 4 结论 1根据界沟煤矿水文地质条件,确定了防水治 理区和治理层位。 即治理区为水文地质和工程边 界外 30 m 以上范围,治理层位为三灰,重点加固煤 层与奥灰“对口”接触位置、派生小断层或裂隙等垂 向导水构造薄弱位置,提高治理区等效隔水层岩层 完整性和岩层抗压强度,减少突水危险。 2进行了治理区钻孔布置适宜性分析,设计优 化了钻孔方位、着陆位置、水平分段长度、分支数量 等。 结果表明钻孔方位自西向东,着陆位置在三灰 稳定层位,水平分段长 200800m,单孔钻 811 个 分支,造斜率610 /30m,钻孔跨越巷道 40m 以 上安全距离。 3根据钻孔关键坐标与标高,选用了“直-增- 稳-平-增-平”井身剖面,通过软件计算钻孔轨迹数 据,形成了三灰钻孔轨迹布置图;钻孔采用三开钻孔 结构,PDC螺杆定向钻具,EMWD伽马随钻测斜, 控时侧钻和地质导向工艺,实现了精准穿层,利于注 浆加固。 参考文献 [1]施龙青,曲兴玥,韩进,等. 多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突 水危险性[ J]. 煤炭学报,2019,4482484-2493. [2]刘伟韬,刘士亮,李留洋,等. 断层影响下底板突水危险性预测 [J]. 中州煤炭,201661-5. [3]宋振骐,郝建,汤建泉,等. 断层突水预测控制理论研究[J]. 煤炭 学报,2013,3891511-1515. [4]易伟欣,崔钰婕. F29 断层突水危险性研究[J]. 河南理工大学学 报自然科学版,2015,342209-215. [5]郑飞,王来斌,沈金山,等. 淮北袁店煤矿101102 采区煤层底板 突水危险性综合评价[J]. 中国煤炭地质,2011,2310. [6]赵庆彪,高春芳,王铁记. 区域超前治理防治水技术[ J]. 煤矿 开采,20150290-94 [7]石志远. 地面顺层钻进在煤层底板高压岩溶水害区域超前治理 中的应用[J]. 煤矿安全,2015,46S167-70. [8]王桦. 定向钻孔技术在我国煤矿地层注浆改造中的应用及发展 [J]. 煤炭工程,2017,4991-5. [9]赵庆彪. 奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用[J]. 煤炭 学报,2014,3961112-1117. [10]李泉新. 煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术[J]. 煤炭科 学技术,2014,421138-142. [11]赵庆彪,赵兵文,付永刚,等. 大采深矿井地面区域治理奥灰水 害关键技术研究[J]. 煤炭科学技术,2016,44814-20. [12]魏大勇. 跨向斜构造区域工作面底板薄层灰岩含水层地面注浆 改造实践[J]. 煤炭工程,2016,481123-27. 􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛 上接第 42 页 本次利用充填情况估计的半径为 80100m,不 到经验公式的一半。 5 结论及建议 1根据采动覆岩变形特征,对离层发育的空间 形态进行了概化,提出了离层发育高度充填压实 体高度的估算公式。 2提出了根据粉煤灰注入量计算充填压实体 体积的计算方法,并推导了利用压实体体积反算浆 液扩散半径的估算公式。 3利用夏店项目受干扰最小的注 4 孔粉煤灰充 填数据,反算得到浆液扩散半径为 80100m。 4利用经验公式计算的浆液扩散半径理论值 219234m,与本文根据项目实际计算所得扩散 半径80100m对比,前者大于后者,也即经验公 式确定的理论值偏大。 5建议在夏店煤矿其它工作面及相似条件煤 矿开展离层注浆项目时,注浆孔间距以 80 100m 为宜。 参考文献 [1]孙志强,张露. 不同注浆压力下浆液扩散半径试验研究[J]. 现代 煤矿,2019,1525109-111. [2]宿辉,王丽影. 基于均匀设计的砂砾石层浆液扩散规律研究[J]. 南水北调与水利科技,2013,112138-141. [3]钱自卫,姜振泉,曹丽文,等. 渗透注浆浆液扩散半径计算方法研 究及应用[J]. 工业建筑,2012,427100-104. [4]许家林,钱鸣高. 覆岩注浆减沉钻孔布置的试验研究[J]. 中国矿 业大学学报,1998,273276-280. [5]姜岩,韩晓冬,卿熙宏. 覆岩注浆安全深度与离层空间体积的力 学分析[C]. 全国矿山测量学术会议论文集,1999. [6]于涛. 覆岩离层注浆固化作用的数值模拟研究[D]. 辽宁阜新 辽宁工程大学,2007. [7]张俊英,王金庄. 破碎岩石的碎胀与压实特性实验研究[C]. 全国 开采沉陷规律与“三下”采煤学术会议论文集,2005. 万方数据