注浆冻结凿井三同时作业技术研究.pdf

参数的确定, 为采煤沉陷灾害的预防和治理提供了 科学依据。 参考文献 [ 1] 陈炎光, 钱鸣高. 中国煤矿采场围岩控制 [ M] .徐州 中 国矿业大学出版社, 1994. [ 2] 大同煤矿集团公司, 煤炭工业太原设计院, 太原理工大学矿 山设计研究所. 大同矿区采煤沉陷技术报告 [ R] .大同 大同煤矿集团有限责任公司, 2003. 作者简介 侯志鹰 1962- ,男, 河北张家口人, 高级工程 师, 现为中国矿业大学北京校区博士研究生, 长期从事采矿技术和 现场管理工作。 收稿日期 2003- 10- 18; 责任编辑 曾康生 注浆冻结凿井三同时作业技术研究 徐倬琳1,王 峰1, 徐 润2 11 国投新集能源股份有限公司, 安徽 淮南 232171; 21 煤炭科学研究总院, 北京 100013 摘 要 注浆 冻结 凿井三同时作业技术是提高建井速度的一项新技术, 刘庄矿主井、副井和风 井采用了具有冻结孔施工与注浆施工动态平行特点的三同时施工技术。分析了 S 定向孔注浆等技术 要求, 重点研究了注浆和冻结及其它工艺方法的时空关系。 关键词 三同时作业; 注浆;冻结; 凿井;定向钻进 中图分类号 T D265 文献标识码B 文章编号0253- 2336 2004 02- 0053- 03 Grouting -freezing -shaft sinking simultaneous operation technology XU Zhuo -lin1, WANG Feng1, XU Run2 11 Guotou Xinjie Energy Comp any Ltd1, H uainan 232171, China; 21 China Coal Research Institute, Beijing 100013, China 传统的立井井筒施工方法是注浆 冻结 凿 井 立永久井架或冻结 凿井 根据需要进行工作 面注浆 立永久井架, 每个单项工程是独立的, 工期为单项工期总和。而注浆 冻结 凿井作业, 在时间和空间上平行的同时作业方法称为三同时作 业。由于浅层煤可采量日益减少,开采深部煤层建 井难度越来越大。传统的建井周期很长, 投资效率 低。对于 700 m 以深的井筒,从注浆、冻结到凿井 直至出煤约需要 6 8 年 个别井筒达到 11 年 时 间。根据注浆、冻结和凿井每个工艺方法的技术要 求和特点, 缩短注浆占用井筒的时间是缩短建井时 间的关键。国投新集能源股份有限公司刘庄矿采用 S 孔定向注浆技术,实现了注浆 冻结 凿井三同 时作业,比传统建井方法缩短工期 013 1 年。按 300 万 t/ a 计算可提前出煤 90 300万 t, 经济效益 和社会效益十分显著。 1 注浆- 冻结- 凿井三同时作业技术特点 东欢坨煤矿 2 号井 井深 737 m 是首次实现 S 定向孔注浆与凿井平行的二同时作业的矿井[1], 该矿原拟定第四系地层冻结法施工, 基岩段工作面 注浆。井筒进入基岩段后, 由于水文地质条件复 杂,工作面注浆无法进行,于是在地面距井心 1512 3216 m 处安装钻机,对 420 m 以下深度进 行地面预注浆。 1999 年在邢东矿采用了注浆 冻结 凿井三 同时作业技术并取得了成功[2],邢东矿三同时作 业特点是冻结孔下入套管等待冻结后再进行地面预 53 第 32 卷第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 2004年 2月 注浆施工和凿井, 其工序为冻结孔施工并下套管 y直孔段注浆钻孔并注浆 yS 孔钻孔并注浆冻结运 转、竖立井架平行施工y冻结yS 孔注浆y凿井同 时作业。 相对而言,刘庄矿注浆 冻结 凿井是首次有 目的、主动进行三同时作业技术研究的大规模建井 实践。施工工序为直孔段注浆施工 y冻结钻孔、 井架基础、S 注浆孔钻孔平行施工 yS 孔注浆、冻 结运转、竖立井架平行施工y凿井。特点是注浆和 冻结孔处于动态平行作业, 施工难度大。除需要解 决S 定向孔注浆等技术问题外, 最重要的是研究注 浆和冻结及其它工法的时空关系。 图 1 三同时作业主要工序的时间关系 2 三同时作业相关技术的时空关系 注浆 冻结 凿井三同时作业是各个分项技术 的最新技术成果组合成一个系统工程,时空关系协 调才能发挥最大效益, 确保每个分项在时间上衔接 合理, 在空间上互不影响, 其技术难点是以往建井 史上没有的。将传统的分项施工技术研究成为同时 平行作业技术,即注浆 冻结 凿井平行作业,也 包括广场建设、井架施工、相关基础、设施同时进 行。根据 S 定向孔黏土水泥浆地面预注浆技术要 求, 研究了 S 孔定向技术所需要的地面布孔圈径, 根据冻结施工需要的圈径、永久井架 或凿井井 架 施工的位置、凿井设施布置确定 S 孔的孔位; S 孔纵向轨迹所要求的曲率数值, 以确定直孔段的 注浆深度, 尽量减少注浆占用井筒时间;S 孔落点 和冻结孔的安全距离, 确保注浆和冻结平行施工的 安全; S 孔套管深度和冻结孔深度的关系,注浆孔 岩帽和冻结孔施工的时间关系。由此确定有关参 数。副井注浆 冻结 凿井三同时作业主要工序的 时间关系如图 1 所示。三同时作业相关技术的时空 关系见表 1。 以副井为例,注浆段起止深度 278 833 m, 注浆段总长 555 m,其中 278 479 m 采用直孔地 面预注浆, 该注浆段与上部冻结段及下部S 孔注浆 段各重合 20 m,469 833 m 采用井外定向 S 孔地 面预注浆。直孔注浆孔 6 个,布孔圈径为 11 m。S 孔注浆钻孔 4个, 地面钻孔布置在以井筒为中心的 36 m 的圈径上,4 个孔与井口十字线南北方向夹 角均为 30b, 钻孔平面布置如图 2、图 3 所示。 表 1 井筒技术及注浆参数 参数名称主井副井风井 井筒净径/ m515617615 井筒深度/ m794823794 冻结深度/ m293298341 冻结圈径/ m151515 直孔段注浆深度/ m273 530278 479321 580 直孔段注浆孔数/ 个464 直孔段注浆布孔圈径/ m91511918 S 定向孔段注浆深度/ m580 804469 833580 804 S 定向孔段注浆孔数/ 个444 S 孔地面注浆布孔圈径/ m363637 S 孔落点注浆布孔圈径/ m9 129 129 12 图 2 注浆孔平面布置 3 S 定向孔注浆技术 相对注浆工艺方法而言,其它工艺方法的最新 技术成果在协调时空关系中可以运行正常,但S 定 向孔使注浆技术难度有所加大, 主要是 S 定向孔钻 进技术和注浆技术。 54 第 32 卷第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 2004年 2月 图 3 S 定向孔设计轨迹示意 311 注浆终压设计 副井注浆终压设计按注浆段孔底部水压值设 计 278 479 m 为 215 310 倍水压值;479 833 m 为 210 215 倍水压值。 312 注入量设计 浆液注入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆 段平均裂隙率,用下式进行计算 Q A P R 2HnB/ m 式中 Q 浆液注入量,m3; A 浆液超扩散消耗系数,A 取 113,岩 帽段取 115; R 距井中心的浆液有效扩散半径, R D/ 2 L, m; D 布孔圈径, m; L 浆液扩散距离, 按 8 m 设计; H 注浆总段高,m; m 浆液结石率,取 0185; B 浆液充填系数, 取 0195; n 岩层平均裂隙率, 岩帽取 415 ,其 它层取平均值 315。 浆液主要材料325 号普通硅酸盐水泥,黏土 选用工业广场场内耕土以下土层,硅酸钠级。 配比黏土浆密度 1115 1125 g/ cm3,水泥 加入量为 100 200 kg/ m3, 硅酸钠加入量为 10 30 L/ m3。 313 注浆工艺特点 与正常的注浆工序不同, 4 个 S 孔为一序孔施 工 过去常常分二序孔施工 ,即 4 个孔由 4 台钻 机同时钻孔再依次注浆。因此, 另外 3 个孔的止浆 层位和效果对于注浆孔来说十分重要。 314 注浆结束标准 每个孔段注浆终压值必须达到设计值,黏土水 泥浆注浆终量不大于 250 L/ min,水泥浆注浆终量 不大于60 L/ min,并且稳定 20 min 即可注浆结束。 315 钻孔施工要求 直孔段钻孔终孔偏斜率不大于 016。S 孔不 同水平落点及终孔落点与设计偏差按直孔计算,不 大于 016。 4 需要进一步研究的问题 由于注浆孔与冻结孔距离较近, 尤其黏土水泥 浆的注浆压力较大,注浆连续时间长,在垂直与横 向裂隙十分发达的地层条件下, 还不能完全避免相 互干扰的问题。窜浆可能会影响水文孔及测温孔的 正常使用。S 孔对注浆而言,无论是钻孔维护还是 止浆机具安全和止浆效果都受到了影响。新工法具 有多孔同时钻进,分别注浆的特点。当一孔注浆 时,浆液沿非注浆孔上窜的机会增多,影响了浆液 进入受注层位,最终可能影响注浆效果。 5 结 语 刘庄矿注浆- 冻结- 凿井三同时作业主要技术 特点是冻结孔钻孔阶段就与注浆孔钻孔和注浆同时 作业, 增加施工难度, 在国内外是首次应用。近距 离不同工法施工往往互相影响, 引发事故。由于研 究了冻结 注浆 凿井的时空效应, 使各个工序能 够协调运转, 目前已经进入基岩掘进阶段,实现了 快速建井的目标。注浆实际占用井筒时间仅 3 315 个月, 与常规施工方法相比,仅此一项可以提 前 3 12 个月。注浆 冻结 凿井三同时作业是一 项新技术, 仅在几个矿井中应用,许多经验需要总 结,新技术还需要研究优化。提高整体设计管理水 平也十分重要,往往是这项系统工程效率和安全质 量的保证。 参考文献 [ 1] 赵大奎1 地面预注浆与凿井平行作业的注浆技术 [ C] . 北 京建井研究所煤矿建设科研 40 年 [M ] . 北京 煤炭工业出 版社, 1997. [ 2] 郑 军1 深井三同时快速凿井关键技术研究 [ J].山东科技 大学学报, 2001 增刊 . 作者简介 徐倬琳 1966- , 男, 安徽无为人, 工程师, 现 在国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿工作。 收稿日期 2003- 08- 26; 责任编辑 刘军娥 55 第 32 卷第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 2004年 2月