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2 0 0 2年 第 4期 矿 业 科 学 技 术 1 综合注浆技术在巷道堵水中的应用 吴 志 臣 杜 凯 开滦矿业集团地矿工程公司 摘要 在治理矿井涌 突 水 ， 堵住涌 突 水水源的同时必须防止临近区域受压产生新的突水而影响矿井的 安 全生 产。在开滦 东欢 蛇矿 一5 0 0 m 水 平 2 0 1绕道废 巷 注 浆 堵水 工程 中， 充 分体 现 了“ 一 防二 堵 ” 的 施 工理念 。 该 工 程 为一 利 用现 代 综合 注 浆技 术治 理井 下 明水 的典 型 案例 ， 采用 了定 向造 孔技 术 ， 在地 面 向需 要加 固注 浆 范围内的岩层施工分支钻孔进行注浆， 然后根据注浆的不 同阶段及 岩层裂隙的发育情况采用 了不同类型的 浆液 进 行注 浆 以达 到 预期 的 堵水效 果 ， 取 得 了巨大 的经济 效 益 和社会 效益 ． 关键词 综合注浆； 动水注浆； 定向造孔 ， 施工技术 1 前言 开滦 东欢坨矿业公司是正在建设之中、 边建边 生产 的新型矿井 。 该矿位于开平煤 田车轴 山向斜 ， 为 一 第四系掩盖下的含煤 向斜 。该矿水文地质条件复 杂 ， 强含水层分布广泛 ， 地下水 的径流条件较好 ， 水 量丰富 。 在巷道开拓施工中， 经常发生涌 突 水 。一 5 0 0水平副井进车线 巷道编号为 2 0 1 在 1 9 9 4年 l O 月至 l 2月施工期间， 曾发生了三次较大的突水 ， 使 2 0 1绕道 。 总涌水量达到 1 8 ． 3 2 m。 ／ mi n ， 伴随工作面 顶板发生坍 冒。 巷道被迫停掘 ， 形成了长7 4 ． 7 m 的废 巷 。 至 1 9 9 8 年 6月 ， 该 巷 总涌 水量 仍 高达 9 ． 9 9 m。 ／ mi n 。通过对该段巷道的水文地质条件分析 ， 2 0 1 废 巷 道 段 涌水 水 源 为 Ao ～ A 层 铝 土岩 之 间粗 砂 岩 含 水层 ， 水量充沛， 在矿 区内无其他揭露部位， 因此涌 全矿井涌水量的3 O ％， 造成 了大量的无效排水 ， 使生 产成本中排水 电费所占比重较高 ， 因此在经过分析 论证之后认为封堵巷道 涌水可 以改 善井下工作环 境 ， 减 小 电 费 消 耗 ， 降 低 无 效 的 水 资 源 开 采 。于 是 1 9 9 8 年下半年提出了对2 0 1绕道废巷段进行注浆堵 水 方 案 ， 经集 团 公 司组织 论证 ， 决 定采 用地 面 定 向造 孔 法进 行 注浆 堵水 。 2 2 0 1绕道 附近地质 及水文地质 简况 2 ． 1 地质概况 2 0 1车场绕道深度为 一5 0 0 m水平 ， 地面标高为 1 9 ． 0 m， 巷道 主要穿过标志层 A。 层下部 2 0 m层厚 1 2 ． 3 3 m的浅灰色中粒砂岩和层厚 8 ． 8 8 m 的紫灰色 粉砂岩 。 地层走 向N3 5 。 E， 倾 向NW ， 岩层倾角a 2 1 。 水量稳定， 已基本达到供 、 排平衡．该巷道的涌水占 车场区地质层位 自上而下 见表 1 。 表 1 2 0 1绕道废巷附近地质层位 层序 岩石名称 真厚度 m 备 注 l Ao 铝土 岩 2 ． 2 7 标 志层 2 粉砂 岩 3 ． 5 3 3 粗砂岩 1 4 ． 2 3 高角度裂隙发育， 系巷道 出水水源 ， 为强含水层 4 深灰色粉砂岩 2 ． 4 7 质脆 、 节理发育， 系绕道 出水后的 冒落层 5 深灰色中砂岩 l 2 ． 3 3 裂隙发育， 含水性中等 ， 为老巷道所穿之层位 6 紫灰色 粉砂 岩 8 ． 8 8 7 灰色中粒砂岩 4 ． 7 1 维普资讯 2 矿 业 科 学 技 术 2 0 0 2 年第 4 期 2 ． 2 水文地质概况 本 段地层 中普遍岩石的构造裂隙发育 ， 岩石裂 隙 开 度 一 般 在 1～ 2 0 mm， 最 大 裂 隙 宽 度 达 到 1 5 0 ram， 地下水的径流条件较好 ．由于该含水层顶、 底均为具隔水性 的铝土岩 Ao层和 A层 且矿井内 仅在这部分揭露 ． 因此该含水层的水位居高不下． 本 次注浆关键在于第3层 、 第5层岩层以及各层间高角 度裂隙相互切割所形成 的过水裂隙 ． 2 0 1老巷道施工过程中， 巷道发生三次突水 ， 第 一 次突水 Q2 ． 5 m。 ／ rai n ； 第 二次突水 Q3 ． 0 m。 ／ r a i n， 突水原 因是巷道顶板 2 ． 4 7 m 的粉砂 岩 高角 度裂隙发育， 与上部厚1 4 ． 2 3 m 的粗砂岩强含水层导 通 出水 ；第三 次 突水 Q6 ． 2 6 m。 ／ rai n ，突水原 因是 巷道顶板 冒落 4 ～5 m，直接导通上部的粗砂岩强含 水 层 ，造 成 突水 ．三 次 突 水 水 源 均 为 Ao下 部 厚 1 4 ． 2 3 m的粗砂岩 ．2 0 1绕道静水压PD 3 ． 0 MP a 。 3 以往工 作及施工要 求 3 ． 1 以 往工 作 2 0 1老 巷 在 施 工 中 由于 发 生 三 次 突 水 ， 尤 其 是 第三次突水 巷道迎头顶板发生抽 冒， 压垮巷道 ， 被 迫停止掘进 ， 后退 3 5 ． 9 m处砌筑了一个厚 6 ． 0 m， 承 压 P4 ． 0 MP a的水 闸墙 。 墙体 采 用混 凝 土浇 注 ， 在 闸体 上 预 留三 条 j 2 『 4 2 6 mm 的导 水 管 ， 闸墙 内废 巷长 为 3 5 ． 9 m， 1 0 m 断面长2 2 m， 体积2 2 0 m。 、 1 9 m 断面 长 1 3 ． 9 m ， 体积2 6 5 m。 ， 废巷总体积4 8 5 m。 。 闸体完 成后 ， 对闸体周 围围岩和巷道进行了加固注浆 ， 之后 在新巷内又组织对新巷的围岩和新老巷之间的岩体 进行 了加固注浆， 在 工 作 面共 施 工 钻孔 3 6 个 ，进 尺 6 0 9 ． 5 m，注浆 1 9 6次 ， 使用水泥 4 2 7 ． 3 t ， 水玻璃 6 6 ． 3 8 m 。 。 3 ． 2 工程要求 ①堵水范围由2 0 1新巷开 口向前5 0 m 内、 2 0 1 废 巷及闸体 内的水量 ， 堵水效果应大于8 0 ， 堵水前测 得应堵水量为 7 ． 0 2 m。 ／ rai n ． ②在钻注 工程 施工中， 为减 小对 2 0 1新巷的巷 道 受压 ， 对矿井生产 系统不造成 破坏， 保持正常生 产 ， 要求在封堵 2 0 1老巷突水的水源前， 需对 2 0 1新 老巷道之间长5 0 m、 宽 2 5 m、 高 5 0 m 一4 9 0 ～ 一5 4 0 m 的 A o层下第 3 ～5层粗 、 中砂岩层 的围岩进行加固 注浆， 形成一阻水墙体 ． ③ 一2 0 2 4 5 0 m段 注浆 为工艺注 浆 2 0 2 m 以浅为 2 1 9 ram套管 ， 能 满足钻进和注浆下 塞要 求即可 。--4 5 0 m 以深为加固注浆。 ④为缩短注浆工期， 减小钻探工程量， 采用定向钻 进技术 ， 地面布 3个孔， 向需要加固注浆范围内的岩层 利用分枝孔进行注浆， 以满足阻水岩墙加固的要求 ． ⑤注浆过程中要求 不能过多 向巷道跑浆 ， 尤其 是在初期注浆时不能往水仓跑浆 ， 以免增 加清仓 的 工作量 。 4 注浆孔 布置及施 工 4 ． 1 注浆钻孔结构及功能分类 由于钻孔 目的不同， 钻孔结构不尽相同 ， 加 固巷 道 围岩的定 向钻孔终孔直径为 l l 8 mm， 透巷孔终 孔直径为 1 5 2 ram， 1 、 2 、 3 三个 钻孔为主孔 ， 其 余为分枝孔 ， 1 孔设计分枝孔1个 ， 2 孔设计分枝孔 2个 ， 3 孔设计分枝孔 2个， 共施工8个注浆孔 ， 其中 2 -- 1 、 2 --2 、 3 1 、 3 2 钻 孔 为 透 巷 孔 ， 进 行 废 巷的充填注浆 ， 在透巷前均为新老巷道问 的围岩加 固注 浆孔 ， 具 体 见表 2 ． 4 ． 2 注浆孔施工颇序 ①首先施工围岩加固孔 1 、 2 、 3 主孔 ， 终孔注 浆合格后封孔至孔深 一2 3 0 m 左右 ．然后 施工 1 1 、 2 1 、 3 1 分支孔 ， 1 1 孔孔径为 l l 8 mm， 2 1 、 3 1 孔先用 l l 8 mm钻进 注浆合 格透巷 后， 再根据见空情况扩孔至 1 5 2 ram孔径进行巷道 充填及注浆 ． ②1 1 孔 封至 一4 7 0 m 进 行小段加 固注浆 ， 2 1 、 3 1 孔 封 孔 至 孔 深 一 2 4 0 m 左 右 ， 进 行 2 2 、 3 --2 孔 的施 工 ． 4 ． 3 钻孔定向及导斜钻进技术 ①监测 主要使用 了J J X一3型测斜仪和 J D T一 5型陀螺仪 ， 为了准确 可靠 ， 采 用了勤 测多 测的方 法 ， 即加密测 点， 重复测量 的方法 ， 使 8个钻孔全部 达到要求的靶域 ， 4个透巷孔准确入位． 维普资讯 综合注浆技术在巷道堵水 中的应用 3 表 2 钻孔结构及功能表 钻孔 套管 孔号 孔径 起止深度 口径 起止深度 功能 j 2 f ram m ram m 31 5 O～一 202 219 O～一 202 1 加 固围岩 注浆 1 18 2 O2～一 54 0 1 1 1 1 8 2 3 7 ～ 一5 4 0 加固围岩注浆 31 5 0 ～一 202 219 O～一 202 2 加 固 围岩 注浆 1 18 2 O2～一 521 ．58 2 1 1 5 2 2 3 O ～ 一5 1 9 ． 1 透巷以前国固围岩注浆透巷以 2 2 1 5 2 2 3 7 ～ 一5 1 9 ． 0 7 后充填巷道注浆 3 1 5 O ～一 2 0 1 ． 5 2 1 9 0 ～一 2 01 ． 5 3 加 固围岩注浆 1 18 2 01．5～一 5 40 3 1 1 5 2 2 2 9 ～ 一5 1 9 ． 9 4 透巷以前加固围岩注浆 3 2 1 5 2 2 3 5 ～ 一5 1 9 ． 1 9 透 巷 以后 充填 巷道 注浆 各孔平面位置见图 1 水期靖 图 1 钻孔孔斜平面投影示意图 ②定向 8 个钻孔的定向工作采用 Dx一1 8单点 斜器。导斜钻进小“ 眼” 后 ， 经扩孔使孔径达原径。 定 向仪和 J D T一5型陀螺仪及偏 心导斜器定向， 共 定向8 4次 ， 满足 了高精度定向孔的施工 。 ③造斜钻进 随钻可提式导斜器造斜 本次施工 大多数采用的是回次造斜方式， 即造斜器与钻进钻 具同时下入孔内， 定 向完成后即可直接钻进， 钻后导 斜器与钻具同一回次提出， 大大减少造斜回次 ； 可取 式导斜器造斜 将导斜器下入孔内经定向甩入孔底 ， 然后 再次 下 钻钻 进 ， 可 多 回次取 芯钻进 后 ， 再取 出导 4 ． 4 注浆 ①新老绕道之间围岩加固注浆 a 、 注浆及 止浆方式 采用分段下行压入式注浆 方式。采用KWS型止浆塞止浆 ， 止浆塞位置选择在 注浆段 以上 5 1 0 m， 岩性中硬 ， 孔壁完好的孔段 。 b 、 段 高 的 划 分 2 0 2 4 5 0 m 为 护 壁 注浆 ， 工 程 上 没有具体 要求 ， 但在工艺上要求能满足钻进不卡 维普资讯 4 矿 业 科 学 技 术 2 0 0 2 年第 4 期 钻， 不埋钻 ， 注浆 时不发生窜浆 和埋止浆塞事故， 当 岩性好 ， 不塌孔， 不破碎 ， 冲洗液消耗不大 的情况下 ， 段高就大 些， 反之段高就小些 ， 段高 一般选用 3 O ～ 6 0 m； 一4 5 0 5 4 0 m 为加 固围岩注浆段 ， 采用 1 O 3 0 m为一注浆段高 ， 越接近巷道越显 出注浆工程 的重要 ， 尤其是一4 9 0 m 以下注浆段高更 小， 一般选 择 1 O ～1 5 m， 目的是保证加固围岩注浆的质量 。 c 、 注浆 的终压、 终量及稳定时 间 2 0 2 4 5 0 m 段 注浆 ， 终压终量没有规定 ， 能满足钻进和注浆下塞要 求即可 ， 对浆液浓度亦没有要求。一4 5 0 m 以深各段 注浆 ， 终压P≥4 ． O MP a ， 终量 Q≤ l O O L／ mi n， 稳定时 间2 0 mi n以上 ， 在加固围岩注浆后期 ， 为保证关 闸后 新巷的安全 ， 确保万无一失， 经研究决定对 1 1孔、 2 --2孔在达到注浆结束标准的前提下 ， 仍封孔至孔 深一4 7 0 m， 从 一4 5 0 m采用分段下行 ， 小段 注浆， 段 高 1 O ～1 5 m， 注浆结束标准变为注前压水试验检查 ， 达 到 P≥ 6 ． 0 MP a ， Q≤ l O O L／ mi n， 稳 定 时 间 2 0 rai n 以上 。 ． ②钻孔透巷后的充填注浆及封堵水源注浆 a 、 充填骨料 钻孔穿透 2 0 1废巷后， 根据透巷见 空的高度 ， 预计每一次充填骨料的用量， 填入后下钻 趟孔至骨料顶部 ， 然后采用给水旋喷的方法 ， 增大骨 料扩散范围， 并测量现有 空洞高度 ， 再次进行 下一次 充填工作。 反复施工至闸体外的导水管冲出石渣， 即 可结束落渣工作 。 b 、 封堵水源注浆 当围岩加 固注浆和充填石渣 工作结束后 ， 关闭井下水 闸墙上闸门。先施工3 2 孔后施工 2 --2 孔， 开始用尾杆旋 喷注浆 ， 钻杆下入 充填的石渣内逐渐上提 ； 使石渣孔隙充满灰浆， 直到 浆液充满整个闸体空间。 尾杆悬喷注浆时 ， 不断上下 活动和旋转钻具 ， 当活动钻具有劲 或注浆量达到 2 O ～3 O m。 ， 应结束本次注浆 ， 以免浆液上窜钻孔 内部 ， 发生卡钻事故 ， 注浆结束后 ， 养护 1 2小时后趟孔 ， 扫 孔至骨料顶端再进行复注 ． 最后下止浆塞升至注浆 ， 达 到 P----4 ． O MPa 。 5 注浆效果 2 0 1废巷段注浆工程于 1 9 9 9年 6月开工 ， 开工 前副井绕道总涌水量为 9 ． 9 9 m。 ／ rai n， 注浆控制范围 内涌水 7 ． 0 2 m。 ／ mi n。随注浆量的不断增加 ， 总涌水 量 逐 渐减 小 表 3 。到 2 0 0 0年 6月 结 束 ， 共 完 成 堵水 6 ． 9 7 m。 ／ mi n， 注浆堵水率为 9 8 ． 6 ％。地 面长期观测 孔 水位 上 升 2 1 ． 4 3 m。 注浆质量的验证是根据 2 0 1废巷道的实测水量 和东观 2 6号孔 ， 水位观测来验证 的。东欢 2 6号孔位 于2 0 1 废巷迎头东侧 8 0 0 m， 观测层位 A o A层 ， 2 0 1 废巷位于A层下2 0 m， 与东观2 6号孔水力联 系密切。 1 9 9 9 年 8月 1 0日， 东 观 2 6号 孔水 位 为 一 4 5 ． 8 0 m， 到 2 0 0 0年 6月5日水位为 一2 4 ． 3 7 m， 基本上与 Ao A 层水位一致 ， 通过注浆完成后几个月的观测 ， 含水层 的水位稳定 。 注浆对新巷道的围岩起到了加 固作用 ， 井下注浆区域内巷道无变形， 证 明注浆堵水工 作成 绩 显著 ， 取 得 了 圆满成 功 。 表 3 注浆前后水量水位变化表 水量 水位 水量 水位 时 间 时 间 m。 ／ mi n m m。 ／ mi n m 1 9 9 8 ／ 0 8 ／ 1 0 9 ． 9 9 4 5 ． 8 2 0 0 0 ／ 0 3 ／ 2 0 5 ． 6 7 2 7 ． 3 1 1 9 9 9 ／ 0 8 ／ 1 9 9 ． 9 9 4 5 ． _2 1 2 0 0 0 ／ 0 4 ／ 0 3 5 ． 1 6 2 7 ． 2 4 1 9 9 9 ／ 0 9 ／ 1 3 9 ． 3 O 一3 8 ． 1 8 2 0 0 0 ／ 0 4 ／ 2 4 4 ． 7 9 2 7 ． 5 1 1 9 9 9 ／ 1 0 ／ 1 8 7 ． 4 0 3 4 ． 1 1 2 0 0 0 ／ 0 5 ／ 1 1 2 7 ． 9 5 1 9 9 9 ／ 1 1 ／ 0 8 7 ． O 9 3 4 ． 2 O 2 0 0 0 ／ 0 5 ／ 1 5 4 ． 4 5 1 9 9 9 ／ 1 1 ／ 2 2 7 ． 1 7 3 4 ． 2 4 2 0 0 0 ／ 0 5 ／ 2 6 2 5 ． 8 5 1 9 9 9 ／ 1 1 ／ 2 9 6 ． 8 3 3 3 ． 6 4 2 0 0 0 ／ 0 5 ／ 2 9 3 ． 1 3 1 9 9 9 ／ 1 2 ／ 0 6 6 ． 5 7 3 2 ． 8 1 2 0 0 0 ／ 0 6 ／ 0 5 3 ． O 2 2 4 ． 3 7 2 0 0 0 ／ 0 2 ／ 2 8 6 ． O 8 2 7 ． 2 9 下转 第 6页 维普资讯 6 矿 业 科 学 技 术 2 0 0 2 年第 4 期 巷内布置一个顶板走向钻窝 ， 共施工 了 l 4个顶板走 向钻孔 ， 其中有 3 个孔终孔位置在B 9 b 。钻孔施工完 毕 ， 采用 了聚胺脂进行 了封孔 ， 井在 一5 4 0 m 中央石 门安设 了 2台 2 B E z o 。 移动抽放泵 ， 钻场和抽放泵之 间铺设了一路八寸薄皮铁管 ， 回采期间， 瓦斯抽放达 1 ． 6 m3 ／ mi n。 ‘ 4 ． 2 采用埋管的方法 ， 对上隅 角进行抽放 由于 工 作 面 回采 期 间 ， 采 空 区瓦 斯 涌 出占 有 相 当大 的 比例 ， 而 采 空 区瓦 斯 大 部 分 集 中从 上 隅 角 涌 出 ， 因 此在 回采 期 间沿 工 作 面 上 风 巷铺 设 一 路 内径 5 0 0 ram 的水泥涵管 ， 利用矿 井通 风负压， 对水泥涵 管进行导风 ， 将上隅角瓦斯通过水泥涵管， 直接 引入 回风道 ， 瓦斯 量 达 0 ． 4 m。 ／ mi n， 充分 缓解 上 隅角瓦 斯 经 常超 限 的状 况 。 4 ． 3 利 用阶 段 回风 石 门 ， 实 施尾 巷 抽放 采空 区瓦 斯 利用 工 作 面 上 风巷 各 个 阶段 回风 石 门 ， 当工 作 面 推 过 阶 段 石 门后 进 行 封 闭 ， 井 埋 设 两 路八 寸 铁 皮 管 ， 在一5 4 0 m增补石 门安设 了2台2 B E 2 o 。 移动抽排 泵 ， 对工作面进行尾抽。 抽放瓦斯达 2 ． 2 7 m。 ／ mi n， 有 效地改变了采空区瓦斯流动方向， 减少了采空 区瓦 斯 向工作 面 风流 中 的涌 出 量 。 4 ． 4 利 用 B ‘ 低抽巷抽放 ， 减少邻近 层瓦斯向采空 区涌 出 B 日 与 B 7 层 间距 约 1 4 m， 在 B 。 工作面 回采期 间， B 7 及B 煤层均会释放大量的卸压瓦斯 ， 沿层间岩石裂隙 涌出， 低抽巷原理就是事先给煤层卸压瓦斯一个溢散 通道 ， 通过移动抽放泵将瓦斯抽走， 减少卸压瓦斯向采 空区涌出， 低抽巷瓦斯抽放量达 1 ． 4 m。 ／ mi n。 4 ． 5 穿层钻孔预抽煤体瓦斯 利用穿层钻孔对B 。 煤层进行预抽 ， 在 B 低抽巷 启用前在 B 轨道巷内布置了4组穿层钻孔， 对 B 。 煤 层进行采前预抽 ， 减少 回采期间 ， 工作面煤壁 的瓦斯 涌 出量 。 5 实施效 果 由于 回采期 间采 用多种抽放 方法相 结合 的措 施 ， 回采 工作 面 瓦斯 治 理取 得 了较好 的 效 果 ， 在 工 作 面 瓦 斯 涌 出 量超 过 1 2 m。 ／ mi n的 情 况 下 ， 通 过 有 效 的抽放手段 ， 控制工作面风排瓦斯量 ， 使工作面 回采 期 间工作面回风流瓦斯浓度一直保持在0 ． 8 ％以下， 确保 了主力面的正常 回采 ， 取得较好 生产 效益和社 会效益。回采期间工作面瓦斯抽放率达 4 6 ． 9 oA。 6 结论 6 ． 1 随着矿井开采水平的延伸 ， 非突出煤层的瓦斯 涌出量逐渐上升 ， 单靠风排难以解决 。另外 ， 单纯加 风会带来相当大的负面影响， 工作面风速超限， 煤尘 问题 也更 加突 出 。 6 ． 2 综合运用各种瓦斯抽放手段 ， 减少工作面瓦斯 进 入 风流 中 ， 降低排 风 量 ， 为今 后采 掘 面 瓦 斯 治理 提 供一 条有 效 的途 径 。 上接 第 4页 6 经 济效益 和社会 效益 6 ． 1 经济效益 按矿井排水 电量测算 ， 以井下将 l m。 水用泵排 提升l O 0 m 耗电o ． 5度、 电费为o ． 3 6元／ 度计算， 每年 可节省排水 电费为 3 3 8 ． 2万元 。 6 ． 2 社会效益 唐 山地区属较严重的缺水地区 ， 因而地下水 资 源更为宝贵。 通过该项工程的注浆堵水 ， 每年可减少 3 6 1 万 m。 的水资源浪费性开采。 参考文献 l 中国煤炭学会矿井建设专业委员会和煤炭科学 研究总院北京建井研究所联合编著．注浆 堵水加固 技术及其应用 中国注浆技术 4 3年论文集． 煤炭 工业 出版社 ， 1 9 9 8年 8月． 作 者 简 介 吴志 臣， 男， 1 9 6 8年 出生 ， 1 9 9 2年 毕 业 于 焦作 矿 业 学院 地质 系 ， 双 学 士 ， 工 程 师 ， 一 直 从 事 大 型注 浆 工 程 的设计 及施 工 ， 曾 发表 论 文 多篇 。 维普资讯