31051工作面底板注浆改造设计.doc

第一章 13051工作面概况及地质、水文地质分析 一、 工作面概况 13051工作面地面位置吴村镇张村西南，小凤凹老村东，团相村，北西为11采区边界，东为15采区未采区，上、下分别为13031、13071工作面未采区，主采二1煤层，工作面标高-362-417，地面标高99102，走向长554578m，平均566m，倾斜宽9799m，平均98m，煤层厚度2.925.85m，平均4.6m，一般含夹矸12层。为黑色块状、具贝壳状断口，节理劈理发育，一般常在接近底板处有一层0.250.6m的粉状煤。，煤层倾角914，平均13。 二、地质情况分析 本工作面构造以断裂构造为主，沿走向有不明显的褶曲构造，在工作面西部有一落差3m的断层，走向NE，倾向S，倾角70，13回风上山掘进时已揭露；在工作面上部13回风上山掘进时还揭露一断层F2，走向NE，倾向S，倾角45，落差1m,该断层在13051上风道掘进时可能遇到，其走向及位置有待掘进过程中进一步证实。 三、水文地质情况分析 该工作面水文地质条件较为复杂，临近的一一采区在工作面回采时均不同程度地发生了煤层底板突水；该工作面二1煤下距L8灰岩25.5～35m，L8灰岩水位标高－200m左右，煤层承受的水压为2.1MPa，掘进过程中须注意预防煤层底板突水，特别是在过F1断层时，必须采取“有疑必探，先探后掘“的探放水措施，过断层后要对断层进行预注浆，预防断层带滞后突水。 由于掘进巷道为顶层煤巷，根据一一采区巷道掘进情况分析，一般情况下，在巷道掘进过程中不会发生底板突水情况，顶板淋水情况也少见。虽然整个井田二1及二3煤层顶板砂岩含水层富水性较弱，但由于没有经过疏放，目前部分地段有淋水现象，在回采前需查明其富水特征并进行疏放。 综上分析，在回采工作面之前，对工作面进行综合水害防治是十分必要的。 第二章 13051工作面底板注浆改造方案 一、注浆改造深度的确定 按照有关规定，受水威胁的工作面，必须采用钻探、物探等方法，查清其水文地质条件。底板受构造破坏块段突水系数大于0.06MPa/m，正常块段突水系数大于0.1MPa/m的，要采取疏水降压或注浆改造等有效措施后方可回采。计算突水系数采用下列公式 Ts＝P/M-Cp-Dg Ts突水系数（MPa/m）； P隔水层承受的水压（MPa）； M隔水层厚度（m）； Cp采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度（m）； Dg隔水层中原生导高（m）。 结合本区L1-4灰承压水的水位标高为-200m，31051工作面最低标高为-417m,二1煤受到的L8灰岩水的压力为2.1Mpa左右，根据以往附近打钻情况测得L8灰水压2.5 Mpa，比较符合实际，L1-4灰原生导高取5 m，根据矿压破坏深度经验公式Cp1.860.11LL工作面倾斜宽，此处取100m得该工作面理论矿压破坏深度12.86m。 1、构造破碎带附近块段加固深度 该处突水系数临界值取0.06MPa/m 由公式M[PTsCpDg]/Ts [2.10.0612.865]/0.06 52.86m 计算得在该区段内加固深度应不低于52.86m。 2、正常块段加固深度 该处突水系数临界值取0.1MPa/m 由公式M[PTsCpDg]/Ts [2.10.112.865]/0.1 38.86m 计算得在该区段内加固深度应不低于38.86m。 该本工作面，二1煤距L8灰底板间距平均35m，根据实际情况，注浆珠江改造深度应确定在L8灰以下20m。 二、钻孔布置 根据井下底板注浆改造的经验，浆液在目的层内的扩散范围控制在25m 左右,故同一层钻孔间距不超过50m。 由于13051工作面自切眼向里60m开始做钻场施工钻孔，本设计主要布置在13051工作面下付巷。施工期间钻孔终孔位置在L8灰以下30m， 均匀覆盖改造范围，施工期间见水即注，结束后施工注浆检查孔，检验注浆加固效果。原则上每60m左右布置一个钻场，每钻场56个钻孔，根据打钻注浆期间具体水量、水压及注浆量情况增减钻孔，钻孔平均孔深100m左右。钻孔布置详见附图13051工作面改造工程钻孔平面布置图。 第四章 施工工艺 一、 钻场设计 1、钻场要求 钻场是施工注浆孔的场所，对它的要求是 （1）能满足按设计注浆孔的方位、倾角施工的要求； （2）在完整的煤、岩层中施工，支护牢固可靠，能保证施工人员的安全； （3）能保证自然泄水，自然扩散通风。 2、钻场设计 根据矿井的实际情况，13051工作面布设钻场分别布置在上顺槽和下顺槽内，原则上相邻钻场间隔60～80m，钻场规格不小于长宽高4m4m4m。钻场的施工要尽量选择在顶板较完整的地段，局部区域可加密，支护方式以锚网支护为好，也可采用架棚支护。 二、钻孔施工工艺 1、 钻孔结构 一级孔径Ф150mm，深6m-8m左右，下入Ф146mm套管，穿过二1煤层底板。管外用水泥全封闭，封闭24小时后进行耐压试验，耐压试验压力不低于4MPa，持续时间不少于30分钟；二级孔径Ф113mm，深约20m，下入108mm套管，管外用水泥全封闭，封闭24小时后进行耐压试验，耐压试验压力不低于8MPa，持续时间不少于30分钟。三级孔径91mm或75mm 到终孔，终孔层位为L8灰岩以下20m。 2、钻孔施工技术要求 1、施工单位必须严格按照设计标定钻孔的方位、倾角，在施工过程中不得随意改动，如因现场施工条件受限需要变动时，必须经甲乙双方同意后方可变动，同时根据现场变化情况修改单孔设计施工通知单。 2、该面钻孔水压较大，为确保施工人员的安全，必须使用防喷冒和孔口钻杆卡持器等防喷反压装置，以免钻具被高压水顶出伤人。 3、钻孔孔口套管必须进行耐压试验，耐压试验的压力不小于设计注浆终孔孔口压力，持续耐压时间不少于30分钟，不合格必须重封，合格后在二级管上安装规格为φ100mm的高压水门，水门的最大抗压能力要与注浆终孔压力相匹配。 4、认真做好现场小班记录，记录要符合“及时、准确、完整、清晰”的要求。准确记录各含水层的初始水量、最大水量、稳定水量和水压、岩层层位、名称、换层深度、进入含水层前有无“导高”、进入含水层后岩溶发育程度、位置等简易水文观测记录，以便于收集、分析资料。 5、施工过程中要认真执行钻孔防斜措施。 6、防止钻孔塌孔及缩径措施 二1煤层底板为泥岩，遇水易变软膨胀，在钻孔施工过程中，可能发生塌孔及钻孔缩径现象，不但给钻孔施工带来很多麻烦，而且打不成孔，也无法进行注浆，这是目前井下钻孔施工的一大技术难题，没有特别有效的措施，只能因地制宜，采取综合性预防措施。 （1）尽量不带岩芯管施工。 （2）对下套管的孔段要尽量加大孔径。 （3）钻头的合金片在镶嵌过程中要尽量靠外，一般要大出标准钻头直径的3～4mm。 （4）钻进冲洗液用水采用钻机配备的灌浆泵供水，不直接用地面供水冲洗，以防增加高压水对孔壁的破坏。 （5）在钻孔孔壁比较破碎处，可加压注浆加固后再钻进。 （6）必要时，可采用化学泥浆钻进、风力钻进或者二级套管下到L8灰上1～2m的位置，然后再钻进，打透L8灰。 （7）使用能力较大的钻机，加快钻进速度。 （8）钻孔施工结束后，应尽快注浆。 （9）钻孔没有注浆前，钻机最好不要搬走，以便随时用钻机扫孔后再注浆。 （10）钻孔在施工过程中如果困难较大时，可采用自上而下分段注浆的方式。 3、供排、水系统 钻场必须有良好的供电、通风和供排水系统。每部钻供水水量不得小于15m3/h；排水系统必须良好，为预防钻孔出大水，必须保证排水能力不低于400 m3/h，必须有备用排水设备。注浆孔口附近必须设专用直通电话，不得与其它电话串用，以便能及时与地面注浆站联系。 三、注浆工艺 1、注浆系统 注浆系统由地面制浆系统、注浆泵、送料孔、井下注浆管路和井下注浆孔组成。地面制浆系统由粘土制浆机、水泥添加器、搅拌机以及其它辅助设施组成。堵水钻孔按技术要求配制一定比重的单液水泥浆，并根据现场堵水需要适时添加水玻璃等速凝材料和骨料；加固钻孔可以按技术要求配制一定比重的粘土水泥浆，同时，根据底板加固需要，可以在地面加入适量的粉煤灰、锯末等细骨料。井下注浆管路选用的φ606mm高压无缝钢管，并用相匹配的高压快速接头连接，耐压不得低于10MPa，管路应铺设在便于管理和维护的巷道内沿底板铺设，以不影响运输和行人。注浆孔孔口要安设耐震压力表，不低于10MPa。注浆前要对注浆管路进行耐压试验，试验压力不得低于15MPa，持续时间不得低于30分钟，发现漏水及时更换，直到试验合格为止。 2、注浆方式 一般采用全段下行式注浆方式，分孔分序次连续灌注，直到达到终孔压力为止，以最大量进浆，最大范围扩散，最大限度的充填岩溶裂隙为目的。对初始水量大于100m3/h的钻孔，可采取分段注浆，穿透含水层或构造破碎带后最终达到注浆终孔标准。相邻钻孔在含水层段间距小于50m时，不得同时穿透含水层，以免串浆。若发现井下跑浆时可采取间歇注浆，间歇时间一般为24小时。 3、注浆材料 工作面底板加固以注粘土水泥浆为主，主要由粘土、水泥和水配制形成。 1、粘土是粘土水泥浆的主剂，通常占干料的70～80，粘土浆必须经旋流净化，粘土中含有颗粒粒径不大于0.08mm。 2、水泥对凝胶体起结构成形作用，通常采用425普通硅酸盐水泥，一般占干料的20～30左右。 3、水洁净的非酸性水。 4、注浆参数 注浆参数的选择视单孔涌水量、岩溶发育程度以及施工现场情况具体确定，一般情况下参考以下参数 1、浆液的比重反映了在一定体积的浆液中粘土和水泥的含量，是直接关系到浆液质量的重要参数。一般讲，若注单液水泥浆，则水灰比一般控制在0.81至0.61之间，即比重1.5～1.7；若注粘土水泥浆，则粘土浆的比重为1.12～1.2,粘土水泥浆的比重一般为1.21～1.26。特殊条件下可采用添加锯末等骨料进行注浆。其中粘土浆的水土比为0.51～11,即比重1.12～1.18。详见下表。 表2-1 水泥浆比重对比表 水灰比 11 0.81 0.61 0.51 比重 1.5 1.588 1.714 1.8 表2-2 粘土浆粘土、水加入量对比表 水土比 比重 制1m3浆水土用量（Kg） 水 粘土 0.501 0.601 0.751 0.801 1.001 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 920 915 910 900 895 890 880 200 215 230 250 265 280 300 2、浆液的粘度表示浆液内部分子之间、颗粒之间、分子团之间相互运动时产生的摩擦力的大小，从浆液可泵性和可注性角度来看，粘土浆的粘度为17～25秒，粘土水泥浆的粘度在25～60秒之间。如果钻孔涌水量小，可调小浆液的粘度，钻孔水量大时，可适当加大浆液的粘度。 3、泵量与泵压泵量是根据含水层岩溶裂隙的发育程度及泵压确定的，正常情况下，裂隙发育、泵压在2MPa以内时，采用全泵量（250L/min）大流量灌注；裂隙发育较差、泵压在2MPa以上时，采用中泵量（80～150L/min）；达到终孔压力时用小泵量（40～80L/min）。 4、单孔注浆结束标准实践证明，粘土水泥浆注浆压力越大，扩散的范围越大，对裂隙充填的越饱满，形成的结实体强度也就越高，但压力超过一定限度时，容易造成巷道底鼓、跑浆。所以单孔注浆结束标准为泵量80L/min以下，孔口压力不得低于水压的2.5倍，持续时间为30分钟以上。但当发现巷道底鼓或大量跑浆时，可采用间歇法或调整浆液比重和注浆参数进行封堵。 5、注浆技术措施 1、注浆期间各工种作业人员要坚守岗位，各负其责，保证注浆各个环节正常运转。对含水层水位和涌水量要加派专人加密观测，观测结果要及时汇报甲方。 2、注浆前，首先要对注浆管路进行检查实验、冲洗，确保管路畅通，然后对注浆管路进行耐压试验，试验压力不低于15MPa，持续时间不得低于20分钟，合格后方准注浆。 3、每孔注浆前都要观测其水量和水压，并进行单孔放水，放水时间不少于10分钟，以孔内无岩粉、水变清为宜，合上注浆管路后向孔内压水，其目的是扩张裂隙，确定钻孔的吸水量，以便调整注浆参数，提高注浆效果，压入孔内的水量不少于管路总体积的2倍，无异常变化时可以开始注浆。 4、注浆过程中，化验记录员要严格浆液配比标准，并根据现场情况及技术人员的要求及时调整浆液的比重等参数，并认真做好记录。 5、要严格注浆顺序、注浆方式、注浆结束标准，不经批准，注浆过程中不得擅自改变或随意停止注浆。 6、注浆过程中如发现钻孔串浆、堵塞或钻孔进浆量明显较少时，要重新扫孔或补打检查孔注浆。 7、注浆过程中要有专人巡视管路，当注浆管路发生故障时，要快速处理，若需较长时间要及时将管路冲洗干净，防止管路堵塞。 8、当达到注浆结束标准，关闭孔口阀门卸下孔口高压胶管，及时为注下一个孔做好准备，注浆结束的钻孔24小时内不得打开阀门。注浆结束后，要及时将管路冲洗干净，以免沉淀堵塞管路。 9、注浆孔口附近必须设专用直通电话，不得与其他电话串用，以便能及时与地面注浆站联系。 10、由于首期放水钻孔施工时仅能在下付巷施工，该巷道为独巷，要求钻机房必须具有足够的通风和瓦斯检测措施，保证人身安全。 6、钻探安全措施 1、加快13051下顺槽泄水巷施工进度和水槽改造进度，保证下25点以外能够自然流水；加快13051下顺槽下30点低洼处排水阵地施工，保证不低于400 m3/h的排水能力；在13051上顺槽打钻钻场的后方低洼处建立临时排水阵地，保证不小于150 m3/h的排水能力。 2、钻孔突水应急预案 （1）在钻进过程中要密切注意，有出水时要记录具体出水位置，并测量出水量。在钻进过程中要密切注意孔内情况，发现钻进异常或涌水异常，要立即停止钻进但不得拔出钻杆，同时通知调度室及地测科。 （2）跟班队长第一时间向调度室汇报，矿方及时成立临时现场指挥小组。 （3）如果出水量过大，排水能力达不到要求时，及时把钻杆拥入钻孔内，关闭阀门。等到加大排水量后再打开阀门，实施提钻。 7、单孔注浆结束标准及注浆效果检验 单孔注浆结束标准实践证明，粘土水泥浆注浆压力越大，扩散的范围越大，对裂隙充填的越饱满，形成的结实体强度也就越高，但压力超过一定限度时，容易造成巷道底鼓、跑浆。所以单孔注浆结束标准为泵量80L/min以下，孔口压力不得低于水压的2.5倍，持续时间为30分钟以上。但当发现巷道底鼓或大量跑浆时，可采用间歇法或调整浆液比重和注浆参数进行封堵。 施工钻孔注浆结束达到要求后，可以进行施工检查孔进行检查，注浆加固结束后可以根据新做物探资料进行检测。 古汉煤矿 13051工作面底板改造 设 计 方 案 肥城肥矿龙兴地质勘探有限责任公司 2009年5月