瑞平张村11081采面注浆堵水设计.doc

1 概况 1.1水文地质概况 平顶山市瑞平煤电有限公司张村矿位于河南省汝州市朝川矿区中部，主采煤层二1煤层，二1煤底板分布有石炭系薄层灰岩和寒武系灰岩，裂隙岩溶发育，富含岩溶承压水，太原组七灰 L7分布较稳定，厚度6-8m,上距煤底板8m，是煤层底板直接充水层。寒武系灰岩是区域最富水的强含水层，上距煤层底板约45m，裂隙岩溶发育，富水性强，补给较充沛，是煤层底板间接充水含水层。 朝川矿区岩溶水是一个相对独立的水文地质单元，有独立的补给、迳流和排泄条件，张村井田、朝川井田同属此单元。张村井田靠近西南部寒武系灰岩露头的补给区，在岩溶水系统的补给-迳流带上，朝川井田远离西部的补给区，在岩溶水系统的迳流排泄区。朝川矿开采较早，在开采过程中曾多次发生底板突水事故，由于二1煤层灰岩岩溶裂隙和富水性非常不均匀，朝川矿其水文特征呈“西强东弱”的特点。特别值得一提的是朝川矿一井2001年12月26日二-21030工作面机巷底板突水事故最大突水量为1996m3/h，到目前为至稳定水量为300m3/h。 虽然相邻朝川矿多年的降水对对张村矿产生一定的影响，张村矿东翼的寒灰水位基本与朝川矿降落水位一致，但在寒灰露头带，张村矿西翼底板寒灰水位仍居高不下，由寒灰水文观测孔可知22-87钻孔寒灰水位0 m，原二-11040机巷补一号孔寒灰水位-145 m；井下一号-157 m，井下二号-246m；二-11081风巷一号孔寒灰水位90 m；该孔尽管距离22-87钻孔较近，但寒灰水位相差百余米，有待进一步查明。寒灰水总体上在张村矿承西高东低趋势，与朝川矿水文特征呈现相反的特点。 张村矿为查明高水位异常产生的原因，先后投入人力、物力作了大量水文地质补充勘探工作。物探工程三维地震勘探圈定高水位附近存在F66正断层及其落差、走向、延伸位置；瞬变电磁圈定高水位周围岩深含水层富水区域；钻探工程先后在井下布置了6个石炭及寒武层位的水位观测孔，全面掌控地下水流场状况；巷道工程在经过论证确定掘进无突水威胁后在距离高水位22-87孔附近80m附近设计二1-11081工作面，目前工作面基本圈定，利用风巷对高水位异常区进行探测；另一方面设计一条泄水巷，布置层位一8煤，距离二1煤层层间距20m，设计以报平煤集团公司。 张村矿在二1-11081掘进工作面风机两巷掘进中已依据掘进工作面防治水设计要求对煤层底板50m范围作了探测，探测深度达到寒灰，已圈定物探低阻异常区域。待回采工作面贯通后，将对整个采面采用音频穿透的物探方法，彻底查明工作面底板富水情况，一方面可以了解底板含水层裂隙分布情况，确定富水地段；另一方面为指导注浆孔的合理布置提供依据，同时为检验注浆效果提供了探测手段，有利于注浆改造技术的应用。 22-87寒武系水文观察孔目前水位为0m，相对二1－11081采面（标高在-174.6～-308.6之间）来说，承压的水压值约为1.75～3.09 Mpa。但根据二1-11081风巷对高水位异常区进行探测结果显示，寒武系承压的水压值约为3.1 Mpa31kg/cm2，寒武系灰岩水位在90m左右，与22-87寒武系水文观察孔水位相差较大，具体水位有待进一步查明。 1．2采面突水威胁计算 根据目前二1-11081风巷水文观测孔水文资料，寒武系灰岩水位在90m左右，而采面标高在-174.6～-308.6之间，因此整个二1-11081采面承受的水压在2.65～3.98 Mpa之间。利用回采工作面突水系数分析 PTsM-Cp M隔水层厚度（m），取最大值45m实际隔水层厚度为8～10m P安全水压（Mpa） Ts突水系数（Mpa/m） 取0.06 Cp煤层底板扰动破坏深度（m），（Cp0.11L0.006H0.111250.00657317.19m）取17.5m。 则安全水压为1.65Mpa，而风巷实际测定的水压为3.1 Mpa；即采面在回采时受底板承压水的影响，存在突水威胁。 1.3采取防治水措施 综合上述分析，该采面底板灰岩承压水对二1煤层开采存在严重威胁。为了防止水害事故的发生，矿方经研究决定在采面回采前采取注浆防治水措施。 方案一拟在11081风巷视电导率值≤7（s）的异常区段附近布置注浆钻孔，实施注浆堵水工程。通过打钻注浆将采面上部的底板灰岩水补给量堵截在该采面风巷以上，减少采面涌水量，减小采面回采时突水的可能性。 方案一拟在11081风巷视电导率值≤7（s）的异常区段附近布置注浆钻孔，实施采面底板注浆加固工程。通过打钻注浆将采面底板的含水层置换成隔水层，从而达到加固煤层底板之目的，增加煤层底板隔水层厚度，减小采面回采时突水的可能性。 2、设计依据的相关参数 2.1本此注浆的目的 ①探查高水位异常区的存在准确与否、高水位异常区是否存在垂向导水通道，高水位异常区是否为富水区域及高水位异常区域的水位、水压、水量等情况； ②探明高水位异常后，可依据相应的水文地质特征，采取底板注浆加固或堵截的防治水措施，消除底板灰岩水的安全威胁，为张村矿11081采面安全回采创造良好条件，为张村矿高产高效奠定牢固的安全基础。 2.2钻孔位置的确定根据采面贯通后所做物探资料，钻孔终孔位置均布置在底板灰岩富水区内。 2.3钻探目的层位及孔深钻探探测每孔孔深约80m～100m， 由于该面煤系地层倾角在20～30，施工过程中孔深较大每个钻孔都要穿过石炭纪灰岩层位,所以本次施钻选择终孔层位为寒灰20m。 3、隔水层厚度、扩散半径及注浆加固层位确定 3．1隔水层厚度确定 根据井上下水文地质观测孔资料分析，寒武纪灰岩水位在100m附近，采面最低标高为-308.6m，采面承受的最大水压寒武纪灰岩3.98MPa。参照突水系数计算公式TsP/（M-Cp），计算工作面安全回采（Ts≤0.06MPa/m）所需安全隔水层厚度 MP/ Ts Cp3.98/0.0617.583.83m 式中P煤层底板承受的水压，取3.98MPa，Ts突水临界系数，取0.06 MPa/m，Cp煤层底板扰动破坏深度（Cp0.111250.00657317.19m），取17.5m。 3．2扩散半径确定 浆液扩散半径，与裂隙大小,岩溶发育程度有关,缝宽5 mm以下,水泥浆的有效半径R2 m;缝宽5～30 mm,R4 m;缝宽30 mm以上,R6 m。根据11131采面突水及井上下打钻注浆情况，说明本采面灰岩岩溶裂隙发育，同时结合浆液配比浓度, 确定本次底板注浆加固浆液扩散半径R25（20～30）m。 3．3注浆加固层位确定 由于己16-17煤层下距寒武纪灰岩平均厚度45m，结合浆液扩散半径，确定本次底板注浆加固钻孔终孔目的层位选择在铝土层。 4、钻场、注浆孔布置及钻孔结构 4.1钻场布置 本次注浆工程在风巷富水区设计钻场，钻场布置在巷道顶板完整处，钻窝规格深宽高4.0m3.0m2.5m。水窝距离钻场2m规格要求宽2.0m，深2.0m，泵窝底板低于巷道底1.5m。 钻场及水窝工程质量要求 ①钻场底板无浮碴，无杂物。 ②钻场帮顶背牢刹实，顶铺金属网，工程质量优良。 4.2注浆孔布置 注浆孔的布置综合考虑了物探成果及巷道掘进时观测的水文地质情况，并结合目前的采面回采进度安排，在富水区内布置注浆孔。注浆孔数主要是根据巷道内顶板淋水及底板涌水情况、地层渗透性、浆液扩散半径等因素确定。钻场间距80～100m，从里向外编号依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ..，每个钻场布置3～4个钻孔包括一个检查孔，孔深50m～100m左右,钻孔注浆目的层位均为铝土泥岩。钻孔方位斜交岩层走向，可以使钻孔更多的穿过导水裂隙，根据裂隙大小及涌水情况拟采用水泥-粉煤灰浆及水泥浆等不同注浆材料，以达到帷幕截流或加固煤层底板的目的。 钻孔施工顺序由于可能受到回采进度影响，优先施工Ⅰ～Ⅳ号钻场内的注浆孔和检查孔；然后从里向外按顺序分别施工Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ钻场内的1孔，再分别施工各个钻场的2、3、4孔，至注浆结束后，最后施工检查孔进行效果检查。 本次设计注浆钻孔39个，效果检查孔13个，预计钻探进尺4160 m，下108 mm套管260m，89 mm套管520m 详见下图二111081风巷帷幕注浆钻孔参数表。 二111081风巷帷幕注浆钻孔参数表 钻场编号 孔 号 方 位 倾 角 孔 深 m 套管长度m （108mm） 终孔层位 Ⅰ Ⅰ-1 80 -10.5 50 10 一8煤层顶板 Ⅰ-2 130 0 50 10 一8煤层顶板 Ⅰ-3 185 -1.5 50 10 一8煤层顶板 Ⅰ-4 235 -22 50 10 一8煤层顶板 Ⅱ Ⅱ-1 130 0 50 10 一8煤层顶板 Ⅱ-2 185 -1.5 50 10 一8煤层顶板 Ⅱ-3 235 -22 50 10 一8煤层顶板 检1 95 -10.5 50 10 一8煤层顶板 Ⅲ Ⅲ-1 96 -6 50 10 一8煤层顶板 Ⅲ-2 137 0 50 10 一8煤层顶板 Ⅲ-3 207 -9 50 10 一8煤层顶板 Ⅳ Ⅳ-1 88 -9 50 10 一8煤层顶板 Ⅳ-2 140 0 50 10 一8煤层顶板 Ⅳ-3 193 -2 50 10 一8煤层顶板 检2 115 -4 50 10 一8煤层顶板 Ⅴ Ⅴ-1 80 -19.5 100 1015 一8煤层顶板 Ⅴ-2 120 5 100 1015 一8煤层顶板 Ⅴ-3 175 5 100 1015 一8煤层顶板 Ⅴ-4 225 -17.5 100 1015 一8煤层顶板 Ⅵ Ⅵ-1 85 -18 100 1015 铝土泥岩 Ⅵ-2 150 -6 100 1015 铝土泥岩 Ⅵ-3 200 -12.5 100 1015 铝土泥岩 检3 118 -14 100 1015 铝土泥岩 Ⅶ Ⅶ-1 80 -22 100 1015 铝土泥岩 Ⅶ-2 125 -7 100 1015 铝土泥岩 Ⅶ-3 175 5 100 1015 铝土泥岩 Ⅶ-4 22 -15 100 1015 铝土泥岩 合计 27 / / 1950 270165 / 4.3 注浆孔结构 注浆孔开孔孔径113 mm,钻至孔深10 m左右后下入108 mm套管10m,然后变径为89 mm至一8煤层顶板灰岩底部终孔（详见注浆钻孔结构示意图）。 5 注浆参数确定及注浆量估算 5.1 注浆参数确定 5.1.1 浆液扩散半径 与裂隙大小,岩溶发育程度有关,缝宽5 mm以下,水泥浆的有效半径R2 m;缝宽5～30 mm,R4 m;缝宽30 mm以上,R6 m。根据本采面灰岩岩溶裂隙发育情况及浆液配比浓度, 本次确定浆液扩散半径R20～25 m。 5.1.2浆液配比 根据钻孔施工过程中出水量及裂隙发育情况，拟采用水泥单液浆及粉煤灰-水泥浆，并且以粉煤灰-水泥浆为主，预计水泥单液浆占30，粉煤灰-水泥浆占70。 水泥-粉煤灰浆 水泥32.5级普通硅酸盐水泥,对水泥细度的要求为通过80um方孔筛的筛余量不宜大于5. 粉煤灰应为精选的粉煤灰，不易粗于同时使用的水泥颗粒，烧失量小于8，SO3含量小于3。 浆液浓度使用时一般先稀后浓,结束时又略稀. 水泥浆配比水、水泥（重量）比为0.61、0.71、0.81、0.91、11；其容重（单位t/m3）分别为1.71、1.65、1.59、1.54、1.50；每m3浆中水泥重量（单位t）分别为1.07、0.97、0.88、0.81、0.75。粉煤灰浆配比水、粉煤灰（重量）比为0.61、0.71、0.81、0.91、11；其容重（单位t/m3）分别为1.54、1.49、1.45、1.39；每m3浆中粉煤灰重量（单位t）分别为0.94、0.88、0.80、0.69。 水泥-粉煤灰浆由水泥浆与粉煤灰浆按体积比10.2～10.4配置而成。 5.1.3 注浆终压 靠近涌水点的初期注浆孔注浆压力略大于涌水点位置的原始静止水压即可，约4.0Mpa。后期注浆孔注浆压力可大些，可达到8∽10 Mpa，应根据注浆时围岩变化情况适当调整。 5.1.4 结束注浆标准 达到最高允许压力,进浆量小于60 L/min,稳定20～30 min,一般可结束本段注浆. 5.2 注浆量估算 注浆量计算公式 注浆量帷幕体积岩溶裂隙率（1损失系数） 帷幕体积钻孔揭露的灰岩平面积灰岩厚度 本次注浆主要针对二1煤层底板灰岩层段，其中灰岩厚度平均为19.0m，地层平均倾角25。，注浆段灰岩长度为1300m，宽度为50.0（25）m，计算出帷幕体积为1235000（617500）m3。 根据本区岩溶裂隙发育情况，裂隙率取1，损失系数取1.1，计算出注浆量为1358590（6792.5）m3。 粉煤灰-水泥浆按注浆总量的70考虑，约为9509.5（4754.8）m3，水泥浆按30考虑，约为4075.5（2037.8）m3。 水泥浆采用11配比，粉煤灰浆采用0.81，水泥-粉煤灰浆体积比采用10.3，水泥浆配比水、水泥（重量）比为0.61、0.71、0.81、0.91、11；其容重（单位t/m3）分别为1.71、1.65、1.59、1.54、1.50；每m3浆中水泥重量（单位t）分别为1.093、0.97、0.88、0.81、0.765。粉煤灰浆配比水、粉煤灰（重量）比为0.61、0.71、0.81、0.91、11；其容重（单位t/m3）分别为1.54、1.49、1.45、1.39；每m3浆中粉煤灰重量（单位t）分别为0.94、0.88、0.80、0.69。 通过计算水泥-粉煤灰浆中，水泥浆7315（3657.5）m3，水泥量5596（2798）t；粉煤灰浆为2194.5（1097.3）m3，粉煤灰量为1755.6（877.8）t；水泥浆4075.5（2037.8）m3，水泥量3118（1559）t。本次注浆预计需要水泥8714（4357）t，粉煤灰1755.6（877.8）t。 6排水系统 张村矿中央水仓配备排水水泵D580－609型5台；排水管路φ37714mm无缝钢管4趟水仓容量10878m3；正常排水时，运行中央泵房2台水泵，二趟排水管路，最大涌水时，4台水泵4趟排水管路可同时运行。 二1－11081风巷→二1煤轨道上山→-250m单轨巷排水沟→-250m中央水仓→地面。 1、根据预计钻探涌水量,要求排水管路为6寸，水泵两台1台工作,1台备用，水泵额定流量不低于100m3/h，风巷外口标高-170m，风巷最低点标高-212.0m，标高差为35.6m。 2、钻场循环水及钻孔水均进入水泵窝，再由水泵经6寸管路排入-250m中央水仓。 7 施工技术装备 7.1 造孔设备 本次注浆造孔采用SGZ-IB150型全方位防爆液压钻机四台、BW-250型三缸泵四台。 7.1.1 SGZ- IB150型钻机 使用钻孔角度范围0∽360，钻进能力孔深达到150 m，钻杆直径适用Φ42 mm钻杆钻进；立轴提升能力36 KN，给进力22.5 KN；升降机提升能力2000 Kg；外形尺寸180010951562 mm，总重量1150 Kg。电动机型号y180M-4，额定功率11 KW。 7.1.2 BW-250型三缸泵 BW-250型三缸泵为卧式往复单作用活塞泵。该泵具有两种缸径和四档速度，最大流量250 L/min，最大压力可达6 MPa，外形尺寸长、宽、高1000995650 mm，总重量520 Kg。 7.2 制浆设备 三台搅拌机，其中两台用于一次搅拌，直径2.5m，高1.4m，一台用于二次搅拌池，直径2.0 m，高1.80 m。 7.3 注浆设备 本次注浆设备采用NBB-250/60三缸泵卧式往复单作用活塞泵两台，其中一台为备用。该泵具有四档速度，最大流量250 L/min，最大压力可达6 MPa，外形尺寸长、宽、高1500995850 mm，总重量1200 Kg。 8注浆施工 8.1 钻孔定位及开孔 注浆钻孔定位由矿方专业测量人员按设计要求进行标定，钻机固定后，按钻孔要素开孔. 8.2 固管 套管下入后，将套管提离孔底100200 mm，用BW-250型三缸泵向孔内压清水，进行洗孔，冲净孔内岩粉及沉渣，确保注浆固管时孔内畅通，压入清水15分钟后将搅拌好的水泥浆用泵顺套管注入，直至套管外围水泥浆充满为止；待套管口水泥浆凝固48小时后，用Φ94mm无岩芯钻头透孔至孔底。 8.3 试压 封闭套管口，用泵向孔内注水试压，压力不得小于6∽8 Mpa，稳定试压时间不能少于30 min，试压过程要有详细记录，在试压过程中若出现钻场四周或套管外围有渗水，孔口管松动等异常，必须重新固管，直至试压合格。 8.4 换径后钻进 试压合格后，安装阀门，改用Φ94 mm合金钻头或Φ94mm金刚石钻头钻进至终孔。 8.5 注浆 本次钻孔注浆堵水主要采用一个段高间歇性多次重复注浆，以控制浆液扩散半径、防止浆液流失，确保堵水效果。如遇到特殊情况涌、漏水严重孔段，可采用提前注浆的办法解决。 注浆顺序由于可能受到回采进度影响，首先施工Ⅰ号钻场内的4个注浆孔，并抓紧时间按要求注浆结束；然后从里向外根据钻探造孔顺序分别注浆Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ钻场内的1孔，依次类推，再分别注浆各个钻场的2、3、4孔，直至注浆完毕。 注浆工艺流程见下图 建立注浆站→管路铺设→安装压力表→试压→管路检测→压水试验→制浆→注浆→透孔→试压→压水试验→制浆→注浆→效果检验→单孔注浆结束 ↑ ↑ 8.5.1 建立注浆站 注浆站位置在庇山矿工业广场内，由灰罐、粉煤灰罐、一搅池、二搅池、混合池、注浆泵等组成。设备配置紧凑，操作方便。管路排设密封要好，注浆前要进行管路试压，检查密封情况，防止漏浆。 水泥浆分两次搅拌，二池之间要有高差，便于放浆过滤杂物碎块。本次注浆工程采用球阀开关。 要求供水充足，运输畅通。 对注浆泵的易损件，尤其是钢球、阀座、缸套、活塞要有足够的备用件。 8.5.2 注浆系统试运转并做耐压试验 操作时，应首先打开回水阀，然后开泵，逐渐关闭阀门，减少流量，使整个管路逐步升压。当压力升至预定耐压试验值时，立即敞开阀门泄压或停泵。防止无限升压，损坏管路或泵件。 试安全阀工作是否灵敏时，应事先检查安全阀的组装情况，防止压力上升到额定值时不工作，发生意外。 试压时井上下要有专人负责观测压力变化及管路是否漏浆。 8.5.3 冲洗注浆孔、压水试验 每次注浆前都必须对注浆孔先进行冲洗，冲净孔内岩粉及沉渣，确保注浆孔内畅通，然后作压水试验，求出注堵层的单位吸水量（W）和渗透系数值（K），为确定浆液浓度、材料、适宜泵压和泵量提供依据。 8.5.4 正式造浆压注 上料、造浆、放浆、司泵和注浆值班员应严格执行工种岗位责任制，正确掌握有关注浆参数. 8.5.5 观测、记录与情况分析 进行压注工作时，应固定专人对泵压、泵量、灰浆浓度和观察点水位水量作定时观察记录. 8.5.6 注后压水 压水目的在于保留再次注浆的条件下不冲刷已注入的灰浆，以便堵住大的溶洞裂隙。压水量要适量，一般为注浆管容积的四倍左右。 8.5.7 关孔口阀、拆洗孔外注浆系统 注浆后压水，应先关闭孔口阀门，待孔内压力消失水泥浆初凝后方可打开。 孔口阀门必须严密，不能因漏水造成浆液倒流。避免泄压，影响水泥浆凝固时间。 关闭时间一般应达四小时，待水泥初凝后方可慢慢打开阀门，察看情况。 孔外注浆系统必须及时冲洗检查，附着于管壁的水泥结块需震动脱落，冲出管外。 8.5.8 打开孔口阀门，透孔或再次注浆 该工序的关键是要正确分析孔内情况，一般情况下注浆24小时后透孔，检查钻孔涌水量的大小，而再次注浆。直至压水不漏失或漏失很小（钻孔不涌水或涌水很小），方可最后结束本段（孔）的注浆工作，转入封孔工序。 8.5.9 封孔 经认真分析，确实已完成注浆任务的注浆孔，最后按要求进行封孔。 9 注浆效果检查 检查出水点注浆前后的涌水量变化。 注浆段钻孔取芯察看岩溶裂隙充填情况。 观察注浆时地下水动态变化，分析浆液注入部位； 打检查孔进行压水试验。 10 施工技术要求 10.1 钻孔施工技术要求 （1） 本次注浆钻孔终孔层位为寒武系灰岩含水层，由于含水层局部裂隙发育导水性强，为此在施工注浆孔时，要安装控制阀门，做到有控制放水。同时将施工地点的杂物及水沟清理干净，保证出水后能顺利进入水仓。 （2） 钻孔施工地点倾角及层厚变化较大，施工不同层位的钻孔，要严格计算各个钻孔的方位及倾角，并严格按照设计施工达到注浆最佳状态。 （3）要经常冲孔，确保孔底干净，防止发生埋钻卡钻等事故。注浆段必须清水钻进，遇坍孔，可注浆或下套管护壁。 （4）在钻孔施工中，严格记录进尺岩性、裂隙深度及出水量。 10.2注浆工艺技术要求 （1）钻孔注浆前进行下钻试探孔深，保证孔内无塌陷掉块。 （2） 注浆钻孔若遇到岩溶、裂隙较大时根据实际情况注入骨料，骨料由细到粗，浆液由稀到稠。 （4） 注浆时要及时观察出水点冒浆情况，调节浆液浓度，并采用水泥-水玻璃双液浆。 （5） 造浆前对注浆材料的凝结时间进行测试，指导注浆过程中的间隔时间，提高注浆质量。 （6） 注浆过程中要注意观察研究实际问题及时调整技术参数和方法，使之符合注浆区实际。 （7） 严格做好单孔注浆起止时间、注浆压力以及注浆量等记录工作。 （8）注浆工程完成后，施工检查孔察看裂隙充填情况，观察各出水点注浆前后变化情况，观测注浆区域地下水动态变化，分析检查注浆效果并提交工程技术总结报告。 11施工人员组织 为尽快完成施工任务，钻探造孔施工人员分三班连续循环作业，每班四台钻机8人，三班计24人；造浆、注浆人员分三班连续循环作业，每班6人，三班计18人；材料员2人，安全质量技术人员4人, 施工管理人员3人，共计51人。 12工期 自开工之日起,有效工期暂定为120天. 张村矿二1-11081采面煤层底注浆加固 设计方案 18