組煤承壓水開采中的實踐與應用

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邢臺礦區地處太行山與華北平原的過渡帶，地勢西高東低，具有中低山、丘陵盆地及山前傾斜平原地貌景觀。東龐礦北井是該礦區的一座下組煤開采煤礦，主采石炭系太原組9號煤，隨著礦井開采年限的增加，井田淺部的煤炭資源所剩不多，大力開發－300m水平以深、突水系數大于0．1MPa/m的9號煤已成為礦井可持續發展的當務之急。本著“超前主動、區域治理、全面改造、帶壓開采”的防治水技術新理念，引進國際一流的區域注漿治理技術，利用集成化的注漿裝備與工藝，在地面實施奧灰含水層區域的注漿改造工作，為解放深部采區煤炭資源創造了條件，進一步豐富了礦山水害治理的工程實踐。

1概況

東龐井田位于太行山東麓中段，傾斜的山前沖洪積平原之中，地形西高東低，標高+70～+130m。東龐礦北井位于東龐井田北翼，地表均被第四系松散沉積物覆蓋，僅在西部邊緣有基巖出露，地層平緩，揭露的地層由老至新依次為太古界贊皇群、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系地層。主要含煤地層為石炭系二疊系地層，其中石炭系上統太原組9號煤層平均厚度6.95m，為穩定的主采煤層。礦井開拓方式為立井單水平下山開采，采煤方法為走向長壁綜合機械化放頂煤采煤工藝，頂板管理方式為全部垮落法［1］。

2水文地質條件

2．1含水層與隔水層井田內主要含水層包括第四系頂部卵礫石孔隙含水層、第四系底部砂卵礫石孔隙含水層、下石盒子底部砂巖裂隙含水層、2號煤頂板砂巖裂隙含水層、野青灰巖巖溶裂隙含水層、伏青灰巖巖溶裂隙含水層、大青灰巖巖溶裂隙含水層、奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。在八個含水層之間均分布一定厚度的隔水層，巖性多以黏土巖和粉砂巖為主，厚度不一，隔水性能較好。

2．2充水水源礦井主要充水水源為大青灰巖水、奧陶系灰巖水以及小煤窯采空區積水。9號煤開采防治水的重點是防止奧灰含水層突水。

3區域治理注漿改造工程施工情況

治理范圍位于9400采區南部，9號煤底板標高為－280～－480m，治理面積約為0．92km2。

3．1布孔原則及改造層位選擇布孔方式采用主孔和定向分支孔方式，分支孔呈“帶”或“羽”狀布置，分支孔間距按50m設計，漿液擴散半徑按25m考慮。改造目標層位為奧灰頂界面以下25～40m層段。

3．2鉆孔結構設計

3．2．1地面主孔地面主孔分為直孔段和造斜段兩部分，直孔段為地面至2號煤底板以下20m層段，造斜段為2號煤底板以下20m至奧灰頂界面以下25～40m層段，鉆孔結構見圖1?！耙婚_”采用Ф444．5mm鉆頭施工至進入完整基巖10m完鉆，下入Ф339．7mm×9．65mm石油地質套管，用水泥做永久性固管;“二開”采用Ф311．1mm鉆頭施工至2號煤底板下20m，下入Ф244．5mm×8．94mm石油地質套管，用水泥做永久性固管;“三開”進入造斜段，采用Ф215．9mm鉆頭施工至奧灰頂界面以下2m，下入Ф177．8mm×8．05mm石油地質套管，用水泥做永久性固管;“四開”采用Ф152．4mm鉆頭裸孔鉆進，進入奧灰頂界面以下25～40m。

3．2．2分支孔全孔段均為裸孔，采用Φ152．4mm鉆頭沿奧灰頂界面以下25～40m層段鉆進。

3．3注漿工藝設計

3．3．1注漿初始條件在鉆探施工過程中，若沖洗液漏失量大于5m3/h、每鉆進100～150m沖洗液無漏失、漏失量小于5m3/h，即提鉆洗井開始注漿。

3．3．2水文觀測提鉆后每30min觀測一次水位，共觀測三次;進行壓水試驗前，每30min觀測一次水位，直至水位穩定，一般觀測三次。

3．3．3壓水試驗在每次注漿前，均要進行壓水。其主要目的是疏通注漿管路及孔內巖石裂隙，確定初始注漿泵量。由小泵量開始試壓水，若無壓力，則逐漸提升泵量，壓水量大于孔內體積2倍時才可停止壓水;若壓水過程中有壓力，則需壓水至壓力穩定，壓水水壓一般不小于受注含水層最大靜水壓力的2倍，壓水時間不小于4h。每次注漿結束后，也要向孔內壓水，具體壓水量為管路與孔內體積之和的2倍。根據壓水成果確定注漿的起始泵量:當泵量30m3/h壓水孔口無壓力時，由30m3/h泵量開始注漿;當壓水孔口有壓力時，則由取得穩定壓力時所用的泵量開始注漿。若壓水壓力上升快，且在最小泵量壓水時壓力仍大于7MPa，則不需注漿［2］。

3．3．4注漿工藝流程采用地面注漿站造漿，首先將水泥、粉煤灰和水通過螺旋上料器、潛水泵送入渦流制漿機內進行初次攪拌制漿，初次攪拌后的漿液進入攪拌池中進行二次攪拌，再由注漿泵抽入專用輸漿管路內，通過輸漿管路注入鉆孔中。

3．3．5單孔(段)注漿結束標準注漿結束標準:泵量達到35L/min以下，孔口壓力不小于5．5MPa，并穩定30min以上。

3．3．6注漿泵量控制工藝正常情況下(壓水孔口無壓)，注漿初始采用雙泵(390型泥漿泵)四擋注漿，泵量30m3/h;當孔口壓力升至2MPa時，改為雙泵三擋注漿，泵量19．2m3/h;當孔口壓力升至3MPa時，改為單泵三擋注漿，泵量9.6m3/h;當孔口壓力升至4MPa時，改為單泵二擋注漿，泵量5．4m3/h;當孔口壓力升至5．5MPa時，改為260型泥漿泵二擋壓水，泵量35L/min，穩定30min以上后結束注漿。若孔口壓力急劇上升超過5．5MPa時，停止注漿或壓水，關閉注漿閥門;若憋壓30min后孔口壓力仍不小于5．5MPa，也可視作達到注漿結束標準。

3．3．7漿液比重控制工藝根據壓水試驗的結果，若孔口壓水初始存在一定壓力，則采用比重1．2t/m3的漿液;若泵量30m3/h壓水孔口始終無壓，則注漿初始采用比重1．2～1．3t/m3的漿液;如單次注漿累計注入水泥量超過200t，孔口壓力仍不起壓，則將漿液比重調整至1．5t/m3;當孔口起壓后，根據壓力上升的快慢程度，將漿液比重重新調整為1．2～1．3t/m3，直至注漿結束［3］。

3．3．8注漿材料調整工藝每次注漿初始均采用水泥單液漿，加入0．03%～0．05%的三乙醇胺和0．3%～0．5%的食鹽作為早強劑;當單次注漿累計注入水泥量達到1000t時，則采用粉煤灰－水泥混合漿液，比例控制在1∶2～1∶1;當單次注漿累計注入水泥量達到2000t，但孔口仍不起壓，則采用間歇注漿的方式，注漿12h，間歇8h，交替循環;如間歇注漿實施3次以上，孔口仍不起壓，則每次間歇注漿時在孔口加入3%的水玻璃作為助凝劑，直至孔口起壓達到注漿結束標準。

3．4工程施工成果工程工期共計37個月，共計施工地面主孔3個，定向分支孔43個，完成鉆探工程量28681．05m;建設地面注漿站2座，累計注入水泥、粉煤灰128682．02t。區域治理工程鉆孔布置如圖2所示。

4注漿改造效果檢驗

4．1注后沖洗液觀測當分支孔每次因沖洗液漏失而進行注漿施工后，掃孔至原孔深，觀測孔內沖洗液漏失的情況，如沖洗液不漏失則繼續鉆進，如沖洗液仍然存在漏失情況則進行補充注漿。

4．2鉆孔施工次序檢驗鉆探施工中將每3～4個分支孔作為一個組，先施工兩側的分支孔，中間的分支孔作為檢查孔后施工，必要時在兩側分支孔漏失量大、注漿量大的區段采用局部取芯鉆進，查驗巖溶裂隙的充填程度。以F3斷層附近發現的斷層破碎帶為例，W1、W2、W3、W4、W5分支孔為一個孔組，按W1、W5、W4、W3、W2依次施工(見圖3)。W1分支孔揭露了5個注漿量較大的漏失點，累計注漿量36962．15t，對斷層破碎帶進行了初步的充填加固，W5、W4、W3孔施工時共揭露6處漏失點，再次對該破碎帶進行了局部充填加固。最后施工的W2孔全孔段無明顯漏失。在對W5、W2分支孔施工時，分別在W1分支孔注漿量較大的區域附近進行了局部取芯，所取巖芯破碎，均發現了水泥充填。取芯結果驗證了F3斷層附近確實存在大范圍的巖層破碎帶，尤其是取芯段所取巖芯破碎，水泥充填痕跡明顯，但沖洗液無明顯漏失，充分驗證了破碎帶注漿加固的效果良好［4］。圖3分支孔組施工次序示意圖

4．3地面檢驗孔驗證工程結束后，施工了2個地面檢驗孔，主要目的是探查奧灰含水層的水文地質條件，同時對注漿改造效果進行驗證。鉆孔在奧灰層段全段取芯，在奧灰含水層頂界面以下0～20．08m、20．08～50．13m層段分別進行了抽(壓)水試驗，如表1、表2所示。根據鉆探施工及抽(壓)水試驗成果資料可知，奧灰含水層0～50m層段上部裂隙不發育，中下部裂隙發育，但裂隙被方解石或泥質充填，富水性弱。距離最近的漏失點初始漏失量為18m3/h，注漿前壓水試驗計算吸水率大于0．43624L/min．m．m，注漿后吸水率為0．00211L/min．m．m。

5奧灰含水層突水危險性分析

治理區域9號煤開采標高為－280～－480m，近三年奧灰含水層的最高水位為+53m，9號煤至奧灰含水層隔水層的平均厚度為43m，計算得出注漿改造前突水系數為0．086～0．131MPa/m。實施區域治理注漿改造工程后，可將奧灰含水層頂部改造層段視為相對隔水層，以最小改造厚度25m計算，改造后的隔水層平均厚度為68m，計算得出改造后突水系數為0．058～0．087MPa/m。

6結語

針對礦井深部采區高承壓水、突水系數較大的區域，分析井田承壓含水層水文地質條件，采取地面區域治理控制奧灰注漿的改造范圍，同時研究漿液擴散的規律及不同條件下注漿材料的配比，最終可達到根治水害的目的，實現安全帶壓開采。目前，地面區域治理注漿改造含水層技術已經在邢臺礦區全面推廣應用，為解放深部煤炭資源和保水開采奠定了堅實的基礎。

參考文獻:

［1］王永全．羽狀分支水平孔在煤礦水害地面區域探查與治理中的應用探討［J］．中國煤炭地質，2018，30(S1):84－89．

［2］劉坤鵬．淮北界溝煤礦灰巖水害地面區域治理鉆井設計優化［J］．中國煤炭地質，2020，32(10):60－64．

［3］趙璞．底板區域超前探查治理技術應用與設計研究［J］．煤炭與化工，2020，43(07):57－61+65．

［4］袁明．下組煤承壓開采工作面合理長度技術研究［J］．煤炭與化工，2019，42(09):41－43.

作者:陳龍 單位:冀中能源股份有限公司