组煤承压水开采中的实践与应用

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邢台矿区地处太行山与华北平原的过渡带，地势西高东低，具有中低山、丘陵盆地及山前倾斜平原地貌景观。东庞矿北井是该矿区的一座下组煤开采煤矿，主采石炭系太原组9号煤，随着矿井开采年限的增加，井田浅部的煤炭资源所剩不多，大力开发－300m水平以深、突水系数大于0．1MPa/m的9号煤已成为矿井可持续发展的当务之急。本着“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”的防治水技术新理念，引进国际一流的区域注浆治理技术，利用集成化的注浆装备与工艺，在地面实施奥灰含水层区域的注浆改造工作，为解放深部采区煤炭资源创造了条件，进一步丰富了矿山水害治理的工程实践。

1概况

东庞井田位于太行山东麓中段，倾斜的山前冲洪积平原之中，地形西高东低，标高+70～+130m。东庞矿北井位于东庞井田北翼，地表均被第四系松散沉积物覆盖，仅在西部边缘有基岩出露，地层平缓，揭露的地层由老至新依次为太古界赞皇群、奥陶系、石炭系、二叠系、第四系地层。主要含煤地层为石炭系二叠系地层，其中石炭系上统太原组9号煤层平均厚度6.95m，为稳定的主采煤层。矿井开拓方式为立井单水平下山开采，采煤方法为走向长壁综合机械化放顶煤采煤工艺，顶板管理方式为全部垮落法［1］。

2水文地质条件

2．1含水层与隔水层井田内主要含水层包括第四系顶部卵砾石孔隙含水层、第四系底部砂卵砾石孔隙含水层、下石盒子底部砂岩裂隙含水层、2号煤顶板砂岩裂隙含水层、野青灰岩岩溶裂隙含水层、伏青灰岩岩溶裂隙含水层、大青灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。在八个含水层之间均分布一定厚度的隔水层，岩性多以黏土岩和粉砂岩为主，厚度不一，隔水性能较好。

2．2充水水源矿井主要充水水源为大青灰岩水、奥陶系灰岩水以及小煤窑采空区积水。9号煤开采防治水的重点是防止奥灰含水层突水。

3区域治理注浆改造工程施工情况

治理范围位于9400采区南部，9号煤底板标高为－280～－480m，治理面积约为0．92km2。

3．1布孔原则及改造层位选择布孔方式采用主孔和定向分支孔方式，分支孔呈“带”或“羽”状布置，分支孔间距按50m设计，浆液扩散半径按25m考虑。改造目标层位为奥灰顶界面以下25～40m层段。

3．2钻孔结构设计

3．2．1地面主孔地面主孔分为直孔段和造斜段两部分，直孔段为地面至2号煤底板以下20m层段，造斜段为2号煤底板以下20m至奥灰顶界面以下25～40m层段，钻孔结构见图1。“一开”采用Ф444．5mm钻头施工至进入完整基岩10m完钻，下入Ф339．7mm×9．65mm石油地质套管，用水泥做永久性固管;“二开”采用Ф311．1mm钻头施工至2号煤底板下20m，下入Ф244．5mm×8．94mm石油地质套管，用水泥做永久性固管;“三开”进入造斜段，采用Ф215．9mm钻头施工至奥灰顶界面以下2m，下入Ф177．8mm×8．05mm石油地质套管，用水泥做永久性固管;“四开”采用Ф152．4mm钻头裸孔钻进，进入奥灰顶界面以下25～40m。

3．2．2分支孔全孔段均为裸孔，采用Φ152．4mm钻头沿奥灰顶界面以下25～40m层段钻进。

3．3注浆工艺设计

3．3．1注浆初始条件在钻探施工过程中，若冲洗液漏失量大于5m3/h、每钻进100～150m冲洗液无漏失、漏失量小于5m3/h，即提钻洗井开始注浆。

3．3．2水文观测提钻后每30min观测一次水位，共观测三次;进行压水试验前，每30min观测一次水位，直至水位稳定，一般观测三次。

3．3．3压水试验在每次注浆前，均要进行压水。其主要目的是疏通注浆管路及孔内岩石裂隙，确定初始注浆泵量。由小泵量开始试压水，若无压力，则逐渐提升泵量，压水量大于孔内体积2倍时才可停止压水;若压水过程中有压力，则需压水至压力稳定，压水水压一般不小于受注含水层最大静水压力的2倍，压水时间不小于4h。每次注浆结束后，也要向孔内压水，具体压水量为管路与孔内体积之和的2倍。根据压水成果确定注浆的起始泵量:当泵量30m3/h压水孔口无压力时，由30m3/h泵量开始注浆;当压水孔口有压力时，则由取得稳定压力时所用的泵量开始注浆。若压水压力上升快，且在最小泵量压水时压力仍大于7MPa，则不需注浆［2］。

3．3．4注浆工艺流程采用地面注浆站造浆，首先将水泥、粉煤灰和水通过螺旋上料器、潜水泵送入涡流制浆机内进行初次搅拌制浆，初次搅拌后的浆液进入搅拌池中进行二次搅拌，再由注浆泵抽入专用输浆管路内，通过输浆管路注入钻孔中。

3．3．5单孔(段)注浆结束标准注浆结束标准:泵量达到35L/min以下，孔口压力不小于5．5MPa，并稳定30min以上。

3．3．6注浆泵量控制工艺正常情况下(压水孔口无压)，注浆初始采用双泵(390型泥浆泵)四挡注浆，泵量30m3/h;当孔口压力升至2MPa时，改为双泵三挡注浆，泵量19．2m3/h;当孔口压力升至3MPa时，改为单泵三挡注浆，泵量9.6m3/h;当孔口压力升至4MPa时，改为单泵二挡注浆，泵量5．4m3/h;当孔口压力升至5．5MPa时，改为260型泥浆泵二挡压水，泵量35L/min，稳定30min以上后结束注浆。若孔口压力急剧上升超过5．5MPa时，停止注浆或压水，关闭注浆阀门;若憋压30min后孔口压力仍不小于5．5MPa，也可视作达到注浆结束标准。

3．3．7浆液比重控制工艺根据压水试验的结果，若孔口压水初始存在一定压力，则采用比重1．2t/m3的浆液;若泵量30m3/h压水孔口始终无压，则注浆初始采用比重1．2～1．3t/m3的浆液;如单次注浆累计注入水泥量超过200t，孔口压力仍不起压，则将浆液比重调整至1．5t/m3;当孔口起压后，根据压力上升的快慢程度，将浆液比重重新调整为1．2～1．3t/m3，直至注浆结束［3］。

3．3．8注浆材料调整工艺每次注浆初始均采用水泥单液浆，加入0．03%～0．05%的三乙醇胺和0．3%～0．5%的食盐作为早强剂;当单次注浆累计注入水泥量达到1000t时，则采用粉煤灰－水泥混合浆液，比例控制在1∶2～1∶1;当单次注浆累计注入水泥量达到2000t，但孔口仍不起压，则采用间歇注浆的方式，注浆12h，间歇8h，交替循环;如间歇注浆实施3次以上，孔口仍不起压，则每次间歇注浆时在孔口加入3%的水玻璃作为助凝剂，直至孔口起压达到注浆结束标准。

3．4工程施工成果工程工期共计37个月，共计施工地面主孔3个，定向分支孔43个，完成钻探工程量28681．05m;建设地面注浆站2座，累计注入水泥、粉煤灰128682．02t。区域治理工程钻孔布置如图2所示。

4注浆改造效果检验

4．1注后冲洗液观测当分支孔每次因冲洗液漏失而进行注浆施工后，扫孔至原孔深，观测孔内冲洗液漏失的情况，如冲洗液不漏失则继续钻进，如冲洗液仍然存在漏失情况则进行补充注浆。

4．2钻孔施工次序检验钻探施工中将每3～4个分支孔作为一个组，先施工两侧的分支孔，中间的分支孔作为检查孔后施工，必要时在两侧分支孔漏失量大、注浆量大的区段采用局部取芯钻进，查验岩溶裂隙的充填程度。以F3断层附近发现的断层破碎带为例，W1、W2、W3、W4、W5分支孔为一个孔组，按W1、W5、W4、W3、W2依次施工(见图3)。W1分支孔揭露了5个注浆量较大的漏失点，累计注浆量36962．15t，对断层破碎带进行了初步的充填加固，W5、W4、W3孔施工时共揭露6处漏失点，再次对该破碎带进行了局部充填加固。最后施工的W2孔全孔段无明显漏失。在对W5、W2分支孔施工时，分别在W1分支孔注浆量较大的区域附近进行了局部取芯，所取岩芯破碎，均发现了水泥充填。取芯结果验证了F3断层附近确实存在大范围的岩层破碎带，尤其是取芯段所取岩芯破碎，水泥充填痕迹明显，但冲洗液无明显漏失，充分验证了破碎带注浆加固的效果良好［4］。图3分支孔组施工次序示意图

4．3地面检验孔验证工程结束后，施工了2个地面检验孔，主要目的是探查奥灰含水层的水文地质条件，同时对注浆改造效果进行验证。钻孔在奥灰层段全段取芯，在奥灰含水层顶界面以下0～20．08m、20．08～50．13m层段分别进行了抽(压)水试验，如表1、表2所示。根据钻探施工及抽(压)水试验成果资料可知，奥灰含水层0～50m层段上部裂隙不发育，中下部裂隙发育，但裂隙被方解石或泥质充填，富水性弱。距离最近的漏失点初始漏失量为18m3/h，注浆前压水试验计算吸水率大于0．43624L/min．m．m，注浆后吸水率为0．00211L/min．m．m。

5奥灰含水层突水危险性分析

治理区域9号煤开采标高为－280～－480m，近三年奥灰含水层的最高水位为+53m，9号煤至奥灰含水层隔水层的平均厚度为43m，计算得出注浆改造前突水系数为0．086～0．131MPa/m。实施区域治理注浆改造工程后，可将奥灰含水层顶部改造层段视为相对隔水层，以最小改造厚度25m计算，改造后的隔水层平均厚度为68m，计算得出改造后突水系数为0．058～0．087MPa/m。

6结语

针对矿井深部采区高承压水、突水系数较大的区域，分析井田承压含水层水文地质条件，采取地面区域治理控制奥灰注浆的改造范围，同时研究浆液扩散的规律及不同条件下注浆材料的配比，最终可达到根治水害的目的，实现安全带压开采。目前，地面区域治理注浆改造含水层技术已经在邢台矿区全面推广应用，为解放深部煤炭资源和保水开采奠定了坚实的基础。

参考文献:

［1］王永全．羽状分支水平孔在煤矿水害地面区域探查与治理中的应用探讨［J］．中国煤炭地质，2018，30(S1):84－89．

［2］刘坤鹏．淮北界沟煤矿灰岩水害地面区域治理钻井设计优化［J］．中国煤炭地质，2020，32(10):60－64．

［3］赵璞．底板区域超前探查治理技术应用与设计研究［J］．煤炭与化工，2020，43(07):57－61+65．

［4］袁明．下组煤承压开采工作面合理长度技术研究［J］．煤炭与化工，2019，42(09):41－43.

作者:陈龙 单位:冀中能源股份有限公司