塑性早強水泥漿在礦井集中涌水防治中的應用

劉 洋

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

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塑性早強水泥漿在礦井集中涌水防治中的應用

劉 洋

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

針對某礦涌水地層的特點，結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件，分析了涌水來源和通道，提出了選用塑性早強水泥漿液進行注漿堵漏止水，取得了良好的效果，為類似地層條件下涌水的防治提供了借鑒。

礦井涌水，注漿堵水材料，塑性早強水泥漿，水位標高

1 礦井工程地質(zhì)概況

根據(jù)某礦綜合柱狀圖，井筒穿過地層主要有第四系、二疊系上石盒子組、二疊系下石盒子組、二疊系山西組、石炭系太原組。

1.1 第四系地層

厚度在0.00 m～97.98 m，平均厚度59.76 m，包括沖洪積物，由卵石、礫石、砂質(zhì)黃土等組成，分布于河谷底部；淡黃色亞砂土，垂直節(jié)理發(fā)育，分布于梁峁及山坡上部，分布廣泛；暗紅色、棕紅色亞砂土，含有2層～3層鈣質(zhì)結(jié)核層。底部有鈣質(zhì)膠結(jié)的礫層。與下伏巖層為不整合接觸。

1.2 二疊系上石盒子組

厚度在182.01 m～219.37 m，平均厚度199.19 m，該組地層主要為粘土巖與泥巖、砂巖互層結(jié)構(gòu)。主要包括灰色粘土巖、灰綠色泥巖、灰綠色砂巖。

1.3 二疊系下石盒子組

厚度在76.00 m～95.10 m，平均厚度83.63 m，該組地層主要為灰色粘土巖、粉砂巖與泥巖。

1.4 二疊系山西組

厚度在60.15 m～85.00 m，平均厚度78.68 m，該組地層主要包含灰色泥巖夾細泥巖及6層不穩(wěn)定薄煤層，2層穩(wěn)定薄煤層。

1.5 石炭系太原組

厚度在82.36 m～112.10 m，平均厚度97.71 m，該組地層本井田主要含煤地層。該組地層為石灰?guī)r、泥巖互層結(jié)構(gòu)，間夾煤層。本組地層含兩層穩(wěn)定煤層及兩層不穩(wěn)定煤層。

2 礦井水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結(jié)構(gòu)，本次將地下水含水層劃分為4層：

1)第四系松散層孔隙含水層，該層補給主要靠大氣降水補給，但補給有限，多為透水層，弱富水性。

2)二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層，地面多以泉的形式出露，泉流量一般小于20 m3/d。

3)二疊系下石盒子組、山西組砂巖裂隙含水層，單位涌水量：0.000 2 L/(s·m)，滲透系數(shù)：0.000 08 m/d，弱富水性。

4)石炭系太原組砂巖裂隙夾石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，巖溶裂隙發(fā)育，強富水性含水層，單位涌水量0.42 L/(s·m)，滲透系數(shù)1.92 m/d。

3 井下涌水基本情況

某礦的充水水源主要為老空、采空水，太原組10煤層頂板以上的L1,L2,L5灰?guī)r水以及砂巖裂隙水，據(jù)《礦井水文地質(zhì)類型劃分報告》，太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層水位標高1 235.36 m，奧灰?guī)r溶含水層水位標高1 250.1 m。太原組巖溶裂隙含水層主要為L1,L2,L5灰?guī)r，平均厚度分別為6.79 m,6.23 m,3.35 m，L1灰?guī)r厚度最大，巖溶裂隙較發(fā)育，富水性中等，距10號煤10 m左右，對該煤層影響較大。主要涌水點有三個，基本情況如表1所示。

表1 主要涌水點基本情況

1號區(qū)域涌水點位于軌道暗斜井中部，該巷道為穿層巷道，拱形斷面，巷寬4.5 m，高3.5 m，全巖，坡度為17°，方位244°，采用錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護。現(xiàn)巷道涌水點區(qū)域頂部有一處淋水，巷幫下側(cè)3處集中出水(其中兩處為巷幫裂隙出水，一處為鉆孔出水，該鉆孔為掘進期間巷道起坡處超前探放水孔，開孔位置10號煤頂板，安設注漿管孔徑90 mm,終孔孔徑60 mm,鉆探深度107 m時出水停鉆，鉆孔方位245°，傾角17°)，涌水量合計21 m3/h。該處涌水點標高1 138 m，承受太原組灰?guī)r水頭壓力0.95 MPa, 承受奧灰?guī)r溶水水頭壓力1.10 MPa。

2號區(qū)域涌水點位于回風暗斜井中部，該巷道為穿層巷道，拱形斷面，起坡10號煤，巷寬3.2 m，高2.5 m，全巖，方位335°，坡度為30°，采用錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護，巷幫下側(cè)集中涌水點3處(其中兩處為巷右?guī)土严冻鏊?，一處為左幫鉆孔出水，鉆孔開孔位置6號煤，方位335°，傾角30°，安設注漿管孔徑90 mm,終孔孔徑60 mm，深度90 m時探通上部原枝柯二坑3號老空出水停鉆)，該處涌水點標高1 088.59 m，承受太原組灰?guī)r水頭壓力1.43 MPa, 承受奧灰?guī)r溶水水頭壓力1.58 MPa。涌水量合計25 m3/h(其中鉆孔涌出的老空酸性水流量14 m3/h，巷幫裂隙涌水量11 m3/h)。推測為太灰含水層出水。

3號區(qū)域涌水點位于主斜井中部6號甩車場，巷道沿6號煤層底板掘進，寬4.5 m，高3.5 m，全巖拱形巷道，坡度0°，采用錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護，集中涌水點為巷道頂板、側(cè)幫巖石裂隙出水，涌水量18 m3/h。涌水點標高1 091 m，承受太原組灰?guī)r水頭壓力1.41 MPa,承受奧灰?guī)r溶水水頭壓力1.56 MPa。推測為L5灰?guī)r及K3砂巖裂隙水。

4 注漿堵水材料和工藝

4.1 注漿堵水材料

綜上所述，以上涌水點均為裂隙出水，水源為煤層上部采空區(qū)積水、灰?guī)r水和砂巖裂隙水，水量較大，水壓較高，需要選用合適的注漿材料和施工工藝進行治理。目前主要的注漿堵水材料特性如表2所示。

表2 主要注漿堵水材料特性

以上三種材料均不能完全滿足該礦涌水堵漏的要求：

1)單液水泥漿離析和收縮后無法填滿裂隙；2)黏土水泥漿強度增長緩慢，無法封堵大量涌水；3)水泥—水玻璃溶液易被侵蝕溶解，不能長時間保證堵漏效果。

相關(guān)研究表明，水泥基注漿材料絮凝結(jié)構(gòu)破壞是導致水泥基注漿材料離析和收縮的主要原因，通過在漿液內(nèi)加入微硅、懸浮劑和穩(wěn)定劑，有效改善了漿液的絮凝結(jié)構(gòu)體系，形成了既有單液水泥漿的加固性能，也具有黏土水泥漿穩(wěn)定性和流動性的塑性早強水泥漿[1]，非常適用于裂隙發(fā)育的富水性涌水點注漿堵漏。因此選用該種新型注漿堵水材料處理涌水。

4.2 注漿工藝

采用分層注漿方式封堵漏水，第一層以加固為目的的淺孔注漿，第二層是以堵水為目的的深孔注漿，均采用前進跳孔注漿的方式。淺孔注漿采用水泥—水玻璃漿液，快速封堵表面裂隙；深孔注漿采用塑性早強水泥漿[2]。

集中涌水點鉆孔布置方式：根據(jù)涌水點裂隙發(fā)育情況及涌水量，在出水裂隙2.5 m范圍內(nèi)布置鉆孔6個～8個(見圖1)。

孔口管固定分2個步驟，第一步在孔口管下方端頭位置纏麻下入鉆孔內(nèi)，在第一步固定時，可能出現(xiàn)固定難度大的問題，除了纏麻絲外，還需借力已施工的錨桿協(xié)同固定，若孔口周圍無可利用錨桿，需施工新的錨桿，保證孔口管的穩(wěn)定。第二步注雙液漿進行滿管固定，第二步結(jié)束后，凝固12 h以上，經(jīng)打壓試驗合格后，進行2次成孔。

出水點孔口管選用直徑32 mm的焊管，長1.5 m，一頭焊接長50 mm的1寸扣頭，另一頭有800 mm的馬牙扣，孔打好后，注漿管纏麻絲打入，外露60 mm～100 mm。

根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料，注漿終壓值為凈水壓力的2倍～2.5倍，壓水實驗的壓力值為注漿終壓的1.2倍～1.5倍，注漿終壓及試水壓力值如表3所示。

表3 注漿終壓及試水壓力設計值 MPa

經(jīng)過堵水治理，三個集中涌水點的涌水得到有效封堵，涌水量大大減少，治理前后涌水量對比如表4所示。

表4 注漿治理前后涌水點涌水量對比表 m3

5 結(jié)語

針對裂隙發(fā)育導通的上覆含水層和采空區(qū)積水礦井涌水點，在已有水泥基注漿材料無法滿足要求的情況下，選用塑性早強水泥漿，并配合分層注漿堵漏的施工工藝，將總涌水量由64 m3降至2.4 m3，有效解決了涌水帶來的安全隱患，為類似條件下礦井集中涌水的防治提供了參考和借鑒。

[1] 袁東鋒.塑性早強水泥復合漿液研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2009.

[2] 周興旺.注漿施工手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2014.

The application of plastic early strength cement slurry in mine centralized water inflow prevention and control

Liu Yang

(Beijing China Coal Mining Engineering Limited Company, Beijing 100013, China)

According to the characteristics of a mine water inflow stratum, combining with the mine hydrology geology conditions, this paper analyzed the water inflow source and channel, proposed the use of plastic and early strength cement slurry made grouting amount water plugging and stopping, achieved good results, provided reference for the prevention and treatment of similar stratum water inflow.

mine water inflow, grouting water plugging material, plastic early strength cement slurry, water level elevation

1009-6825(2017)16-0096-03

2017-03-09

劉 洋(1988- )，男，助理工程師

TU528.042

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