粘土水泥漿在龍泉礦堵水工程中的應(yīng)用研究

趙利濤

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

礦井水文地質(zhì)條件是影響礦井安全高效生產(chǎn)的重要條件之一。我國北方煤系地層下部灰?guī)r巖溶發(fā)育，裂隙分布，且強含水，在采動過程中底板破壞，極易形成導(dǎo)水通道，發(fā)生突水。為了煤礦的安全高效生產(chǎn)，通過對底板進行注漿改造，可以改善底板巖體強度，使本來的強含水層變成弱含水層或者隔水層，該方法既降低了成本，又保護了地下水環(huán)境。近些年來注漿技術(shù)快速發(fā)展，注漿材料呈現(xiàn)出多樣化，由最初的單液水泥漿液發(fā)展到水泥水玻璃漿液，再到其它化學(xué)漿液，又發(fā)展形成了水泥粘土漿液。以太原婁煩龍泉煤礦4301 工作面為工程背景，針對煤層底板的水文地質(zhì)特征及裂隙發(fā)育特征，對突水原因進行分析，科學(xué)合理使用粘土水泥漿，根據(jù)漿液在高壓動水條件下的擴散規(guī)律，合理選擇鉆孔位置、注漿材料和注漿工藝，達到快速封堵導(dǎo)水通道的目的。

1 工程概況

太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司位于婁煩縣城北10 km 處，新舍科- 上龍泉- 下靜游村一帶，設(shè)計生產(chǎn)能力為400 萬t/a。礦井主采4 號、7 號、9 號煤層，4 號煤層平均厚度6.47 m，7 號煤層平均厚度1.1 m，9 號煤層平均厚度11.68 m，主要煤種為氣煤、肥煤，屬于優(yōu)質(zhì)電煤和煉焦配煤，4號煤層受底板水害威脅。4301 工作面是4 號煤三采區(qū)第一個工作面，工作面走向長1 200 m，可采長度為715 m，傾向?qū)?50 m，底板標(biāo)高+525—+625 m，地面標(biāo)高+1 186.2—+1 300.7 m，底板承受太灰水壓達高5.4～6.4 MPa，據(jù)最近OW2 鉆孔水位標(biāo)高1 078 m，工作面切巷底板標(biāo)高520 m，底板壓力在5.53 MPa，4301 工作面底板隔水層承受奧陶系灰?guī)r水壓6.14～7.04 MPa。工作面回采后初次來壓即發(fā)生底板涌水，最大值190 m3/h，最后穩(wěn)定在180 m3/h。

2 注漿堵水機理及目的

2.1 注漿堵水機理

對巖體進行注漿的目的主要是堵水和加固，注漿技術(shù)發(fā)展的初期主要采用水泥漿液，隨著注漿技術(shù)的發(fā)展及其對注漿材料的研究，注漿材料逐漸呈現(xiàn)多樣化，此次注漿采用粘土水泥漿。粘土是一種抗蝕性材料，采用粘土水泥漿可以降低水泥消耗量，具有顯著的經(jīng)濟性，改革了注漿工藝，提高了施工效率。

粘土水泥漿是由粘土漿、水泥、水玻璃組成的懸濁液，穩(wěn)定性高、流動滲透性好，具有粘性、塑性、彈性三態(tài)變化規(guī)律，粘土水泥漿三態(tài)變化是其成功堵水的內(nèi)因，在粘性狀態(tài)下漿液具有良好的懸浮穩(wěn)定性、流動性和擴散性；塑性強度增加可防止?jié){液沿單一裂隙超擴散，防止地下水滲透、稀釋；彈性狀態(tài)保證形成密實的堵水帷幕。

2.2 注漿工程目的

結(jié)合4301 工作面地質(zhì)條件，通過水量、水壓、水質(zhì)注漿前后變化數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為出水通道為隱伏導(dǎo)水裂隙帶，出水原因為回采導(dǎo)致底板破壞，底板裂隙與隱伏導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通。出水水源為太原組K3、L3、L2、L1 含水層組、9 煤底板K1、本溪灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層多種水源參與的混合水源。此次底板水害探查治理鉆探注漿工程的目的為快速封堵4301 工作面出水點，減少工作面涌水，滿足工作面恢復(fù)生產(chǎn)的條件。

根據(jù)治理目的，此次工程主要任務(wù)是快速封堵涌水點，盡快減少或消除工作面底板涌水，減水率達到80%以上。

3 工程實踐

3.1 鉆探施工方案設(shè)計

依據(jù)4301 工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合注漿堵水機理及注漿工程目的，對鉆探施工方案進行設(shè)計。

工程為高壓動水注漿堵水，鉆孔布置在采空區(qū)出水區(qū)域附近，受采空底板破壞、礦壓超前破壞和出水動壓破壞多重影響，還要考慮鉆孔后期高壓注漿時的安全施工，必須對鉆孔結(jié)構(gòu)進行科學(xué)合理設(shè)計，保證鉆探注漿工程安全實施，避免發(fā)生次生災(zāi)害。

最終確定施工鉆孔個數(shù)為15 個，其中輔運巷1 號鉆場2 個鉆孔，2 號鉆場4 個鉆孔；膠帶巷3號鉆場4 個鉆孔，4 號鉆場5 個鉆孔，設(shè)計總進尺2 514 m，4301 工作面設(shè)計鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 4301 工作面設(shè)計鉆孔布置Fig.1 4301 working face design drilling layout

3.2 注漿工藝

3.2.1 粘土水泥漿的制作

先按照制純粘土漿的工藝流程把粘土制成精漿儲存在精漿池。制漿時，把粘土精漿、水按設(shè)計的重量比送入高速制漿機，把水泥也按照設(shè)計的重量比送入高速制漿機。配料完成后系統(tǒng)自動制漿，2～3 min 即可，將制好的粘土水泥漿送入儲漿池。

3.2.2 注漿方式

此次注漿采用下行注漿，注漿改造工程應(yīng)分序次施工，按照先疏后密、中間插補、相鄰鉆孔不得同時施工、同時注漿的原則方案。一般分3 個序次，每個序次按總工程量的30%控制，剩余10%按檢查孔使用。在實體煤區(qū)域底板較完整塊段施工的鉆孔，注漿終壓采用底板巖溶含水層靜水壓力的1.5 倍，注漿結(jié)束泵量規(guī)定為5 m3/h，即當(dāng)泵量為5 m3/h 左右時達到上述注漿結(jié)束壓力，視為達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)束注漿，注水泥進行封孔。

4 注漿效果評價

4.1 單孔注漿效果分析

采用噸水干料值來量化分析單孔注漿效果，鉆孔的噸水干料值即單孔注漿量和單孔涌水量的比值，一般認(rèn)為這個比值越大，注漿效果越好。從表1 可以看出，2-0、4-2、4-6 鉆孔注漿噸水干料值均在10 以上，反應(yīng)出這幾個鉆孔在注漿堵水中效果相對較好，在堵水中起到的作用也相對較大。

表1 4301 工作面注漿堵水鉆孔噸水干料值計算Table 1 Calculation of tons of water dry material value of grouting water plugging hole on 4301 working face

4.2 整體注漿堵水效果分析評價

在現(xiàn)場施工過程中，最終施工鉆孔個數(shù)為15個，實際總進尺2 547 m，累計注漿17 668.13 m3，總干料3 926.611 t，其中水泥2 212.052 t、粘土1 714.559 t。分3 次進行注漿，最后井下注水泥1 t封孔。

根據(jù)礦地測部門提供的工作面排水資料，4301工作面底板涌水量在堵水前一周平均182.14 m3/h，到2018 年8 月19 日，4301 工作面底板水量在32 m3/h，注漿堵水率82%，如圖2 所示。達到了預(yù)期目的，4301 工作面于2018 年9 月12 日恢復(fù)生產(chǎn)。

圖2 4301 工作面周涌水量注漿堵水變化曲線Fig.2 Variation curve of grouting water plugging with weekly water inflowat 4301 working face

5 結(jié) 論

（1） 粘土水泥漿粘性、塑性、彈性三態(tài)變化是其成功堵水的內(nèi)因，為提高堵水效果，需要依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合注漿堵水機理及注漿工程目的，對鉆探施工方案進行設(shè)計。

（2） 采用粘土水泥漿對4301 工作面進行注漿治理，單孔注漿效果良好，整體注漿堵水效果明顯，最終工作面底板水量在32 m3/h，注漿堵水率82%，達到了預(yù)期目標(biāo)，保障了工作面的安全回采，為類似工作面的堵水工程提供了借鑒。