郎 君,劉正武
(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系,山西 呂梁 033000)
我國(guó)是一個(gè)煤礦大國(guó),煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位,對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。隨著煤礦資源的大量回采,淺埋深煤層已趨于殆盡,煤炭企業(yè)不得不向深部發(fā)展,我國(guó)礦井正以每年8~12 m的速度向下延伸[2]。隨著開(kāi)采深度的增加,煤礦面臨水害威脅,特別是沁水煤田受底板構(gòu)造區(qū)高壓奧灰水影響[3]。一旦發(fā)生突水事故,將造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡,甚至造成社會(huì)不穩(wěn)定因素[4-5]。
注漿加固技術(shù)是保證工作面底板穩(wěn)定的有效手段,它是沿著工作面巷道布置鉆場(chǎng)向煤層底板鉆注漿孔,通過(guò)注漿孔將漿液輸送到底板構(gòu)造區(qū)內(nèi),從而大大減弱底板構(gòu)造區(qū)的富水性并切斷給水源[5],而注漿效果評(píng)價(jià)對(duì)于工作面底板構(gòu)造區(qū)的穩(wěn)定起著決定性作用。
對(duì)于注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)的研究,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,評(píng)價(jià)方法以定性評(píng)價(jià)為主,尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒,由于注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)的不規(guī)范,導(dǎo)致工作面底板注漿加固工程完成后無(wú)法正確評(píng)價(jià),無(wú)法保證注漿工程取得良好的效果[6-8]。因此,注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)對(duì)于保證注漿工程質(zhì)量具有重要意義。本文以山西某礦為試驗(yàn)礦井,利用綜合物探技術(shù)對(duì)構(gòu)造區(qū)進(jìn)行探測(cè)并對(duì)其進(jìn)行注漿加固改造,對(duì)改造后的區(qū)域進(jìn)行物探、鉆孔電視窺視、分段注水測(cè)試,并對(duì)工作面回采過(guò)程中涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè),基于工作面的安全回采提出了構(gòu)造區(qū)注漿加固效果探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)表,以期對(duì)今后類(lèi)似工程的注漿施工提供借鑒價(jià)值。
山西某礦生產(chǎn)能力為1.5 Mt/a,主采5號(hào)煤層,煤層平均厚度為9.4 m,煤層傾角為31°。以3205工作面作為試驗(yàn)工作面,工作面底板下方為灰?guī)r,屬于富水含水層,距離最小58 m,最大81 m,水壓可達(dá)3.2 MPa,工作面走向、傾向分別是438 m、110 m。工作面布置如圖1所示。
圖1 工作面布置示意圖
1、瞬變電磁
瞬變電磁是通過(guò)接地線(xiàn)向地下發(fā)射電磁場(chǎng),在脈沖磁場(chǎng)期間利用接地電極引起的渦流場(chǎng)進(jìn)行電阻率探測(cè)的一種方法,其原理如圖2所示[9]。
圖2 瞬變電磁探測(cè)原理圖
2、直流電法
直流電法是利用煤巖體與富水區(qū)域的電性區(qū)別進(jìn)行探測(cè)的。通過(guò)人為向底板煤巖體提供穩(wěn)定電流,利用接收設(shè)備觀測(cè)電流在底板的分布情況,從而確定底板的構(gòu)造異常區(qū)[10]。探測(cè)原理如圖3所示。
圖3 直流電法原理圖
1)瞬變電磁
瞬變電磁探測(cè)采用偶極進(jìn)行分析,距離設(shè)置為15 m,探測(cè)布置示意如圖4所示。線(xiàn)圈指向探測(cè)方向,在巷道兩側(cè)分別布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)。
圖4 布置方式與探測(cè)方向
瞬變電磁探測(cè)后采用GOTEM進(jìn)行處理,經(jīng)過(guò)正反演計(jì)算,得出底板層的電阻率與距離探測(cè)數(shù)據(jù)圖,結(jié)合水文地質(zhì)特征,對(duì)正反演圖像進(jìn)行處理,其探測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。
圖5 瞬變電磁探測(cè)結(jié)果
由圖5可知,在整個(gè)勘測(cè)范圍內(nèi)存在3個(gè)低電阻率區(qū),從左向右依次標(biāo)記為Y1、Y2、Y3。其與工作面底板距離分別是42 m、52 m、68 m。其中Y1的面積最大。導(dǎo)高較大且分布極不均勻;Y2區(qū)域范圍較小,導(dǎo)高最小,內(nèi)部發(fā)育極不均勻,工作面回采時(shí)容易發(fā)生突水;Y3區(qū)域范圍中等,導(dǎo)高中等發(fā)育不均勻,有發(fā)生突水的可能。
2)直流電法
直流電法采用四極探測(cè)法,共布置30個(gè)物理點(diǎn)。直流電法探測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖6 直流電法探測(cè)結(jié)果
由圖6可知,勘探范圍內(nèi)存在兩個(gè)異常區(qū),從左到右依次編號(hào)為D1、D2。與巷道底板的距離分別是2 m、15 m。其中D1區(qū)域最大,部分區(qū)域向底板深部延伸,且分布極不均勻。工作面回采時(shí),極易發(fā)生突水事故。
3)物探綜合分析
采用瞬變電磁和直流電法對(duì)3205工作面進(jìn)行探測(cè)。兩種物探方法相結(jié)合,查明了3205工作面底板90 m范圍內(nèi)的巖層賦水特性,綜合兩種物探數(shù)據(jù),得出煤層底板巖層低阻異常區(qū)如圖7所示。
圖7 工作面綜合探測(cè)異常區(qū)平面圖
圖中的綠色、藍(lán)色、青色陰影區(qū)域分別顯示的是工作面底板下方30 m(發(fā)生底板突水可能性較大的切片)、40 m(不排除發(fā)生底板滲、出水可能性的切片)、55 m(存在于深部不會(huì)發(fā)生底板突水的切片)處的異常區(qū)域平面分布情況。選取30 m、50 m兩個(gè)切片深度,主要考慮到底板奧灰水與煤層之間多以松軟、破碎巖石為主,抵御底板奧灰水壓的骨架剛性存在不足,結(jié)合相似水文地質(zhì)條件礦區(qū)的物探經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。
由圖7可知,工作面底板存在3個(gè)異常區(qū)域,其編號(hào)分別為 Z1、Z2、Z3。
Z1、Z2異常區(qū)范圍和導(dǎo)高較大,工作面回采發(fā)生底板突水概率較大,對(duì)工作面安全回采存在較大影響,要引起重視。
Z3異常區(qū)范圍和導(dǎo)高中等,工作面回采不排除發(fā)生底板滲、出水的可能性,要引起注意。
根據(jù)物探結(jié)果對(duì)底板進(jìn)行注漿加固改造,灰?guī)r擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)為25 m,在正常地層段進(jìn)行均勻布孔,對(duì)于富水區(qū)域進(jìn)行密集布孔,在工作面的兩側(cè)巷道分別布置八個(gè)鉆窩,對(duì)于正常地層布置6個(gè)鉆孔,對(duì)于異常區(qū)域布置8個(gè)鉆孔,鉆窩布置如圖8所示。
圖8 鉆場(chǎng)布置示意圖(單位:mm)
根據(jù)底板深度和物探結(jié)果進(jìn)行鉆孔參數(shù)設(shè)定,設(shè)計(jì)終孔為進(jìn)入灰?guī)r5 m,鉆孔最大長(zhǎng)度為151 m,最小長(zhǎng)度為62 m。共布置鉆孔60個(gè),共鉆進(jìn)長(zhǎng)度4 526.65 m。采用全液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)。注漿材料選用雙液無(wú)機(jī)注漿材料,利用2TGZ- 60/210注漿泵進(jìn)行注漿,注漿壓力設(shè)計(jì)為3~4 MPa,根據(jù)地質(zhì)特征以及承壓水壓力確定注漿終壓為5.6 MPa[11]。
雙液無(wú)機(jī)注漿材料A液以硫鋁酸鹽水泥熟料為主,B液以生石灰和石膏混合材料為主。添加相應(yīng)的速凝劑、緩凝劑、減水劑。注漿材料凝結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)到35 min,最短為30 s,凝結(jié)時(shí)間區(qū)間較大,能夠適應(yīng)底板構(gòu)造區(qū)注漿加固工程;抗壓強(qiáng)度可達(dá)16.8 MPa,能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求;漿液干縮率隨著水灰比的增大而增加,當(dāng)水灰比為2.0∶1時(shí),漿液干縮率為3.8%,小于5%,材料整體干縮率較小能夠極大保證漿液穩(wěn)定性;漿液泌水率隨著水灰比的增大而增加,當(dāng)水灰比為2.0∶1時(shí),漿液的泌水率達(dá)到最大值,為4.7%,小于5%,較低的泌水率能夠保證材料得到充分反應(yīng),達(dá)到材料最優(yōu)效果。
工作面底板構(gòu)造區(qū)注漿加固后,其構(gòu)造區(qū)完整性、連續(xù)性必然發(fā)生改變,對(duì)于完整性主要指裂隙寬度兩方面,注漿后漿液構(gòu)造區(qū)充填,最終固結(jié)硬化,使得裂隙開(kāi)度與寬度必然減少,可通過(guò)滲透系數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià);連續(xù)性是指漿液充填后,將構(gòu)造區(qū)充滿(mǎn)漿液,將不完整的煤巖體固結(jié)形成連續(xù)整體,可通過(guò)物探技術(shù)、鉆孔電視窺視技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上所述,采用物探、鉆孔電視、滲透系數(shù)法對(duì)構(gòu)造區(qū)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
物探檢測(cè)法是測(cè)定注漿前后構(gòu)造區(qū)地層視電阻率變化特征,通過(guò)注漿前后的視電阻率變化評(píng)價(jià)注漿效果。采用直流電法對(duì)注漿后的底板進(jìn)行探測(cè),得到的探測(cè)結(jié)果如圖9所示。
圖9 注漿后探測(cè)結(jié)果
對(duì)比圖6和圖9可知,注漿后異常區(qū)D1范圍大幅度減少,視電阻率明顯升高,說(shuō)明注漿后漿液將構(gòu)造區(qū)中的水置換出來(lái),煤巖體連續(xù)性得到提高,注漿改造效果明顯。
鉆孔電視探測(cè)是一種直觀地對(duì)裂隙連續(xù)性分析的一種方法。通過(guò)對(duì)比注漿前后工作面底板構(gòu)造區(qū)裂隙充填情況來(lái)判斷注漿效果。
鉆孔電視探測(cè)可以清晰地看到鉆孔內(nèi)部裂隙情況(鉆孔電視結(jié)構(gòu)如圖10所示)。能夠很好地反映注漿后地層特征[14],該設(shè)備通過(guò)CCD光學(xué)耦合器將鉆孔中裂隙發(fā)育特征進(jìn)行實(shí)時(shí)采集(如圖11所示),深度測(cè)試裝置監(jiān)測(cè)探頭深度并傳輸?shù)教幚砥髦?,最后通過(guò)圖片形式展現(xiàn)出來(lái)。
圖10 鉆孔電視結(jié)構(gòu)圖
圖11 注漿后裂隙充填情況
通過(guò)鉆孔電視進(jìn)行探測(cè),能夠?qū)@孔內(nèi)的情況以圖片的形式展現(xiàn)出來(lái),具有非常好的直觀性,注漿前后裂隙情況如圖11所示。
由圖11(a)可知,注漿前工作面底板地層明顯存在裂隙,且裂隙寬度較大,以大于2 mm的裂隙為主。
由圖11(b)可知,注漿后裂隙明顯被白色的漿液填充,僅有一小部分微小裂隙沒(méi)有被白色漿液填充,經(jīng)分析,普通水泥漿液難以進(jìn)入地層微小裂隙中,而大多數(shù)裂隙已被白色漿液完全填充,裂隙寬度主要以小于1 mm為主,注漿加固提高了煤巖體的連續(xù)性,注漿改造效果明顯。
滲透系數(shù)法是通過(guò)分段注水試驗(yàn)測(cè)定地層水漏失量,根據(jù)下式得出滲透系數(shù)的一種方法,對(duì)于底板注漿改造、防治水工程具有非常好的效果。
式中:k——注漿后地層滲透系數(shù),m /d;
Q——測(cè)試過(guò)程中每個(gè)測(cè)試段穩(wěn)定注水量,m3;
l——每次測(cè)試的長(zhǎng)度,m;
s——鉆孔中承壓水的壓力,MPa;
r——測(cè)試過(guò)程中所鉆鉆孔的半徑,m。
測(cè)試過(guò)程中采用山東科技大學(xué)設(shè)計(jì)的雙栓塞注漿測(cè)試設(shè)備,該設(shè)備具有很好的測(cè)試效果,其測(cè)試原理是:注漿前裂隙整體發(fā)育度較高,當(dāng)注漿加固工程實(shí)施后,裂隙被漿液充填,裂隙發(fā)育度隨之降低,鉆孔注水量明顯減低,通過(guò)鉆孔注水量判斷裂隙充填情況,注水試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖12所示[14]。
圖12 注水設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖
試驗(yàn)過(guò)程中采用注漿壓力為5.5 MPa,每次測(cè)試1 m,每段測(cè)試三次取平均值,測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 注水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
根據(jù)測(cè)試結(jié)果結(jié)合上式進(jìn)行計(jì)算,得出地層的滲透系數(shù)在 1.73×10-5~1.91×10-5cm/s之間,滲透系數(shù)較小,理論上滿(mǎn)足工作面安全回采的需要,達(dá)到注漿加固改造的效果。
為了進(jìn)一步分析注漿對(duì)于底板改造的效果,對(duì)工作面回采過(guò)程中涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè),得出不同推進(jìn)距離下的涌水量曲線(xiàn)如圖13所示[15]。
圖13 涌水量曲線(xiàn)圖
由圖13可知,工作面開(kāi)采初期涌水量隨著回采距離的增加呈直線(xiàn)上升,隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn),在150~300 m之間呈現(xiàn)降低趨勢(shì),之后基本保持在同一水平,工作面最大涌水量小于工作面排水能力(80 m3/h)。實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。
注漿效果評(píng)價(jià)是對(duì)構(gòu)造區(qū)注漿加固工程實(shí)施好壞的有效評(píng)定,以安全回采為依據(jù)。采用物探技術(shù)、鉆孔電視法、滲透系數(shù)法、涌水量監(jiān)測(cè)法對(duì)注漿指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)定,根據(jù)各個(gè)方法的特點(diǎn),得出構(gòu)造區(qū)注漿加固評(píng)價(jià)表如表2所示。
表2 構(gòu)造區(qū)注漿加固效果探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)表
物探技術(shù)對(duì)于一定埋深條件下的精度較高,而對(duì)于深部開(kāi)采物探精度大大降低,同時(shí),煤礦施工過(guò)程中使用大量的錨桿、錨索等鋼制材料,對(duì)于物探結(jié)果存在較大影響,因此,物探技術(shù)僅能作為注漿效果評(píng)價(jià)的補(bǔ)充手段。
鉆孔電視探測(cè)該技術(shù)屬于物理探測(cè)技術(shù),不受地質(zhì)環(huán)境的影響,其裂隙寬度精度可達(dá)0.1 mm,通過(guò)探測(cè)圖像能夠直觀地看到裂隙充填情況,具有非常高的準(zhǔn)確度,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)全注漿區(qū)域的探測(cè),可作為注漿效果評(píng)價(jià)的主要手段。
滲透系數(shù)法該方法屬于物理探測(cè)技術(shù),受地質(zhì)環(huán)境影響較少,通過(guò)注漿量反算地層滲透率,定量評(píng)價(jià)注漿效果,與鉆孔電視一樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)全注漿區(qū)域的地層測(cè)試,可作為注漿效果評(píng)價(jià)的主要手段。
涌水量監(jiān)測(cè)法是注漿效果檢測(cè)的有效方法,通過(guò)記錄不同推進(jìn)距離下的工作面涌水量定量評(píng)價(jià)注漿效果,是注漿效果評(píng)價(jià)的主要手段。
對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了定性和定量化分析,提出了構(gòu)造區(qū)注漿加固效果探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)表,注漿后異常區(qū)范圍大幅度減少,視電阻率明顯升高;注漿后地層裂隙被充填,裂隙寬度主要以小于1 mm為主;注漿后地層鉆孔滲透系數(shù)保持在10-5等級(jí)以下;工作面涌水量小于工作面排水能力,實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采,對(duì)于構(gòu)造區(qū)注漿加固工程具有重要的借鑒意義。