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注浆截流技术在涌水防治中的应用
2018-07-24
为了消除灰岩水害、保护地下水资源、减少矿井排水量、提高矿井经济效益,通过调查 平禹一矿水文地质条件,分析矿井寒武系和石炭系灰岩岩溶水的充水水源,查明补给通道和控制因 素。在地面和井下采用注浆截流方法,对矿井岩溶水补给通道上游进行封堵。注浆工程实施2 期, 在保证水压持续下降的前提下, 明显减少了矿井涌入水量, 由治理前2 894 m3 / h 削减 至2 000 m3 / h,降低了对环境的破坏程度,减少了矿井水害威胁。
Serial No. 590 June. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 590期 2018 年 6 月第 6 期 注浆截流技术在涌水防治中的应用 程东良ꢀ 武天红ꢀ 孙ꢀ 亮 ( 河南省许平煤业有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为了消除灰岩水害、保护地下水资源、减少矿井排水量、提高矿井经济效益,通过调查 平禹一矿水文地质条件,分析矿井寒武系和石炭系灰岩岩溶水的充水水源,查明补给通道和控制因 素。 在地面和井下采用注浆截流方法,对矿井岩溶水补给通道上游进行封堵。 注浆工程实施 2 期, 3 在保证 水 压 持 续 下 降 的 前 提 下, 明 显 减 少 了 矿 井 涌 入 水 量, 由 治 理 前 2 894 m / h 削 减 3 至 2 000 m / h,降低了对环境的破坏程度,减少了矿井水害威胁。 关键词ꢀ 补给通道ꢀ ꢀ 注浆截流ꢀ ꢀ 矿井涌水量 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 06. 067 ꢀ ꢀ 河南平禹煤电公司一矿(简称平禹一矿) 始建 平禹一矿矿区内岩溶水直接补给区。 降水入渗补给 强度不仅与地层岩性及岩性组合、岩溶发育程度、地 形地貌、构造等有关,还与降水强度、方式及持续时 间等有关。 根据禹州矿区 1 ∶10 万矿区水文地质图, 采用求积仪计算,区内寒武系奥陶系碳酸盐岩直接 于 1969 年 9 月,1976 年 10 月投产。 主采二叠系山 西组二1 煤和二3 煤。 矿井现开采水平为ꢁ200 m,最 低开采标高为ꢁ415 m。 平禹一矿处于禹州岩溶水 系统最下游的承压水自流排泄区,煤层底板石炭系 太原组灰岩和寒武系灰岩发育,富水性和导水性强, 2 出露面积为 400 km 。 井田范围内,大面积的寒武 3 补给充沛。 2003 年矿井平均涌水量为 2 600 m / h, 系碳酸盐岩被二叠系、三迭及第三系地层所掩埋,间 接接受大气降水的入渗补给。 颖河及其支流从井田 中部内流过,河水对沿河两岸的第四系含水层有补 给作用,但对岩溶水基本没有补给。 由此可见,大气 降水是禹州岩溶水系统的主要补给来源。 这样的地 形地貌为采用注浆截流技术进行治理提供了便利条 件。 3 2 013 年矿井平均涌水量达 2 894 m / h。 在当前煤 炭价格低落和生产成本不断增加的不利形势下,减 少排水成本,降低费用,成为必须解决的问题。 平禹 一矿矿井水文地质类型极为复杂,断层发育。 自 1 972 年以来,已经发生 49 次突水,其中 2 次淹井、2 次淹采区;2005 年 10 月 19 日东大巷扩砌过程中, 因断层导水,使得寒武系灰岩水涌入矿井,发生特大 2ꢀ 注浆截流方案设计与实施 3 型突水,最大突水量达 38 056 m / h,导致矿井被淹。 帷幕注浆截流是在矿区主要进水通道上,通过 钻孔注浆,形成帷幕状的人工阻水体,堵截流向矿井 的地下水量,可用于解决矿井涌水量大,排水费用高 的防治水问题。 理论上效果可表现为排相同的水 量,可获得更大的水位(压)下降,或排较少的水量, 获得同样的水位(压) 下降,再或兼而有之,矿井采 为了消除岩溶水突水威胁,保障矿井安全生产, 杜绝重特大突水事故的发生,从根本上解决承压水 威胁的问题,标本兼治,提出了浅部帷幕注浆、中部 [ 1] 疏水降压和局部注浆加固的治理原则 ,采用注浆 截流技术分期实施治水工程。 [ 2] 1 ꢀ 矿区水文地质 面回采时突水系数不超过相关规定 。 本次帷幕 平禹一矿西北部和西南部为低山丘陵区,寒武 注浆截流工程分为 2 期。 系灰岩和白云岩大面积出露于地表,出露总面积为 2. 1ꢀ Ⅰ期注浆截流工程 2 00 km 。 寒武—奥陶系灰岩白云岩裸露区地表岩 4 2. 1. 1ꢀ Ⅰ期注浆工程设计 溶裂隙发育,接受大气降水和地表水的入渗补给,是 Ⅰ期注浆工程设计地面和井下联合帷幕注浆截 流方案。 地面工程分 2 个标段,魏庄断层标段位于 井田北部边界处,在垂直魏庄断裂的区域布置地面 ꢀ ꢀ 程东良(1973—),男,科长,工程师,467500 河南省汝州市。 2 47 总第 590 期 现代矿业 2018 年 6 月第 6 期 注浆孔;肖庄断层标段位于井田西南部边界处,在垂 直肖庄断层的区域布置地面注浆孔。 井下注浆工程 是在井下二采区总回风巷、二采区轨道上山、二采区 至四采区西大巷中布置注浆孔。 地面和井下注浆孔 连接在一起,形成一条由井田西南边界至北边界延 伸的注浆帷幕墙,阻断西部和西北部岩溶水进入井 田的补给通道。 由此在井田西部及中部形成一条横 贯南北的注浆截流帷幕,减少区外岩溶水对井田的 补给。 根据地层条件、注浆孔段直径和注浆方式确 定钻孔结构,钻孔由开孔至整个注浆深度孔径力求 面布置注浆孔,注浆段长 650 m,按间距 50 m 单排 布置注浆孔,并考虑断层带及报废孔,增加 20% 钻 孔,共布置 15 个注浆孔。 地面标高平均为+150 m, 井下煤层底板标高为ꢁ180 ~ ꢁ440 m 不等,煤层底板 至寒灰顶界面 80 m,钻孔进入寒灰 50 m,钻孔深度 为 460 ~ 720 m, 平 均 为 590 m, 钻 孔 总 进 尺 为 8 850 m。 (3)二采区总回风巷井下注浆截流工程注浆段 总长 1 100 m,按间距 50 m 单排布置注浆孔,共钻孔 24 个,钻孔进入寒灰 50 m,平均孔深为 150 m,钻探 总进尺为 3 600 m。 [ 3] 简单 。 具体设计如下: ( 1)魏庄断层地面注浆截流帷幕工程自魏庄断 (4)二采区轨道上山井下注浆截流工程注浆段 长 800 m,按间距 50 m 单排布置注浆孔,共钻孔 20 个,钻孔进入寒灰 50 m,平均孔深为 120 m,钻探总 进尺为 2 400 m。 层发育处向西至矿井一采区上山沿二1 煤层露头线 以下 20 m 布 置 注 浆 孔, 注 浆 段 长 600 m, 按 间 距 50 m 单排布置注浆孔,考虑断层带及报废孔,增 加 20% 钻孔,共布置 17 个注浆孔。 地面标高平均 为 170 m,煤层标高为+10 m,钻孔进入寒灰 50 m,平 均孔深为 310 m,钻探总进尺为 5 270 m。 (5 ) 西 大 巷 井 下 注 浆 截 流 工 程 注 浆 段 长 1 200 m,按间距 50 m 单排布置注浆孔,共钻孔 24 个,平均孔深为 100 m,钻探总进尺为 1 200 m。 平禹一矿地面和井下注浆截流工程布置见图 1,肖庄断层附近帷幕注浆截流注浆孔剖面见图 2。 ( 2)肖庄断层地面注浆截流帷幕工程从黑水河 村庄煤柱沿煤层倾向,绕过黑马水库过肖庄断层地 图 1ꢀ 平禹一矿地面和井下注浆截流工程布置 3 [3] 2 . 1. 2ꢀ Ⅰ期帷幕注浆截流工程实施 密度在 1. 3 ~1. 7 t/ m 。 魏庄断层标段共施工地面 注浆孔 19 个(包括 6 个检查孔和 1 个水文观测孔), 钻探总进尺为 5 657 m,共注入水泥浆 4 737. 5 t。 肖 庄 断层标段共施工地面注浆孔16个(包括1个水文 Ⅰ 期工程先地面后井下施工。 地面施工采用 # TXB-1000 型钻机;配用动力 40 kW,注浆采用 325 及其以上普通硅酸水泥,水灰比为(1 ∶1) ~ (0. 5 ∶1), 2 48 ꢀ ꢀ 程东良ꢀ 武天红等:注浆截流技术在涌水防治中的应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 6 月第 6 期 图 2ꢀ 肖庄断层附近帷幕注浆截流注浆孔剖面 观测孔),钻探总进尺为 10 220. 8 m,共注入水泥 浆 1 412 t。 井下注浆截流工程共施工 68 个注浆 孔,钻探进尺近 10 000 m,共注入水泥浆 5 910 t,其 注浆孔 19 个,工程量为 3 558 m,注浆量为 967 t。 西区治水巷-西大巷-东大巷井下堵源截流工程 在西大巷到西区治水巷之间富水异常区实际布置 7 个钻 场, 共 施 工 注 浆 孔 31 个, 钻 探 工 程 量 # # 中,西大巷 4 钻场 2 孔单孔注浆量为 4 150 t。 # # # 2 2 . 2ꢀ Ⅱ期注浆截流工程 为 5 148 m,注浆量为 1 809 t。 其中,3 钻场 1 孔、4 # # # . 2. 1ꢀ Ⅱ期注浆截流工程设计 钻场 2 孔、7 钻场 2 孔吸浆量大,分别为 276,303 和 鉴于Ⅰ期帷幕注浆截流工程构建的截流墙仍有 9 8 54 t,3 个孔注浆量为 1 533 t,占全部钻孔总注浆量 5% 。 缺口,存在过水通道,Ⅱ期帷幕注浆截流工程的布置 原则是“查漏堵缺”。 通过地面和井下物探确定富 水异常区,井下打钻验证和注浆,注浆深度定在寒武 系灰岩顶界面以下 200 m;帷幕注浆截流墙在四采 区尚有一段缺口,拟结合二1 -14061 工作面注浆加 固,在物探基础上,在工作面和西大巷进行注浆,注 浆层位达到寒武系灰岩顶界面以下 150 m;魏庄断 西区治水巷西端堵源截流工程钻探及注浆施工 中发现,此处地层非常破碎,岩层不稳定,岩溶发育, # 富水性强。 以 1 孔为例,设计孔深 268 m,实际孔深 4 2 1 57 m; 在 钻 进 至 寒 武 系 灰 岩 定 界 面 以 下 1. 52, 0. 39,160. 72,194. 13 和 246. 60 m 出水,出水量为 3 2,30, 50, 40, 13 m / h; 整 个 钻 孔 共 注 入 水 泥 3 层是导水通道,技改井井底车场 650 m / h 放水量最 浆 3 888 t,占 10 个设计注浆孔预计总注浆量(6 696 有可能来源于魏庄断层,在东大巷朝魏庄断层方向 施工一条石门,探查灰岩富水性,朝魏庄断层方向布 置超长钻孔,对过水段进行封堵注浆。 # # # # # t)58% 。 2 、3 、4 孔及补 4′ 孔和补 4″ 孔都因地层 坍塌,套管下不到目的层位,不能正常护壁,造成下 部无法施工。 其余钻孔在钻进至煤层附近时,皆因 注浆截流位置设计 3 处:魏庄断层转折端富水 异常区、西大巷到西区治水巷间富水异常区、桐树张 断层南端至肖庄断层间的富水异常区,配合平禹一 矿ꢁ140 ~ ꢁ200 m 标高工作面底板注浆加固工程,包 括二1 -14061、二3 -13110、二1 -13090、二1 -15010 工作 面,将Ⅰ期帷幕注浆截流墙东西贯通,构成自四采 区,经二采区和三采区,再到技改井五采区的帷幕注 浆截流墙,进一步封堵岩溶水自浅向深、自西向东、 自东北向西南的径流通道。 塌孔严重,难以正常施工,将钻孔注浆封堵。 考虑到 # 1 注浆孔吸浆量大,打钻施工困难,剩余钻孔没有施 工。 3 ꢀ 应用效果 3 . 1ꢀ Ⅰ期注浆截流工程效果 平禹一矿Ⅰ期地面和井下帷幕注浆截流工程于 2 009—2010 年在井田浅部岩溶水的补给通道实施。 在井田西部形成了一条贯穿井田南北的边界(魏庄 断层和肖庄断层)的注浆帷幕墙。 大流量疏放岩溶 水工程实践证实,所建帷幕注浆截流墙垂直于岩溶 水径流方向,截流墙布置恰当,有一定堵水作用,但 效果没有达到预期。 平禹一矿深部水平的生产系统 尚未形成,导致采掘接替存在困难。 在深部水文地 质条件还不明朗的条件下,不能贸然在东大巷注浆 截流浅部岩溶水,在深部防排水未形成前,还需要进 一步疏放岩溶水,从堵水角度来说,只能堵截井田外 围进入矿井的通道。 2 . 2. 2ꢀ Ⅱ期注浆截流工程量 魏庄断层异常区的井下注浆堵源工程:在东井 3010 工作面风巷原有注浆堵水钻场朝魏庄断层方 1 向布置注浆截流堵水钻孔。 魏庄断层设计 19 个注 浆孔,钻探工程量为 3 401 m。 西区治水巷-西大巷-东大巷井下堵源截流工 程:在西大巷到西区治水巷之间富水异常区设计 7 个钻场,31 个注浆孔,钻探工程量为 5 400 m。 西区治水巷西端堵源截流工程:在西区治水巷 西端(即 12042 风巷正前处) 朝物探查明的 2 处富 水异常区(A 区和 B 区)打钻注浆,构建一道南北向 堵水帷幕。 在 2 处富水异常区共设计 10 个注浆孔, 其中,A 区 4 个,B 区 6 个,钻探工程量为 4 317 m。 3 . 2ꢀ Ⅱ期堵源截流工程效果 期堵源截流工程实施后,三采区( ꢁ200 m 水 平)和五采区(ꢁ143 m 水平)水量显著减少,矿井涌 Ⅱ [ 4] 水量变化与注浆孔数和单孔注浆量都存在关系 。 3 实施前(2013 年 5 月)矿井总涌水量为 2 894 m / h, 2 . 2. 3ꢀ Ⅱ期注浆截流工程实施 3 实施后矿井总水量为 2 000 m / h,其中三采区剩余 魏庄断层异常区的井下注浆堵源工程实际布置 2 49 总第 590 期 现代矿业 2018 年 6 月第 6 期 期长,农村关系处理困难,但安全性高。 3 水量为 1 381 m / h,五采区ꢁ143 m 水平剩余水量为 3 3 2 59 m / h,ꢁ415 m 水平剩余水量为 360 m / h。 与 (2)井下注浆施工环境差,安全程度相对低,不 适合大功率钻机作业,但钻孔工程量小,精度高,注 浆速度快,成本低。 Ⅱ 3 期堵源截流工程实施前相比,总用水量减少 894 m / h,同比下降了 31% 。 3 . 3ꢀ 经济效益 (3)实施注浆截流技术,找到主要水源补给是 关键,钻孔达目标层后涌水量及吃浆量是评价注浆 效果的重要指标。 通过实施Ⅰ、Ⅱ期注浆截流工程,减少排水量 3 3 94 m / h,按排水费用 0. 89 元/ m 计算,每年排水 8 成 本 可 降 低 697 万 元。 同 时, 2013 年 至 今 二3 - 3110、 二1 -12042、 二1 -13072、 二1 -13012 综 采 工 作 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 1 [ [ 1] ꢀ 邓寅生. 煤矿水害防治信息化[ M]. 北京:煤炭工业出版社, 011. 面、二3 -15040 综采工作面均实现安全回采,共计回 采煤炭资源 211. 65 万 t,按吨煤利润 50 元计算,实 现利润 1. 06 亿元。 2 2]ꢀ 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局. 煤矿防治 水规定[M]. 北京:煤炭工业出版社,2009. 3 . 4ꢀ 社会效益 通过帷幕注浆截流堵源工程,降低了灰岩水压, [3] ꢀ 张建国. 煤矿防治水工程设计[ M]. 北京:煤炭工业出版社, 2004. [ [ 4]ꢀ 武ꢀ 强. 煤矿防治水手册[M]. 北京:煤炭工业出版社,2013. 5]ꢀ 杨ꢀ 建,梁向阳,丁ꢀ 湘. 蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿 井涌水量变化特征[ J]. 煤田地质与勘探,2017,45 (4):97- 减少了排水量,减少了矿井水害威胁,改善周边居民 的生活环境,降低了疏水降压对环境的破坏度,为环 保开采做出了一定的贡献,为平禹一矿下一步安全 101. [ 5] 生产奠定了坚实的基础,具有良好的社会效益 。 ( 收稿日期 2018-04-02) 4 ꢀ 结ꢀ 语 ( 1)地面注浆钻孔工程量大,成孔率相对低,工 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ꢂ 欢ꢀ 迎ꢀ 来ꢀ 稿ꢀ ꢀ ꢀ 欢ꢀ 迎ꢀ 订ꢀ 阅 ꢂ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 2 50
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