孟津礦11011工作面突水水源判別及高壓動(dòng)水注漿研究

張建英張東營

(1.河南能源化工集團(tuán)有限公司,河南省鄭州市,450046; 2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南省義馬市,472300)

孟津礦11011工作面突水水源判別及高壓動(dòng)水注漿研究

張建英1張東營2

(1.河南能源化工集團(tuán)有限公司,河南省鄭州市,450046; 2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南省義馬市,472300)

針對孟津礦11011工作面突水情況,通過水質(zhì)、水溫、水壓等因素對其突水水源進(jìn)行了判別,根據(jù)突水區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育及底板充水等情況特征,根據(jù)查治結(jié)合、封堵通道、堵水截源、根治水患的指導(dǎo)思想制定了堵水方案并進(jìn)行了相應(yīng)工程的實(shí)施,利用原有瓦斯抽采底板巖巷再施工一條平行于停采線的底板巖巷作為治水巷(后期還可以用于瓦斯抽采),先加固突水區(qū)域外圍,防止突水點(diǎn)轉(zhuǎn)移,最后集中對突水靶區(qū)注漿封堵通道和出水點(diǎn)。

礦井突水 高承壓 突水水源 動(dòng)水注漿 防治水

1 研究區(qū)概況

1.1 礦井概況

孟津煤礦位于孟津縣西部,井田東西走向長約7.0 km,南北傾向?qū)捈s5.7～10 km,面積約57.52 km2。礦井主采山西組二1煤層,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt/a,服務(wù)年限43年,屬煤與瓦斯突出礦井。礦井開拓方式為立井開拓,中央并列式通風(fēng)。目前,各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)及首采面已形成,正處于試生產(chǎn)階段。11011工作面為煤礦首采工作面,走向?qū)?20 m,傾斜長1000 m,可采長度為770 m,為俯采面。地面標(biāo)高＋412～＋438 m,煤層埋深691～758 m。平均煤層厚4.0 m,可采儲(chǔ)量37.3萬t。工作面采用傾向長壁法采煤,自然垮落法管理頂板。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

孟津井田位于新安煤田的東部,屬新安水文地質(zhì)單元。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡單,斷層不發(fā)育,其整體結(jié)構(gòu)為一寬緩傾向南東的單斜構(gòu)造,煤巖層傾角3°～10°。井田北側(cè)為黃河小浪底水庫,距11011工作面最近距離2.75 km。

礦井主要含水層為奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶含水層,距離二1煤層底板58～83 m,平均66 m,水壓4.7～5.5 MPa,為弱～中等富水性的含水層,富水性極不均一;礦井直接充水含水層主要有二疊系大占砂巖、香炭砂巖、馮家溝砂巖、砂鍋窯砂巖含水層及石炭系太原組薄層灰?guī)r含水層;主要隔水層有山西組頂界上部紫色泥巖和砂質(zhì)泥巖、底板至L7灰?guī)r頂部的砂質(zhì)泥巖和泥巖、本溪組鋁土質(zhì)泥巖三層,其中,底板本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層平均厚度10.2 m,井田內(nèi)普遍發(fā)育。

11011工作面于2012年9月26日開始試采。回采到15 m時(shí),工作面采空區(qū)出水,水量約10 m3/h,回采到50 m時(shí),水量約50 m3/h,隨后逐漸增大到210 m3/h,之后一直穩(wěn)定。2013年4月14日工作面頂板周期來壓,老頂垮落,4月16日8點(diǎn)班,工作面下巷底板瓦斯抽采巷涌水量開始增大,4月19日7時(shí),礦井涌水量達(dá)到1990 m3/h(含原礦井涌水量210 m3/h),之后緩慢下降。截至2013年12月15日,涌水量下降至1680 m3/h,累計(jì)涌水量980萬m3。

經(jīng)現(xiàn)場觀測,出水點(diǎn)在11011下巷底板瓦斯抽采巷距切眼外170～180 m處,由下巷底板瓦斯抽采巷瓦斯抽放孔及工作面采空區(qū)流出。

2 突水水源判別及突水原因簡析

2.1 突水水源的判別

(1)水質(zhì)因素。通過對11011工作面涌水水質(zhì)化驗(yàn)分析,可以看出兩個(gè)明顯的規(guī)律:一是鈣鎂離子越來越高,并穩(wěn)定在60%的高位,二是鉀鈉離子越來越低,基本穩(wěn)定在30%的低位。從水質(zhì)類型上判定此水質(zhì)屬于砂巖水與灰?guī)r水的混合,且以灰?guī)r水為主。

(2)水溫因素。突水前工作面涌水主要來自頂板淋水,水溫在29℃,突水初期的水溫在31℃,經(jīng)過6 d后水溫穩(wěn)定在36℃。據(jù)11011工作面已施工鉆孔揭露資料顯示,奧灰水水溫為32～36℃,根據(jù)水溫的變化曲線可以初步推斷,突水前期頂板水占主要權(quán)重,后期奧灰水占主要權(quán)重。

(3)水壓因素。從相關(guān)的奧灰等水位線圖可以看出,在工作面出水區(qū)域其奧灰水位逐漸下降至＋60 m左右,比正常水位低了150 m,形成了明顯的降落漏斗。

由此推斷,工作面涌水系奧灰含水層出水。

在初中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，要求學(xué)生能夠通過對數(shù)學(xué)這門課程的深入學(xué)習(xí)，將所學(xué)知識應(yīng)用在生活中。這就需要教師在教學(xué)中注重生活化。這樣不僅能夠進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的積極性和主動(dòng)性，還極大的提高其對問題的分析能力和解決能力。

2.2 突水水源綜合判別

11011工作面底板承受的水壓為5.5 MPa,高水壓為突水提供了動(dòng)力條件;工作面底板瓦斯抽采巷的施工人為地減少了底板隔水層的厚度,為突水增加了可能。采掘活動(dòng)是本次突水的誘發(fā)因素,并提供了突水的空間。工作面突水點(diǎn)在采空區(qū)內(nèi)。因此,礦壓及水壓的聯(lián)合作用使工作面底板破壞深度達(dá)到了底板灰?guī)r奧灰層內(nèi),底板灰?guī)r水通過隱伏導(dǎo)水構(gòu)造及其導(dǎo)水裂隙涌入工作面。綜上,認(rèn)為工作面突水水源為底板奧灰水,頂板水有少量參與。初步判斷分析,底板水約為1500～1600 m3/h,頂板砂巖水約為200 m3/h。

3 注漿堵水工程設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

此次堵水是在工作面涌水量達(dá)1680 m3/h動(dòng)水條件下實(shí)施注漿堵水工程,根據(jù)突水區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育及底板充水等情況特征,確定堵水方案的指導(dǎo)思想是查治結(jié)合、封堵通道、堵水截源、根治水患。利用原有的瓦斯抽采底板巖巷再施工一條平行于停采線的底板巖巷作為治水巷(后期還可以用于瓦斯抽采),先加固突水區(qū)域外圍,防止突水點(diǎn)轉(zhuǎn)移,再集中對突水靶區(qū)注漿封堵通道和出水點(diǎn)。堵動(dòng)水減少涌水量以注骨料為主,堵源截流以注漿改造含水層為主。

3.2 布孔方案

布孔方法以井上和井下相結(jié)合,以井下孔為主,地面孔送骨料。井下圍繞出水區(qū)域布孔找通道,灌注骨料減水后,圍點(diǎn)打源,堵源截流。鉆孔在平面和剖面上均為扇形布置,長短結(jié)合。根據(jù)目前掌握的出水區(qū)域是停采線后近50 m寬的范圍,堵水打鉆工程重點(diǎn)放在11011工作面停采線附近出水區(qū)域,摸清突水通道,找準(zhǔn)導(dǎo)水通道后再集中注漿堵水。因此井下鉆孔布置以U型方案圍繞著工作面出水的區(qū)域布置。初定此區(qū)域井下鉆孔48個(gè),具體要結(jié)合現(xiàn)場堵水效果和與堵水通道的聯(lián)通情況確定,注漿終孔最深為奧灰頂界面下垂深30 m,淺止則于奧灰頂界面以上20 m。

3.3 注漿及堵水材料

注漿材料中減水以骨料為主,注漿改造、堵源截流以水泥漿、粘土水泥漿為主。骨料采用河沙和米石,備料時(shí)按粒徑0.25～0.35 mm、0.35～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、3～5 mm各備5～10 m3。待減水到一定程度后嘗試用高濃度水泥注漿進(jìn)一步封堵出水點(diǎn),少用鋸末。其中地面施工1個(gè)輸送骨料鉆孔到井下堵水地點(diǎn)附近巷道,在巷道中找到該孔后用鋼絲膠管連接送料孔與井下孔,以輸送骨料到堵水目的層。

地面注漿站需要恢復(fù)粘土水泥注漿管路系統(tǒng),前期用于實(shí)施注漿堵水,后期用于工作面注漿加固。

3.4 注漿工藝流程

注漿采取漸進(jìn)式注漿,二級套管下入后均進(jìn)行耐壓試驗(yàn),壓力不小于15 MPa,耐壓試驗(yàn)合格后換用?75 mm鉆頭鉆進(jìn)。鉆孔出水量達(dá)到15 m3/h開始注漿,達(dá)到終壓停止注漿,凝固24 h掃孔鉆進(jìn),如此循環(huán),直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度。

采用地面注漿站注漿,終孔壓力為水壓2～3倍,采用粘土、純水泥為材料,以最大注漿量、最大擴(kuò)散半徑、最大限度的充填巖溶裂隙為目的,分孔、分次序連續(xù)注漿。主要流程為:地面制漿→注漿泵→地面輸漿管路→井下輸漿管路→孔口→含水層。

注漿漿液主要有水泥漿、粘土漿和混合漿。精漿比重控制在1.12～1.18范圍內(nèi),含砂率在1%以下,在整個(gè)注漿過程中漿液的濃度按照稀→稠→稀的原則進(jìn)行,先注粘土漿,總量不小于40 m3,然后注粘土水泥混合漿,從5∶1(土∶水泥重量比)開始,根據(jù)孔口壓力情況,逐步升高(4∶1～1∶2)。

如孔口壓力達(dá)到12～13 MPa,干料值沒有達(dá)到出水量的3倍時(shí),立即改為壓清水,降擋位將孔口壓力降下來,降至9 MPa以下恢復(fù)注漿,先注純粘土漿,穩(wěn)定后再注混合漿,若壓力還升高,可以停注。若注漿量達(dá)到要求,但壓力在6～8 MPa、瞬間流量在7～8 m3/h(三擋)或10～11 m3/h(四擋),要增加水泥量。當(dāng)孔口注漿壓力與設(shè)計(jì)注漿壓力(14 MPa)差0.5 MPa時(shí),通知地面注漿站用三擋壓水,期間如果壓力升至注漿終壓,應(yīng)立即打開泄壓閥,再關(guān)閉進(jìn)漿閥和4英寸閘閥,注漿終止標(biāo)準(zhǔn)為孔口壓力不低于孔內(nèi)水壓的2.5～3倍且持續(xù)時(shí)間不低于30 min。

對涌水量為5 m3/h以上的鉆孔,采用地面注漿站注漿,注漿量較小時(shí),視情況進(jìn)行掃孔多次注漿;對涌水量為5 m3/h以下或無水的鉆孔,采用井下注漿泵注漿,注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)與地面注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)相同。

4 工程施工情況

(1)地面注骨料鉆孔深718 m,完成井上、下設(shè)備安裝具備注骨料條件。

(2)施工11011工作面L型治水巷473 m,12個(gè)鉆場44 m,合計(jì)517 m。

(3)12個(gè)鉆場完成注漿鉆孔70個(gè),累計(jì)長度10433.9 m,其中檢查鉆孔8個(gè)。

(4)鉆孔總出水量2275 m3/h,其中,砂巖含水層鉆孔出水量246 m3/h,奧灰含水層出水量1989 m3/h。各鉆孔出水情況如表1。

表1 各鉆場出水情況

(5)累計(jì)注漿量10328 t,其中,水泥8043 t,粘土2285 t。關(guān)鍵及重要鉆孔注漿量如表2所示。

表2 關(guān)鍵及重要鉆孔注漿量統(tǒng)計(jì)表

(6)注漿后共施工檢查鉆孔8個(gè),8個(gè)檢查孔出水量均小于15 m3/h,符合設(shè)計(jì)要求。

5 工程治理效果評價(jià)

11011工作面涌水量變化曲線如圖1所示,工作面突水量在2013年4月16日當(dāng)天急劇增大后趨于穩(wěn)定,即這個(gè)階段稱為Ⅰ突水期和Ⅱ穩(wěn)定期;自2013年8月開始實(shí)施注漿堵水工程后,在加固突水區(qū)域外圍,施工了大量鉆孔,減水850 m3/h,減水率達(dá)50%,封堵外圍導(dǎo)水通道后,水量有一定的衰減,即到了Ⅲ衰減期;最后直接面對突水區(qū)域集中注漿封堵突水源,施工大量鉆孔,減水500 m3/h,減水率達(dá)24%,即稱為Ⅳ攻堅(jiān)期,這個(gè)時(shí)期涌水量急劇下降;后期復(fù)礦后再補(bǔ)充鉆孔,水量可下降至210 mm3/h以下,實(shí)現(xiàn)底板灰?guī)r水91%封堵,成功封堵了突水。

圖1 11011工作面涌水量變化曲線

[1] 侯進(jìn)山.21101綜采面底板注漿改造技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤炭工程,2013(6)

[2] 張建奎,樂志軍,郭萌.底板注漿加固技術(shù)在河南汝州煤田朝川礦的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì), 2011(2)

[3] 王利.龍固煤礦巖巷注漿堵水中基于關(guān)鍵孔的信息化治理體系研究[J].中國煤炭,2013(3)

[4] 李燕,徐智敏,劉勇.礦井突水水源判別方法概述[J].煤炭技術(shù),2010(11)

[5] 冀煥軍,王保群.井下動(dòng)水注漿堵水技術(shù)研究[J].陜西煤炭,2012(5)

[6] 郝彬彬,李沖,王春紅.灰色關(guān)聯(lián)度在礦井突水水源判別中的應(yīng)用[J].中國煤炭,2010(6)

[7] 趙蘇啟,武強(qiáng),郭啟文等.導(dǎo)水陷落柱突水淹井的綜合治理技術(shù)[J].中國煤炭,2004(7)

[8] 張秋成,李金海等.地面返流注漿堵水技術(shù)及應(yīng)用研究[J].中國煤炭,2011(10)

[9] 王思鵬.采場周圍水文地質(zhì)鉆孔高壓力大流量透水事故的封堵技術(shù)研究與實(shí)踐[J].中國煤炭, 2004(1)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Identification of water-inrush source at 11011 working face and study on dynamic water grouting in high pressure in Mengjin Mine

Zhang Jianying1,Zhang Dongying2
(1．Department of Technical Management of Henan Energy and Chemical Industry Group Co．,Ltd．,Zhengzhou,Henan 450046,China; 2．Geological Survey Department of Yima Coal Industry Group Co．,Ltd．,Yima,Henan 472300,China)

Aimed at the water inrush at 11011 working face in Mengjin Mine,the sources were identified by water quality,water temperature,and water pressure and so on．According to the stratum structure,fracture development and water filling on coal seam floor,the water sealing scheme was made and conducted under the guide of the combination of check and control, pass sealing,water sealing and source cutting as well as fundamental solution of water disaster．The water-control roadway was constructed by taking advantage of original gas-drainage floor rock roadway which is parallel to the stopping line(also used for the gas drainage in the later stage)．The outside of water-inrush zone was strengthened to prevent the transfer of location of water inrush．Finally,the pass and the water-inrush site were sealed by grouting．The dynamic water was sealed to reduce water inflow by aggregate injection,while the source sealing and flow cutting were achieved by grouting to alternate aquifer．

water inrush in coal mine,high-pressure support,water-inrush source,dynamic water grouting,water-disaster control

TD745

A

張建英(1985－),男,甘肅金昌人,工程師,現(xiàn)任河南能源化工集團(tuán)技術(shù)管理部地測防治水主管,從事煤礦地質(zhì)防治水技術(shù)管理工作。