覆巖離層注漿工藝的改進與優化

鞏建雨

(河北省煤田地質局水文地質隊,河北 邯鄲市 056000)

0 引言

煤炭是中國的主體能源[1]。然而,在煤炭開采所引起的諸多環境問題中,如瓦斯、水害等,尤其以開采沉陷最為突出。我國以高達90%的井工開采比例導致目前有超過110萬hm2的采煤損毀地,并以每年3萬～4萬hm2的速度增長[2]。煤炭燃燒利用后產生的粉煤灰成為中國目前年排放量和累計堆積量最大的工業廢棄物之一[3]。我國煤矸石累計堆存已達70億t,且以1.5億t/a的速度增長,占地面積約70 km2,約為全國耕地保有面積的6.79%[4]。如何控制煤炭開采產生的地表沉陷,處理煤炭利用產生的粉煤灰及煤炭開采產生的矸石成為當前研究的熱點問題。離層注漿技術是一種煤炭開采減沉新技術[5],該技術既能有效抑制離層上方的地表沉陷[6-7],又提供了粉煤灰、矸石利用的新渠道。

煤礦綜合機械化開采已普及,特別是地質條件好的煤礦采用大采高、大采寬綜采走向長壁采煤法,產煤量較以往采煤方法大大增加。為達到設計的下沉值,滿足建(構)筑物Ⅰ級保護標準等級的規定,實現采煤不破壞建(構)筑物的綠色開采理念,給以減沉為目的的離層注漿技術提出了更高的要求,需在注漿工藝的制漿、注漿系統等多方面進行不斷地優化,以適應采煤工藝的進步。

1 注漿方式由負壓注漿變為正壓注漿

負壓注漿即注漿泵的進漿口高于攪拌池內液面,常用于煤礦注漿堵水,一般注漿距離短,不大于500 m;注漿量小,水泥不大于300 t/d;常采用間歇注漿;注漿主原料是水泥,少量輔料是粉煤灰等,不易堵塞注漿管道,故負壓注漿對煤礦注漿堵水不產生任何負面影響。離層注漿技術直接沿用了該負壓注漿方式,但離層注漿有自身獨有的特點。

(1)注漿的連續性。注漿自開始至單孔或項目結束長達數月,無間歇注漿。

(2)注漿量大。注入量一般為2000～5000 t/d的粉煤灰、黃土或矸石等原料。

(3)注漿泵無自吸功能。注漿泵多采用F300、F500、3NB-350等型號石油鉆井泵,不具有自吸功能,負壓注漿時,注漿泵每次啟動時,需要灌泵多次,才能正常供漿,影響注漿的連續性和注漿質量。

(4)注漿工作面距離遠。注漿站至注漿工作面距離近則2000 m,遠則4000～8000 m,注漿管易堵塞。

一種用于注漿充填裝置的正壓制漿布置系統[8]如圖1所示,該系統中攪拌池頂面與地面±0 m 在同一水平,攪拌池的高度一般為2～5 m 不等,在攪拌池底布置出漿口,出漿口與注漿泵進漿口布置在同一個水平面,泥漿池內的漿液液面高度始終高于泥漿泵的進口端,利用漿液面自然水頭的壓力將漿液壓入泥漿泵,注漿方式由負壓注漿變為正壓注漿,解決了注漿泵每次啟動時需要灌泵的問題。

圖1 一種用于注漿充填裝置的正壓制漿布置系統

2 干濕粉煤灰制漿機一體化

粉煤灰的運輸方式有兩種:一種是濕式,由自卸汽車或帶式輸送機運至注漿站儲灰場,鏟車鏟入定制料斗,輸送至制漿機制漿;一種是干式,由罐車運輸到注漿站專用儲灰罐存儲,通過配套的螺旋給料機、稱重后進入制漿機制漿。兩套制漿系統,互不通用,不僅增加了投資,還占用了大量注漿場地,增加了注漿維護人員。

一種干、濕一體制漿機[9]如圖2所示,減去了儲灰罐、稱重設備、制漿機等,在原濕式制漿機的基礎上,加裝了氣缸或油缸自動驅動快速開合的密封蓋和干灰進灰系統,快速轉換干、濕進灰系統,改變干、濕灰制漿模式,實現了一機兩用,經實踐驗證,實用性強。

圖2 一種干、濕一體制漿機

3 攪拌池制作工廠預制化

傳統攪拌池需在現場開挖基坑、打墊層、綁扎鋼筋、模板支護、水泥砂漿澆筑、水泥砂漿養護等多道工序,由鋼筋水泥砼制作而成。它有下列缺點。

(1)制作時間長,費用高,且不能重復使用。

(2)注漿工程結束后,需要將攪拌池筒體的鋼筋水泥砼用風鎬或電鎬一點一點清除,恢復土地原貌非常困難。

(3)不符合綠色環保、清潔生產的理念。

一種簡易快速拼裝組合的制漿攪拌池[10]如圖3所示,攪拌池可以提前在工廠規模化、規格化定制預加工,運輸到現場即可快速拼裝組合使用,省工、省時、方便、快捷、經濟、環保、可重復使用,已取代砼制攪拌桶。

圖3 一種簡易快速拼裝組合的制漿攪拌池

4 “檢修不停注漿”理念的提出與實現

隨著工作面采煤的不斷推進,離層空間的不斷產生,注漿應隨即充填離層空間,達到隨采隨充,采充匹配,自注漿開始至單孔、項目注漿結束,離層注漿是連續的,非特殊情況不得停止注漿。從原料供應至漿液注入離層,中間各個環節導致的注漿間隔可通過以下措施解決。

4.1 制漿原料供應

為避免因運料的不暢通等原因導致的停止供料,儲料場內應保證有2～3 d的最大用料量存儲備用。

4.2 制漿設備

粉煤灰等粉狀制漿系統的檢修可通過增加備用制漿設備的套數來解決,為一用一備或兩用一備;矸石等塊狀制漿系統因濕式球磨機的投資較高,一般是單配套,有條件一用一備,確保從制漿的源頭保證漿液的正常供給。

4.3 攪拌池及泵前供漿系統

攪拌池及泵前供漿系統因漿液具有掛壁性、漿液內攜帶的殘渣,以及依層狀流態流動等多種因素的共同作用,攪拌池及泵前供漿系統內易產生殘渣沉淀與內垢,影響供漿,需要不定期進行清理,攪拌池及泵前供漿系統如圖4所示,該布置會導致清理期間注漿中斷。

圖4 泵前供漿系統

一種不間斷注漿的二次攪拌筒及泵間吸漿系統[11]如圖5所示,充分利用現有的管道,改供水管8為供水與備用供漿兩用管。檢修攪拌池時,進漿口1根據需要調節漿液進入不同的攪拌池,供漿時供漿管9、供水管8同時供漿,不影響供漿量;檢修供漿管9時,供水管8臨時供漿,注漿均不間斷。各節點之間的所有法蘭、螺絲連接改為卡箍連接,清理管內掛漿結垢及沉渣時,拆卸、安裝簡單方便、快捷,既省時又省力。解決了因清理管道、攪拌池內壁掛漿結垢、沉渣而導致無法連續注漿的問題。

圖5 一種不間斷注漿的二次攪拌筒及泵間吸漿系統

4.4 注漿泵

注漿泵根據離層注漿的階段不同,常采用兩種規格的注漿泵,用于前期注水憋壓和末期的維護補漿,如NBB-390等,排量為3～23 m3/h;用于注漿初、中期的大排量注漿,如F-350、F-500、5G-450等,F-350、F-500排量為45～120 m3/h,5G-450排量為89～213 m3/h。注漿泵配置時至少有一臺套NBB-390的注漿單元和一臺套F300、F500、5G-450的注漿單元作為備用,以保證注漿的連續性。

4.5 泵后注漿管道系統

注漿泵布置連接多為一臺泵對應一條管道和一個注漿鉆孔。檢修、保養注漿泵前,為避免漿液沉淀堵塞管道和注漿孔,需要將注漿管道內的漿液用清水頂替到孔底,并附加一定的富余量,而后才能停泵更換注漿泵,根據注漿管道的距離及選用的管徑不同,一次注入清水10～30 m3不等,用時約1～2 h。注漿期間若因注漿泵意外原因突然停止注漿,極易導致注漿管道和鉆孔堵塞,不能保證注漿的連續性。

一種快速串、并聯的注漿管道連接布置系統[12]如見圖6所示,將所有注漿管串、并聯在一起,系統中始終有一臺套備用注漿泵單元,檢修保養注漿泵或因意外停止注漿時,無須再用清水沖洗注漿管道,只須開啟、關閉系統中對應的閥門開關,即可實現備用注漿泵單元參與注漿,亦可實現任意一臺套注漿泵與任意注漿管連接的鉆孔之間、清水與漿液之間有序任意轉換。

圖6 一種快速串、并聯的注漿管連接系統

4.6 孔口裝置

孔口裝置是連接注漿管和鉆孔的轉換裝置,孔口裝置目前沒有專業廠家生產,均由施工單位現場自行加工制作。該裝置應能確保注漿的連續性與注漿管出現跑漿等異常情況下的安全性。一種適用于離層注漿的井口裝置[13]如圖7所示,該裝置的缺點是主閥門安裝不方便或安裝后內徑小于套管的內徑,嚴重影響注漿時的過漿量。改進井口裝置如圖8所示。

圖7 一種適用于離層注漿的井口裝置

圖8 改進井口裝置

(1)去除主閥門,在注漿口串聯安裝閥門兩個,常開備用閥門始終處在開位,作為備用閥門,管體及閥門均不影響注漿時的過漿量。

(2)常開工作閥門在非正常情況下開啟與關閉,損壞后,關閉常開備用閥門,更換后繼續使用。

(3)在壓力表上串聯了安全閥,可更換損壞的壓力表。

(4)在注漿口、堵頭焊接到井口裝置管體后,又采取了安全冗余的加強措施,確保萬無一失。

4.7 鉆孔

鉆孔孔位根據工作面的采寬等情況沿傾向單排或雙排布置,排間孔為一組兩孔,一主一輔,兩用或一用一備,實現工作面注漿的連續性。

5 首排注漿鉆孔套管防破壞措施

在采煤工作面停采線側、切眼側的首排孔注漿時,注漿鉆孔設計為直孔,且處在滑移角的移動面外,同時存在因未準確把握注漿時機的雙重安全隱患。漿液若不能及時補充已形成的目標離層空間,巖層繼續向上移動與變形,擾動到已成孔的注漿孔孔段,導致套管擠扁、拉伸、剪切等破壞,無法建立過漿通道,進而導致項目注漿失敗的嚴重后果。

現有成熟的防范措施是在套管內下入中心油管作為注漿管,當注漿孔技術套管被破壞后,不影響漿液順利注入離層,起到了冗余安全防護的作用。但該措施的弊端是:被動地防范套管破壞;在現有的鉆孔結構下,下入的油管一般為Φ89 mm 或Φ114 mm,較原技術套管Φ178 mm 的過漿管徑而言,無法滿足注漿初期一孔多泵同時盡最大泵量注入漿液。

一種防止離層注漿首排鉆孔破壞的設計方法[14]如圖9所示,利用地層固有的滑移角而設計的定向孔,鉆孔的裸孔段靶點位于注漿目標注漿離層內,技術套管段的鉆孔軌跡在離層發展至孔底時,均位于巖石移動角、表土層移動角移動面以及目標關鍵層破斷距的安全范圍內,且有一定的安全冗余距離。該設計方法實現了:主動預防套管破壞;無須再下入注漿油管,節省資金的同時,不影響套管的內徑,可最大限度地滿足注漿初期的多泵同時對同一個鉆孔最大泵量注入漿液;可在第一時間發現離層,并及時注漿支撐上部目標關鍵層,防止目標關鍵層的再次破斷,避免了因套管被擠扁變形、拉斷、剪切等破壞而導致的項目失敗。

圖9 一種防止離層注漿首排鉆孔破壞的設計方法

6 結論

從注漿站設備布置的系統化、規范化到正壓注漿、干濕一體制漿機、攪拌池、制漿、注漿系統,注漿孔套管防破壞等多個環節的改進與優化,使覆巖離層注漿工藝更加趨近于成熟,完全能滿足大采高、大采寬走向長壁綜合機械化采煤工藝高強度開采條件下的減沉注漿要求,達到建(構)筑物Ⅰ級保護標準等級的規定,實現采煤不破壞建(構)筑物的綠色開采理念。

(1)提出了“檢修不停注漿”的理念并使該理念從原料供應到漿液注入離層的各個環節得以實現,保證了注漿的連續性,克服了檢修、保養等期間注水的弊端。

(2)正壓注漿,漿液由“吸”入式變為“壓”入式,解決了因灌泵引起的系列不良問題,并增加了注漿泵的有效容積效率。

(3)提出了首排注漿鉆孔套管防破壞的技術預防措施,變被動防范為主動預防,避免了因套管破壞跑漿導致的項目失敗。

(4)注漿站設備布置的系統化、服務的長期化,隨著遠距離漿液輸送問題的解決,以制漿站為專職的母站和專職注漿的臨時子站為特征的“母子站”成為注漿發展方向,將會在不久的將來得以實現。