防治水补充-底板注浆加固.ppt

第十一章煤层底板注浆加固技术 第一节概述在我国华北及华东地区 二叠纪下统山西的二1煤普遍发育 煤层赋存稳定 厚度大 储量丰富 煤质好 经济价值高 开采条件好 是许多矿区的主要开采煤层之一 但是煤下部地层水文地质条件比较复杂 赋存有几个含水性很强的灰岩岩溶含水层 主要是太原组8 10层薄层灰岩含水层 奥陶系灰岩含水层 寒武系白云质灰岩含水层 太原组薄层灰岩分上 下两段含水层 上段是L7 8灰岩 下段为L1 4灰岩 其中 L7 8灰岩水是开采二1煤的直接充水水源 岩溶裂隙发育 含水丰富 如果没有其他水源补充 L7 8灰岩突水量一般在300m3 h左右 L1 4灰岩中间夹有一1 一2 一3 一4四个薄煤层 煤层和灰岩顶板直接接触 几层灰岩厚度相对较大 岩溶裂隙发育 含水丰富 是开采二1煤的第一间接充水水源 如果与L7 8灰岩之间有水力联系 可以直接补充L7 8水 突水量一般在500 1000m3 h之间 奥陶系灰岩厚度大 溶隙 溶槽 溶洞发育 富水性强 是开采二1煤的第二间接充水水源 一旦遇到断裂构造 与L1 4灰岩 L7 8灰岩及二1煤层之间发生水力联系 突水量可高达1000 10000m3 h 由于灰岩水的补给属侧向补给 补给范围很广 所以二1煤底板水属于动储量 一旦发生突水 水量大 水压高 难以疏排 轻者给煤矿造成经济损失 重者造成重大的人身伤亡事故 寒武系白云质灰岩含水层的含水性比奥陶系灰岩含水层的含水性相对较弱 岩溶发育极不均匀 以溶洞水为主 华北部分地区缺失奥陶系地层 寒武系白云质灰岩直接与本溪群 太原群地层呈不整合接触 开采过程中偶尔发生溶洞突水 突水量最高达30000m3 h 在二1煤层与几个含水层之间有几个良好的隔水层 发挥了很好的隔水作用 其一是二1煤底板至太原组灰岩之间的海相泥岩和砂质泥岩隔水层 岩性致密均匀 隔水性能好 在华北和华东地区普遍发育 其二是太原组中段的砂质泥岩隔水层 它起到了阻隔L1 4灰岩与L7 8灰岩之间水力联系的作用 其三是本溪组地层 主要是铝土质泥岩 砂质泥岩 泥岩 夹有煤线和黄铁矿 赤铁矿薄层 如果本溪组地层较厚 可有效阻隔奥陶系与L1 4灰岩之间的水力联系 人们希望3个良好的隔水层能有效地阻隔二1煤底板突水 但这仅是个美好的愿望 在煤矿生产建设过程中 二1煤底板突水事故不断发生 尤其是采煤工作面底板突水及工作面后方采空区底板滞后突水 水量大 水压高 轻者淹没工作面 重者淹没整个采区 给矿井安全生产带来很大影响 近年来 采煤工作面底板突水事故呈上升趋势 究其原因有以下几点 有些地区二1煤底板海相泥岩地层太薄 其强度不足以抵抗含水层的突水压力 采煤工作面前后方受矿山支承压力影响 煤层底板受矿山压力强烈扰动 破坏了底板隔水层的完整性 降低其强度 弱化其水性能 煤层底板岩层中存在裂隙 溶隙 断层 陷落柱等 沟通了含水层与二1煤层之间的水力联系 随着近几年煤矿开采强度不断增大 开采深度越来越大 开采过程申承担的水压越来越高 突水的概率增高 突水量也相对增大 一些矿区开采二1煤的方法不正确 巷道布置不合理 回采工艺不对路 不利于底板水的防治 水文地质工作不到位 防治水措施不得力 没有认真贯彻执行 预测预报 有疑必探 先探后掘 先治后采 的防治水方针 防治水安全投入不够 矿井排水能力不足 防治水工程不完善 针对二1煤采煤工作面及其后方采空区底板突水问题 煤炭企业 科研院所和大专院校科研人员进行了艰苦的探索 由于注浆加固底板技术充分体现了 预测预报 有疑必探 先探后掘 先治后采 的防治水方针 有效地控制了底板突水事故的发生 降低了矿井排水量 目前许多矿区已经把注浆加固煤层底板作为矿井防治水的必备措施之一 随着开采深度的增加 这一技术有着广泛的推广应用前景 第二节注浆加固层位的确定为了保证注浆加固煤层底板的防治水效果 必须首先确定需加固的层位 如果加固层位距离煤层太近 在注浆过程中可能会出现大量跑浆 浪费注浆材料 达不到加固的目的 如果加固层位距离煤层太远 钻孔工程量大 技术经济不合理 如果加固层位太薄 加固后其强度仍然不足以抵抗水的压力 如果加固层位太厚 可能会消耗更多的注浆材料 费工费时 影响回采进度 合理的加固层位应该有如下规定 1 岩层厚度应大于由于矿山压力向底板传播所形成的破碎带厚度 2 加固地层可注性强 浆液可在地层中大面积扩散 在高压注浆条件下不跑浆 浆液利用率高 3 加固以后可有效改变底板岩层的物理力学性质 提高其强度和隔水性能 有效防止突水 4 在井下布置钻场方便 辅助工程量小 注浆钻孔钻迸工程量小 一 回采引起底板岩层形成破碎带厚度的确定目前采用的方法有理论计算法 巷道观测法 钻孔透视法 钻孔电视法等 一 理论计算法利用矿山压力在底板中的传播理论 计算底板受回采影响带的厚度 目前我国在矿山压力及其控制的研究方面处于国际领先水平 理论系统完善 可操作性强 关于回采引起煤层顶 底板破坏的研究成果已经成熟 并己经过大量的实践证明 确定底板注浆加固层位可以利用矿山压力在底板中的传播范围和传播强度的计算公式计算出底板破碎带的厚度 计时要注意各种参数的选取 如岩石的容重 弹性模量 变形模量 泊松比 单向抗压强度 单抗拉强度等 如果这些参数选取合适 计算结果则是正确的 参数选取不当 计算结果显然正确 为了安全起见 理论数值计算出来后 往往要取1 2 1 4的系数 二 巷道观测为了比较直观地了解回采引起的煤层底板破坏的全部过程和最终状况 可以在合适的位置向底板开掘专门巷道或利用已有的巷道进行直接观测 从而确定底板注浆加固层位 在回采工作开始之前 向煤层底板开掘一条专门的观测巷道 在巷道内设置观测点和观测仪器 对回采引起的底板岩层移动 变形和破坏的全过程及最终状况直接地用仪器测量 采用这种方法能够获得比较真实可靠的第一手材料 但影响观测效果的因素很多 如观测仪器的精度和可靠性 观测人员的素质和责任心 数据分析处理方法等 还必须注意 向底板岩层开掘巷道要慎重 必须采取有效措施防止底板突水 如果有条件 最好利用现成的生产巷进行观测 也同样能收到良好的效果 三 钻孔透视法钻孔透视法的实质是在合适的位置向煤层底板打两个钻孔 一个孔内放置无线电发射机 另一个孔内放置接收机 无线电波在不同介质中或在受破坏的均质体中传播时受到不程度的衰减 衰减的大小决定于介质的电阻率 当岩层中构造 裂隙 溶洞或有用矿体等质异常体与周围岩层的电阻率有明显差异时 无线电波穿透这些低电阻的异常体时就易于衰减 根据这种原理 可测试和分辨岩层受采动破坏的界面 从而确定注浆加固层位 实践证明 这种方法是可行的 四 钻孔电视法钻孔电视法的实质是在钻孔中悬挂探头 电视摄像部分 作360o旋转 观测孔壁受采动破坏情况 并直接由电缆传送到架在钻孔上部的接受屏幕上 实际应用中常对分界面上 下5m处进行钻孔电视重点观测 其他位置作一般观测 观测的内容主要是由于采动引起的石裂缝的位置 大小 条数和方向等 二 注浆加固底板层位的确定 一 加固二1煤底板海相泥岩二1煤底板海相泥岩底与太原组地层呈整合接触 是注浆加固煤层底板的首选层位 选择这一层位需要考虑以下几个方面的因素 1 二1煤底板海相泥岩的厚度通过理论计算和大量的矿压观测数据证明 回采期间矿山支承压力对煤层底板的强扰动深度一般为20 30m 因此 海相泥岩厚度大于30m时才能选择加固这一层位 否则即使海相泥岩得到了充分加固 也不能实现阻止底板突水的效果 我国华东地区二1煤板海相泥岩厚度一般大于40m 可以选择直接加固这一层位 例如 肥城 永城矿区加固 相泥岩单孔注浆量一般在300 500m3 个别达到3000m3 浆液利用率较高 取得了良好的加固效果 如果二1煤底板海相泥岩厚度太薄 在注浆过程中有可能发生底鼓现象 给全生产带来很大影响 2 加固区域是否有采区注浆加固煤层底板施工时 注浆站是在地面设置的 由于注浆站与受注地点高差比较大 浆柱压力很高 一般属于高压注浆 如果加固区域有采空区 浆液就有可能向采空区扩散 尽管消耗了大量的注浆材料 仍然达不到注浆加固的预期效果 近年来有些矿井在回采期间工作面发生底板突水后 为了在不停产的条件下治理水患 采用动水注浆技术 响层底板打钻注浆 水在高压状态下 沿涌水通道向采空区流动 浆液如不能及时凝固 也随着水流向采空区流动 浆液损失大 很难有效地封堵突水 3 采空区与注浆加固区域的相对位置如果采空区与注浆加固区域距离较远 可以不考虑采空区的影响 注浆时可以通过控制浆液的凝胶时间控制浆液的流程 浆液凝胶太快 不利于浆液的充分扩散 影响注浆效果 凝胶太慢 浆液流程远 可能向采空区扩散 因此 注浆施工前应认真做好浆液凝胰验 在浆液主剂中加人适量添加剂 使浆液有一个合理的凝胶时间 从而控制浆液流程 既保证注浆效果 又可避免浆液向采空区扩散 二 加固太原组上段薄层灰岩如果二1煤底板海相泥岩的厚度太薄 仅加固泥岩底板不能满足阻水要求 应选择加固太原组上段薄层灰岩 与加固泥岩底板相比 有其明显的优越性 主要表现在以下几个方面 1 直接充填薄层灰岩岩溶裂隙 从根本上治理薄层灰岩突水 2 可以将太原组上段薄层灰岩由含水层变为隔水层 增加了二1太原组上段薄层灰岩煤底板隔水层的厚度 提高隔水层的整体强度 增强抵抗下部L1 4灰岩和奥陶系灰岩突水的能力 3 岩溶裂隙发育 可注性强 容易实现预期的注浆加固效果 永城矿区煤底板海泥岩厚度50m左右 近年来一直选择加固太原组上段的屿L8 9灰岩 效果很好 4 太原组上段薄层灰岩强度较大 能够承受较高的注浆压力 注浆过程中失浆量少 易发生底鼓现象 三 加固太原组中段隔水层选择注浆加固太原组中段隔水层的主要是郑州矿区 该矿区煤泥岩底板厚度仅有8 12m 太原组上段L7 8灰岩厚度为8 10m 如果加固L7 8灰岩 由于距离煤层太近 浆压力又比较大 注浆过程中跑浆现象严重 局部出现底鼓 达不到预期的加固效果 将孔打到L5 6灰岩 增加止浆层厚度和强度 可有效控制跑浆 提高浆液利用率 郑州矿煤底板突水水源主要是L1 4灰岩水和奥陶系灰岩水 尽管L7 8灰岩岩溶发育 但由厚度有限 涌水量不会太大 一旦L1 4灰岩和奥陶系灰岩通过断层 陷落柱等地质构造与采煤系统发生水力联系 就有可能发生重大突水事故 多年来的生产实践充分证明了这一结论 注浆加固煤底板的主要目的是防治L1 4灰岩水和奥陶系灰岩水 尤其是防治奥陶岩水 加固太原组中段隔水层需要考虑该地层节理裂隙的发育程度 如果节理裂隙不发育 浆液注不进去 同样达不到注浆效果 应考虑进一步加深钻孔 加固L1 4灰岩 L1 4可注性强 注浆效果好 但注浆孔钻进工程量大 注浆材料消耗多 施工工期长 成本高 在充分论证的基础上慎重确定 第三节底板注浆加固方案的确定一 注浆加固时机与顺序的选择在生产实践中 底板突水事故多发生在采煤工作面及其后方采空区 这是因为底板岩层中的各种节理 裂隙或断层沟通了含水层与采煤系统之间的水力联系所致 选择加固底板机必须贯彻落实 预测预报 有疑必探 先探后掘 先治后采 的防治水原则 在回采工作前 通过向底板岩层大量注浆 使注浆材料充分充填各种涌水通道 切断含水层与采煤之间的水力联系 从而避免在采煤工作面推进过程中底板突水事故的发生 因此 注浆底板的时机应选择在采煤工作面上 下顺槽和开切眼掘进完成并顺利贯通之后进行 工作面生产系统形成后 先用直流电法或瞬变电磁法对煤层底板进行一次全面的水文物理探测 圈定采煤工作面推进范围内的低阻区 然后根据低阻区的分布进行注浆加固设计 确定注浆孔分布和钻场位置 为了尽量减少注浆工作对工作面生产的影响 注浆顺序应采用先里后外的后退式 注浆工作超前工作面80 120m 保证浆液充分凝固后 二 煤层底板水文地质预测预报煤层底板水文地质预测预报是井下防治水的一个重要环节 其目的是查明采煤工作面范围内煤层底板的水文地质情况 找出发生底板突水的可疑区 然后针对可疑区采取有施 防止底板突水事故的发生 由于水是良好的导电体 其电阻率很低 多数岩石是半其视电阻率很高 所以目前采用最多的预测预报方法是直流电法和瞬变电磁法 这两去都是通过测定岩石的视电阻率来判断岩层水文地质情况的 所建立的电场和磁场对常敏感 测定结果反差大 可比性强 相对准确 目前己经在很多矿区得到了广泛应用 一 采用直流电法仪进行煤层底板水文地质预测预报第五章已经介绍过运用直流电法仪采用三极交汇法进行掘进工作面超前水文地质预测同样也可以运用直流电法仪 采用四极对称法进行采煤工作面超前水文地质预测预采用四极对称法可以探测煤层底板60m范围内的水文地质情况 这一深度对华北多来说 均可了解到L7 8灰岩的富水情况 有些地区二1煤底板泥岩较薄 可以探测到L1 4灰岩甚至奥陶系灰岩的富水情况 如果煤层倾角较小 可以直接测底板 倾角较大工作面下顺槽侧上帮同样可以实现探测煤层底板水文地质情况的目的 图11 1所示在工作面下顺槽对煤底板进行水文地质预测预报的结果 图中曲线是岩石视电阻率值线 颜色较浅表示视电阻率较低 颜色较深表示视电阻率较高 颜色较浅的区域表示板突水可疑区 需要在回采前进行底板注浆加固 三 注浆加固方案采煤工作面底板注浆加固方案设计的主要内容包括 工作面概况 工作面底板岩层水文地质分析 钻场布置 钻孔结构 钻孔施工顺序 钻孔施工技术要求 注浆系统 注浆方式注浆材料 注浆参数 注浆顺序和注浆技术措施等 一 工作面概况工作面概况主要说明采煤工作面位置 工作面技术参数 煤层赋存特征 顶底板岩性 方法 煤层底板标高 工作面地面标高及与本工作面相关生产系统的基本情况等 二 工作面底板岩层水文地质分析 1 说明煤层底板直接充水含水层 间接充水含水层的岩性 强度 厚度 节理裂隙发育程度 含水性 导水性 水头高度 水压 补给水源 补给强度 补给与季节的关系及其与煤层之间的相对位置 2 说明煤层底板直接隔水层 间接隔水层的岩性 厚度 节理裂隙发育程度 强度 隔水性能及其与煤层之间的相对位置 3 说明回采范围内及其附近的地质构造分布情况 分析断层 裂隙的含导水性 各含水层之间的水力联系等 4 介绍煤层底板水文地质预测预报的主要结论 结合本矿以及本区在过去生产过程中水灾事故特点 分析有可能发生底板突水的主要区域 突水强度 突水量预测等 三 注浆加固范围及加固层位的确定根据煤层底板水文地质预测预报的主要结论以及对工作面底板岩层水文地质条件的分析 进一步分析注浆加固 改造底板隔水层的必要性 确定注浆加固总体方案 包括加固范围和加固层位 加固工程量 辅助工程量 辅助工程位置 需要的钻场数量 钻孔数目 注浆系统 工程工期 工程进度 施工组织等 根据高压注浆堵水加固工作原理 选用先进合理的技术路线 以 堵源截流 阻堵结合 加固底板 为原则 采用先简单 后复杂 先骨料后单液 最后采用双液浆的注浆顺序 保证注浆加固 改造底板隔水层的目的 四 钻场布置根据底板水文地质预测预报成果 针对探测到的低阻区位置 结合工作面巷道布置特点 合理安排钻场位置 考虑到注浆工作有可能和工作面生产同时作业 钻场位置应选择顶板较完整的地段 尽可能不影响工作面上下顺槽中的设备运行 合理设计钻场巷道断面伪了避免钻场巷道断面过大 钻场内钻孔可全部设计为斜空孔 钻巷断面规格一般为宽 高 3m 3m 钻场断面规格一般为长 宽 高 5m 3m 3m 钻巷的支护形式以锚网支护为好 也可以选用金属棚子支护 为了减少布置钻场的辅助工程量 要充分利用钻场位置安排注浆孔 尽量减少钻场数量 同一条钻巷可以布置多个钻场 每个钻场可布置多个注浆孔 根据注浆施工与工作面生产之间的配合关系 合理安排钻孔施工次序 一般注浆工作要超前工作面生产两个月时间 五 注浆孔布置原则 1 根据水文地质预测预报圈定的低阻区分布范围 合理设计钻孔的位置和数目 钻孔的孔径一般要大于75mm 在高压注浆条件下 按浆液扩散半径30m计算 均匀布置钻孔 力求浆液在注浆改造层位的覆盖率接近100 2 尽量增加钻孔揭露含水层的面积 确保注浆效果 钻孔均设计为斜孔 但由于煤层底板中泥岩层较多 遇水易变软 膨胀 不利于钻孔施工 因此钻孔的角度也不宜太小 要根据现场施工的实际情况确定 一般以300 400为宜 只有靠多布置钻孔来保证注浆加固效果 3 钻孔设计方向要尽量与断裂构造及裂隙的发育方向垂直或斜交 尽可能多地穿越断层带和裂隙 使钻孔能大面积地揭露含水层 4 在构造异常区 特别是断层 裂隙发育地段 如断层的交叉 尖灭 拐弯处 作面初次来压 周期来压显现地段 煤柱集中压力区以及摺皱构造的轴都要尽量多布置钻孔 5 钻场内注浆孔多为伞状布置 根据选用钻机的最大钻迸深度 调整钻孔的方位和倾角 均匀布置钻孔 6 同一个钻场要尽可能多地布置钻孔 以减少钻场数量 减少钻场辅助施工工程量 7 钻场内钻孔位置 倾角及方位的选择要考虑到方便钻机架设和钻迸施工 8 各钻孔要按照设计施工次序编号 六 钻孔结构注浆钻孔一般选用135mm钻头开孔 下入108mm 长6 10m的无缝钢管作孔口管 然后换用90mm钻头钻迸 直至终孔位置 如果二1底板破碎 为防止注浆过程中从孔口附近漏浆 可选用155mm钻头开孔 下入146mm 长6 10m的无缝钢管作为孔口管 然后换用130mm钻头钻迸 穿过L7后 下入108mm的无缝钢管作为二级套管 最后换用中90mm钻头钻进直至终孔位置 一般注浆孔终孔直径不得小于75mm 孔口管长度一般以穿入二1底板第一层较硬的砂质泥岩为原则 二级套管应穿过L7级套管均需注浆封闭 封闭套管时注CS双液浆 待双液浆充分凝固后 扫孔注水 进行耐压试验 耐压试验压力应不低于设计注浆终压时的孔口压力 持续时间不少于30min 以钻孔周围不漏水为合格 合格后安装配套控制闸阀 方可继续施工 必须根据突水压力 选用合格的高压闸阀 闸阀强度要大于水压的3 4倍 七 钻孔施工顺序为加快底板注浆加固施工速度 必须建立一支技术过硬 素质较高的专业注浆施工队伍 配备先进的技术装备 合理安排施工程序 尽可能加快工程进度 同一个工作面可以安排2 3个钻场同时施工 配备足够的钻孔与注浆设备 多工种 多工序平行作业 考虑到钻场所在位置作业场所狭小 同一个钻场只能安排一套钻注设备 钻孔注浆连续作业 一个钻孔施工完毕应立即注浆 然后再施工另一个钻孔 相邻钻场同时施工的两个钻孔不要同时揭露含水层 以免注浆时相邻钻孔串浆 为保证注浆加固效果 注浆孔一般要分为三个次序 分三遍注浆 先施工第一次序钻孔 钻孔个数不低于钻孔总数的50 完成一次序后再施工第二次序钻孔 二次序钻孔个数不得低于总孔数的30 一 二次序完成后再施工第三次序的检查孔 检查孔的个数一般为总孔数的20 八 钻孔施工技术要求 1 必须严格按照设计标定的钻孔方位 倾角施工注浆孔 在施工过程中不得随意改动 如因现场施工条件受限而需要变动时 必须经项目负责人同意后方可变动 项目负责人可以根据现场施工条件的变化及时修改钻孔设计 并拟订修改通知单通知施工单位 2 如果含水层水压较大 为确保施工人员安全 必须使用防喷冒和孔口钻杆卡持器等防喷反压装置 以免钻具被高压水顶出伤人 3 钻孔孔口套管的安设是钻孔施工的重要环节 也是保证施工安全的重要技术措施 安设孔口管必须按要求进行耐压试验 耐压试验的压力不小于设计注浆终孔孔口压力 持续耐压时间不少于30min 合格后在二级管上安装高压闸阀 高压闸阀的抗压能力要与注浆终孔压力相匹配 4 认真做好现场施工记录 现场记录要做到 及时 准确 完整 清晰 准确记录钻孔进人各隔水层 含水层的初始水量 最大水量 稳定水量 出水压力 岩层层位 换层深度 迸人含水层前有无导高 进人含水层后岩溶发育程度等简易水文观测资料 便于整理与分析 5 施工过程中要注意防止钻孔偏斜 制定切实可行的钻孔防斜措施并认真执行 九 注浆材料煤层底板加固注浆材料消耗量很大 注浆成本较高 多年来 为了降低注浆成本 工程技术人员和广大科技人员做了多方面的探讨 采用国内外先进技术 寻求新型的取材广泛 配置方便 结胶性能好 可注性强 堵水加固效果好 价格低廉的注浆材料 取得了可喜的成果 目前各矿区选用的注浆材料多为四类 一是以黏土为主剂的黏土一水泥 水玻璃浆液 二是以粉煤灰为主剂的粉煤灰一水泥浆液 三是水泥 水玻璃浆液 四是水泥单液浆 有时在注浆量特别大的情况下 往往注入一定量的骨料 如碎石 粗纱等 这四类浆液以黏土 水泥 水玻璃浆液成本最低 其次是粉煤灰 水泥浆液 后两种是广泛采用的注浆堵水材料 成本相对较高 1 黏土一水泥一水玻璃浆液黏土一水泥一水玻璃浆液简称黏土一水泥浆液 以黏土为主剂 水泥为结构生成剂 水玻璃作为添加剂 应用于煤层底板加固注浆 改造底板隔水层取得了成功 大幅度降低了注浆成本 显著地提高了注浆效果 1 浆液的配方黏土是浆液的主要成分 要求具有一定的塑性指数 研究表明 塑性指数15以上的黏性土一般均可作为配制浆液的原料 且塑性指数越高 黏土颗粒的分散性越好 造浆效率越高 我国黏土资源丰富 大多数矿区注浆用黏土可就地取材 水泥是浆液的结构生成剂 水泥颗粒的水化作用使得浆液具有一定的结构强度 而且浆液结构强度的增长与水泥颗粒水化反应速度有关 水化反应越快 浆液结构强度增长亦越快 虽然普通硅酸盐水泥和矿碴硅酸盐水泥都可用来配制浆液 但一般情况应优先选用325号 425号普通硅酸盐水泥 水玻璃是浆液的添加剂 它促使水泥颗粒更快水化 在浆液结构形成过程中起加速剂的作用 为满足不同地质和水文地质条件下注浆的需要 浆液配方应有一个较宽的选择范围 浆液配方包括黏土浆密度 水泥用量和水玻璃掺量三个因素 在黏土浆密度 水泥用量和水玻璃掺量分别取一定值后 就构成了一组浆液配方 黏土一水泥浆液是一种多相悬浮体 特别是作为主要成分的黏土 种类多 成分复杂 为配制性能优良的浆液 注浆前必须对黏土 水泥 水玻璃进行配方试验 根据试验结果 选取适用注浆工程的具体配方 2 浆液性能黏土一水泥浆之所以能起到堵水作用 主要取决于浆液的粘塑型特征 而不是浆液的抗压强度 这是采用黏土水泥浆注浆的一个基本观点 利用多功能裂隙注浆试验台分别对单液水泥浆和黏土一水泥浆进行模型注浆试验 试验结果表明 黏土一水泥浆的抗压强度仅为0 1MPa左右 只有单液水泥浆的1 2 而注浆堵水效果却不亚于单液水泥浆 表11 1列出了黏土一水泥浆注人单一平直裂隙 在最利于被水压挤出的情况下 后所测得的部分试验结果 黏土一水泥浆的性能主要包括塑性强度 析水率 黏度 密度和抗渗性等 塑性强度是该种浆液最重要的性能 它是表示浆液抗剪切性能的力学指标 塑性强度用与维卡仪类似的仪器塑性强度测定仪来测量 两者的最大区别在于维卡仪的测量元件为测针 而塑性强度测定仪的测量元件为测锥 在测量时已知G 因此只要测出测锥插人浆液的深度九就可通过式 11 3 求得浆液在某龄期的塑性强度 研究表明 影响浆液塑性强度的因素是多方面的 首先 浆液配方的三要素 黏土浆密度 水泥用量 水玻璃掺量对塑性强度都有影响 见表11 2 表11 3 表11 4 并存在显著的规律性 黏土浆密度越大 塑性强度越高 水泥用量越大 塑性强度越高 水玻璃掺量越大 塑性强度越高 浆液配方三要素在不同时期内 对塑性强度的影响程度也不同 塑性强度增大的前期 1 3d 以水玻璃掺量和黏土浆密度的影响最大 水泥用量次之 而塑性强度增长的后期 对塑性强度稳定值影响最大的是水泥用量和黏土浆密度 水玻璃掺量次之 塑性强度的增长速度大体上可分为三个阶段 初期 4h以内 增长速度较慢 中期 4h 7d内 增长速度很快 后期 7 12d后 增长速度减慢 塑性强度趋于稳定 其次 黏土性能 水泥品种和标号 温度等对黏土一水泥浆的塑性强度也有一定影响 密度相同而黏度不同的黏土浆 黏度越大 塑性强度越高 水泥标号越高 塑性强度亦越高 通水泥配制的黏土 水泥浆 其塑性强度高于同标号矿碴水泥 温度越高 塑性强度增长快 析水率是反映浆液稳定性和充填裂隙饱满程度的重要指标 用单液水泥浆注浆 一个段之所以需注浆多次 主要原因是浆液的析水率高 以水灰比1 1为例 析水率为15 25 且遇水分散离析 黏土 水泥浆的析水率一般仅为0 5 见表11 5 遇水不分不离析 可以大大减少注浆次数 黏土一水泥浆的黏度因浆液配方不同变化范围较大 用漏斗黏度计测得黏度从20s到无限大 由于浆液中大部分是黏土浆 颗粒细 润滑性能好 因此该种浆液具有良好的可注性 从图11 20可以看出 黏土一水泥浆的黏度随着黏土浆相对密度的增大而增大 随着水用量的增加而增大 随着玻璃掺量的增加而增大 具体操作工艺是 将黏土采集到料场 通过上料带式输送机将黏土送人泥浆搅拌机中 同时加人水搅拌 配制成一定相对密度的泥浆放人原浆池中 原浆池中的泥浆空除砂后存放到储浆池中 注浆时 将储浆池中的黏土浆用供浆泵定量泵人一级搅拌池中同时加人水 必要时 及水泥搅拌成黏土水泥浆放大二级搅拌池中继续搅拌 用注浆泵从二级搅拌池中抽吸黏土水泥浆 同时采用自流加人的方法将水玻璃加人注浆泵的吸浆管中 水玻璃和黏土一水泥浆在泵腔和注浆管路中边流动边混合 形成黏土一水泥浆压注至注浆地层中 2 粉煤灰一水泥浆液在长期的矿井防治水工作实践中 使用传统的水泥作注浆材料 用量大 成本高 用粉煤灰作为主剂加人水泥中 制成粉煤灰一水泥浆液在合理使用的前提下可以大大减少注浆成本 1 重粉煤灰的主要成分及性能粉煤灰为粒径1 50 m的微细玻璃体球形颗粒 以SiO2 AI2O3 为主要成分 含少量的CaO Na2O K2O等 是优良的活性混合材料 2 粉煤灰与水泥的合理配比为了确定粉煤灰与水泥的合理配比 使得粉煤灰一水泥浆液有足够的凝固强度 确保注浆效果 采取了煤粉灰和425号普通硅酸盐水泥作为样品 在岩体力学实验室 按照设计比例做了浆液混合凝固时间试验和抗压强度试验 取得了各种不同比例凝固时间和试块抗压强度值 如表11 7所列 析水率如表11 8所列 从表11 7 表11 8中可以看出随着粉煤灰掺人比例的增加 试块抗压强度不断降低 能够满足较好的注浆效果的粉煤灰掺人百分比为30 以下 并且可以看出水灰比在0 65 0 70时浆液的流动性最好 析水性最小 且同龄期内抗压强度最大 当然 在注浆过程中 视钻孔的涌水量大小和岩层的可注性差异可以选择不同比例的粉煤灰掺人量 以达到相应的效果 3 粉煤灰的使用原则1 视钻孔的涌水量大小确定是否掺加粉煤灰 一般情况下 钻孔涌水量大于20m3 h时才考虑掺加粉煤灰 小于20m3 h一般不掺加粉煤灰或少加粉煤灰 因为掺加粉煤灰会降低浆液凝固强度 在注浆量不大 成本不高时仍使用纯水泥注浆 注浆效果会更好 2 视岩层的可注性确定是否掺加粉煤灰 一般情况下 钻孔涌水量较小时注浆量也小 钻孔涌水量大时注浆量也大 特殊情况下 钻孔涌水量虽然较小但注浆量却很大 即岩层的可注性好 这时要考虑掺加粉煤灰 掺加与否的标准是 钻 孔涌水量小于20m3 h 但注浆量超过20m3而注浆压力却没有变化 说明岩层裂隙较发育 可注性好 需要大量的注浆材料 可考虑掺加粉煤灰相反 有时钻孔涌水量较大 注浆量却很小 这说明岩层裂隙较小 可注性差 无须掺加粉煤灰 因此 掺加粉煤灰前要摸清岩层的可注性 不能只凭钻孔涌水量大小来决定是否掺加粉煤灰 这就要求在注浆过程中认真观察注浆压力的变化情况 一般只要在注人20t水泥后注浆压力没有变化或变化很小时 无论钻孔涌水量大小 均可考虑掺加粉煤灰 3 掺加粉煤灰的比例可随时调整 首先按小比例掺加 控制在20 左右 随着注浆时间和注浆量的增加 注浆压力没有变化或变化很小时 说明岩层内存在较大裂隙或溶洞 需要注人大量的注浆材料 可增大粉煤灰的加人量 最大可加人达到50 70 主要起充填作用 当注浆压力逐渐增大时 可减小粉煤灰的加人量 直到停止加入 4 停止加入粉煤灰的标准 一般来说 当注浆压力增加到设计终压的一半时即可停止加人粉煤灰 随着注浆压力的不断升高 单位时间的吸浆量不断减少 而压力增长会越来越快 如果不及早停止加人粉煤灰可能会出现来不及停止就达到设计终压 影响封孔效果 4 粉煤灰的掺用方法1 干法 即在制浆前把干粉煤灰与水泥一起掺和 然后加水搅拌制成浆液 这种方法消耗体力劳动较大 大量注浆时一般不采用 另一种加人方法是在搅拌水泥浆的同时向浆池中加入干粉煤灰 这种方法的优点是简便易行 容易操作 但缺点是对于质量不好的粉煤灰不太适用 比如有结块或杂物难以得到充分搅拌 容易堵塞注浆泵或者注浆管路 2 湿法 将粉煤灰加人水中 拌成浆状 然后定量加人水泥浆池中 并不停搅拌 湿法的优点是粉煤灰单独制浆 在加人水泥浆池之前可以进行过滤 避免结块或杂物进入注浆系统 堵塞泵体或注浆管路 尤其是在大量使用粉煤灰时 对粉煤灰的计量 控制粉煤灰的加人量 都非常方便 5 使用粉煤灰应注意的事项1 注浆使用的粉煤灰一般只作充填溶洞或者较大的含水裂隙之用 要求的质量等级不高 粉煤灰的来源一般是从火电厂灰场运来的湿灰或者己经风干的块状粉煤灰 没有进行任何处理 多含有块状物或杂质 注浆前必须搅拌充分并过滤 预防堵塞泵体和注浆管路 2 粉煤灰浆液析水性较强 注浆过程中要尽量避免间歇时间过长 预防因粉煤灰沉淀堵塞管路 3 掺加粉煤灰时要视钻孔出水情况和岩层的可注性好坏而定 只有当钻孔的出水量大或可注性好的情况下才可掺加粉煤灰 当钻孔出水量小或可注性差时不加粉煤灰或少加粉煤灰 以免影响注浆效果 十 注浆系统注浆系统由地面制浆系统 注浆泵 送料孔 井下注浆管路和井下注浆孔组成 地面制浆系统由黏土制浆机 水泥添加器 搅拌机以及其他辅助设施组成 可以按技术要求配制一定相对密度的黏土一水泥浆 粉煤灰一水泥浆液或单液水泥浆 同时 根据堵水工作的需要 可以在注浆孔孔口安设骨料添加器 加人碎石 海带等骨料 如果跑浆严重或者有其他特殊要求 注人混合浆或双液浆 黏土制浆机多采用肥城矿业集团机械厂生产的NLl2型制浆机 规格为 长 宽 高 1810mm l500mm 1730mm 是制造黏土浆的主要设备 主电机功率30kW 有粉碎 搅拌 筛选三种功能 具有定量上料 连续造浆的特点 额定造浆量为12m3 h 最大造浆量为l5m3 h 注浆泵多采用NBB一250 6型泥浆泵 泵的最大流量为250L min 最小流量为50L min 额定工作压力为6MPa 有四个档位 输入功率为30kW 通过现场测比重 黏度及时调整黏土量及水量 制成浆液后经过滤流人粗浆池 井下注浆管路一般选用50 8mm高压无缝钢管 并用相匹配的高压快速接头连接 耐压能力不得低于l0MPa 注浆管路与注浆孔要用50 8mm的高压胶管连接 长度6 10m 孔口要安设抗震压力表 量程不小于15MPa 如图11 22所示 十一 泵量与泵压泵量是指单位时间内注人浆液的体积 泵压是指注浆泵或泥浆泵所能达到的最大注浆压力 取决于注浆泵或泥浆泵的工作能力 实际注浆过程中 泵量的掌握是根据含水层岩溶裂隙的发育程度及泵压确定的 正常情况下 采用NBB一250 6型泥浆泵的泵量为150 250L min 水玻璃泵泵量为80 250L min 在注双液浆时泵量主要按浆液配比的要求确定 十二 注浆方式对煤层底板承压含水层注浆改造一般采用全段连续注浆方式 分孔分次序连续注浆 达到注浆终压为止 以最大量注入 最大范围扩散 最大限度地充填岩溶裂隙为目的 对注浆孔初始水量大于100m3 h的钻孔 可采取分段注浆 穿透含水层后最终达到注浆终孔位置 相邻钻孔在含水层段间距小于50m时 不得同时穿透含水层 以免窜浆 若发现井下跑浆时可采取间歇注浆 间歇时间一般为24h 十三 注浆参数注浆参数的选择视单孔涌水量 岩溶发育程度以及底板注浆改造现场情况具体确定 一般情况下参考以下参数 1 浆液的相对密度浆液的相对密度反映了在一定体积的浆液中黏土和水泥的含量 是直接关系到浆液质量的重要参数 一般注浆加固改造底板以黏土水泥浆为主 黏土浆的相对密度为1 12 1 2 黏土一水泥浆的相对密度一般为1 21 1 26 特殊条件下可采用添加骨料进行注浆 其中黏土浆的水土比为0 5 1 1 1 县口相对密度为1 12 1 18 见表11 9 2 浆液的黏度浆液的黏度表示浆液内部分子之间 颗粒之间 分子团之间相互运动时产生的摩擦力的大小 从浆液可泵性和可注性角度来看 黏土浆的黏度为17 25s 黏土一水泥浆的黏度在25 60s之间 如果钻孔涌水量小 可调小浆液的黏度 钻孔水量大时 可适当加大浆液的黏度 3 单孔注浆结束标准实践证明 黏土一水泥浆注浆压力越大 扩散的范围越大 对裂隙充填越饱满 形成的结实体强度也就越高 但压力超过一定限度时 容易造成巷道底鼓跑浆 所以单孔注浆结束标准为 泵量为80L min以下 孔口压力不得低于水压的2 5倍 持续时间为30min以上 十四 注浆施工技术要求1 注浆前要对注浆管路进行检查 确保管路畅通 然后对注浆管路进行耐压试验 试验压力不低于6MPa 持续时间不得低于20min 合格后方可注浆 2 每孔注浆前都要观测其水量和水压 并单孔放水 放水时间不小于10min 以孔内无岩粉 水变清为宜 连接注浆管路后向孔内压水 其目的是扩张裂隙 确定钻孔的吸水量 以便调整注浆参数 提高注浆效果 压人孔内的水量不少于管路总体积的2倍 无异常变化时可以开始注浆 3 注浆过程中 化验记录员要严格按浆液配比标准 根据现场配比试验确定注浆泵泵量和浆液的相对密度等参数 并认真做好记录 4 注浆过程中要根据注浆压力和跑浆情况 及时调整注浆泵泵量和各种浆液的相对密度 以取得最佳的注浆效果 5 注双液浆时 应首先开启水泥浆泵 水泥浆迸人注浆孔10min后按实验确定的泵量开动水玻璃泵 达到注浆压力要求时 停止注浆 先停水玻璃泵后停水泥浆泵 6 要严格注浆顺序 注浆方式 注浆结束标准 不经批准不得擅自改变或随意停止注浆 7 如发现钻孔串浆 堵塞或钻孔进浆量明显较少时 要重新扫孔或补打检查孔注浆 8 当达到注浆结束标准后 应及时关闭孔口阀门 卸下孔口高压胶管 若采用孔内混合浆液 应马上转动钻具并及时提出 防止把钻具凝固在孔内 若是孔口混合 应及时把孔口混合器卸下来 为下一次注浆做好准备 9 注浆结束后 要及时将管路和混合器冲洗干净 以免沉淀堵塞 以备再用 10 注浆孔口附近必须设专用直通电话 不得与其他电话串用 以便及时与地面注浆站联系 注浆期间各工种作业人员要坚守岗位 各司其职 保证注浆各个环节正常运转 对含水层水位和涌水量要加派专人观测 观测结果要及时汇报 十五 注浆效果检查对于工作面底板加固注浆改造一般可以采用以下几种方法进行效果检查 1 钻探检查检查孔的数量不少于注浆孔的20 检查孔水量以不大于3m3 h为准 若大于3m3 h则继续打孔注浆 直至小于3m3 h为止 检查孔的布置要重点考虑构造复杂地段 含水层相对富水区以及注浆质量相对较弱的地段 2 物探检查在注浆改造之前先进行物探 有针对性地布孔 注浆之后再进行物探检查对比 从而检查注浆改造的效果 多采用直流电法和瞬变电磁法 最好两种方法同时使用效果会更佳 3 综合水动态分析根据打钻 注浆前后的地下水观测数据 绘制历时曲线图 用距出水点较近的出水点 观测孔资料等进行综合对比分析 可对注浆改造效果做出定性评价或大致定量评价 在有条件的情况下 也可以根据物探检查 第四节底板加固注浆工程实例河南焦作矿区某矿二1煤底板加固注浆增加底板隔水层厚度的应用实例 一 矿井概况某矿位于焦作煤田东北部 开拓方式为立井暗斜井多水平开拓 采煤方法为走向长壁采煤法 受新华夏系构造带 秦岭东西构造带 燕山运动以及太行山隆起等构造运动影响 该矿井田形成了独特的地质构造形态 井田内构造以高角度的正断层为主 多数断层呈北东方向展布 煤系地层呈现为西高东低的单斜构造形态 局部存在摺曲构造 井田西部边界为煤层露头 东部边界附近为开放性的九里山断层 南部边界为北升南降 落差200m左右的正断层 北部边界为南升北降 落差65m的F4断层 矿井开采深度100 740m 开采煤层为二叠系山西组二 煤层 煤厚1 5 7 5m 平均厚5 5m 煤层倾角5o 22o 全区分布稳定 煤层顶板为灰黑色砂质泥岩 泥岩 厚2 80 18 55m 平均厚5 30m 煤层底板为灰黑色砂质泥岩 砂岩 厚0 5 7 3m 平均厚1 8m 历史上曾多次发生突水事故 其中突水量大于60m3 h的有30次 最大突水量4200m3 h 矿井正常涌水量2280m3 h 涌水水源主要来自煤层底板的L8灰岩含水层 二 23071工作面水文地质条件23071工作面位于井田南部二水平23采区的底部 标高在 418 5 474 5m 走向长640m 倾向长126m 倾角20o 煤厚4 4 5 2m 平均厚4 5m 工作面运输巷和回风巷均沿煤层顶板布置 23071工作面水文地质条件比较复杂 位于煤层底板的L8灰岩含水层厚6 8m 水位 90m 煤层底板隔水层厚38 44m 在其上部的23051工作面回采过程中涌水量达450m3 h 右上部的20071工作面回采过程中涌水量达780m3 h 23051和20071工作面涌水水源均来自 煤层底板的L8灰岩含水层 在23采区和20采区中间区域 分布一条构造破碎带 破碎带走向130o 160o 宽600m 23071工作面位于此构造破碎带的边沿 三 突水原因分析及加固技术的可行性该矿井田处于新华夏系构造带和秦岭东西构造带的结合部位 受新华夏系构造 秦岭东西构造 燕山运动以及太行山隆起等地质构造运动影响 在井田的申部分布着2条构造破碎带 井田的北部是太行山隆起带 井田内煤系地层申的地下水主要来自北部太行山区的侧向补给 地下水水位高 水压大 受区域地质构造及采动应力影响 在构造破碎带区域 煤层隔水底板的稳定性减弱 抗压强度小于4MPa 隔水底板失去隔水功能 位于煤系地层下部的L 含水层的高压水沿构造破碎带涌人矿井 对于布置在受构造破碎带影响较大的工作面 在煤层回采前打钻 预先对其破碎的隔水底板注浆加固 对位于煤层底板的L8灰岩含水层含水溶洞进行注浆充填 把煤层破碎的隔水底板变成坚固的整体 将L8灰岩含水层改造成隔水层 这样 在工作面回采过程中 就能避免突水事故发生 因此 煤层隔水底板注浆增厚加固是可行的 四 注浆加固方案设计 一 钻场布置及设备1 钻场碉室在运输巷上帮 沿煤层顶板布置 与运输巷走向垂直 其规格为5m 3m 2 4m 碉室 8个 间距为60m 2 钻机钻机型号为SGZ MA300 额定进尺300m 注浆泵型号NBB一260 额定注浆量为260L min 注浆压力为7MPa 二 注浆钻孔在布置注浆钻孔时 原则上每个钻场布置3 4个注浆轧孔 见图11 23 如遇特殊情况 再增加钻孔数量 各钻孔的方向 倾角 深度参数略 每个钻孔设计为二级孔口固定装置 1 一级孔口固定装置孔径146mm 长8 10m 采用108mm 4 5mm的钢管 用425号硅酸盐水泥浆 水 水泥 1 1 2 固定 其承受压力大于4MPa 2 二级孔口固定装置孔径108mm 长30m 采用90mm 4 5mm的钢管 用425号硅酸盐水泥浆 水 水泥 1 1 2 固定 其承受压力大于8MPa 3 终孔孔径为76 2mm 终孔层位为穿过L8灰岩含水层底板6 8m 三 注浆材料采用黏土一一水泥混合浆液 黏土浆黏度17 25s 密度1 1 1 3t m3 水泥浆液黏度25 60s 密度1 2 1 3t m3 四 注浆工艺1 为方便注浆液的配制 把造浆池 注浆泵站布置在地面上 2 为减少浆液流失 降低材料消耗 提高注浆效果 采用全压司歇式注浆法 3 各钻孔注浆前均做注水试验 确定钻孔吸水量 根据试验结果确定是否对煤层隔水底板及L8灰岩含水层注入骨料 4 注浆过程中 根据情况加大适量水玻璃 以便缩短浆液凝固时间 5 注浆压力达到设计要求时 用水清洗注浆管道 避免浆液堵塞 6 注浆工艺流程为 黏土水泥浆注浆泵注浆管道注浆钻孔煤层隔水底板 五 注浆效果及效益分析 一 注浆效果在对23071工作面煤层底板实施注浆增厚加固过程申 钻孔累计迸尺3270m 注人水泥量435t 注人黏土量2523t 经过对工作面煤层隔水底板打钻孔检验 注浆增厚加固效果明显 煤层隔水底板的含水裂隙和L8灰岩的含水溶洞己被凝固的黏土一水泥浆充填 位于煤层底部的L8灰岩含水层 经过注浆加固以后 转变为隔水层 煤层的隔水底板厚度增加10m以上 煤层隔水底板的抗压强度由原来的小于4MPa增加到7 5MPa以上 为23071工作面煤层的正常开采提供了安全保障 二 经济效益根据23051和20071工作面回采过程中的涌水量分析 对23071工作面实施煤层底板注浆加固以后 减少矿井水涌出量450m3 h 当年节省排水费247 5万元 创经济效益145 5万元 以后每年节约排水费247 5万元 三 社会效益对23071工作面实施煤层底板注浆增厚加固以后 每年避免将389万立方米地下水资源变成矿井污水 同时减少389万立方米地下水排放量 在一定程度上保护了日益匣乏的地下水资源 思考题1 简述煤底板各含水层 隔水层的水文地质特征 2 简述近年来华北各矿区采煤工作面底板突水事故呈上升趋势的主要原因3 如何选择煤底板注浆加固层位 4 煤层底板水文地质预测预报的重要意义是什么 5 简述瞬变电磁法水文地质预测预报的基木原理 6 注浆加固改造煤层底板隔水层方案设计的主要内容有哪些 7 底板注浆加固注浆孔布置应遵循哪些原则 8 目前底板注浆加固所采用的注浆材料有哪些 其性能特点有什么区别 9 底板加固注浆施工中有哪些技术要求