改进注浆工艺

1、焦煤集团科技创新成果申报表科技成果名称改进注浆工菩降低注浆成本成果完成单位成果完成人员项目起止日期联系人成果内容简介：（可附页）演马庄矿煤层底板含水层裂隙发育、富水性强，含水丰富，水头压力高，各含水层之间存在 水利联系。构造复杂，隐伏断裂发育，构成高压水的导水通道，在煤层开采过程中易发生突水， 对安全生产造成极大威胁。自建井以来，演马庄矿发生过五次特大突水，其中两次淹井，为 全国著名大水矿井之一。全矿共发生突水70余次，包括一次突水点。按最大突水量分：V 5m3/min 43 次、V510m3/min 7 次、1025m3/min 12 次、2550m3/min 1 次、50 100m3/mi

2、n 2次、100m3/min 3次；按水源分：弟一、四系砂砾石层水+基石风化带裂隙水 16次、大占砂岩裂隙水1次、L8灰岩岩溶裂隙水46次、L2 + O2灰岩岩溶裂隙水3次、老 塘水+老空水2次，造成了极大的经济损失。因此，在工作面回采之前一般都要进行底板注浆 加固和底板含水层改造工作，但每年消耗水泥注浆材料约2.5万吨,按照每吨水泥247元计算， 费用达617.5万元。吨煤成本达16.69元。虽然实现了安全生产，但经济成本较高，因此研 究降低注浆成本十分必要。效益评价：利用井下条件，通过现有巷道对工作面底板注浆加固工作，直接对工作面水害薄弱地段 采取了防治水措施，通过工作面底板注浆加固钻孔施

3、工优化方案，缩短了注浆工期，同时确 保了工作面安全回采，避免了不必要的钻探工程，节省了费用，为了进 步加强演马庄矿地 测防治水“节支降耗”项目管理，强化执行力，落实项目管理责任，实现开源节流、节支增 收，以实际行动贯彻落实了公司的精神。通过工作面底板注浆改造工程的优化设计运用此项 技术后，工作面水害超前治理成效显著，25083工作面减少涌水量3m3/min，22071工作面减 少涌水量5m3 /min，年共可节约排水费360余万元，同时为有效解除工作面回采期间的水害 威胁奠定了基础。减轻了-200泵房排水压力，为演马庄矿稳产增产创造了条件，缓解了矿井 接替紧张，节省排水用电，降低吨煤成本，提高

4、工效和质量，加固井巷薄弱地段，减少突水 机率、延长矿井服务年限的明显优点。其它社会效益无法估算。应用单位财务章申报单位意见：领导签字 （盖章）年 月 日改进注浆工告降低注浆成本成果总结立项背景演马庄矿煤层底板含水层裂隙发育、富水性强，含水丰富，水头压力高，各含水层之间存 在水利联系。构造复杂，隐伏断裂发育，构成高压水的导水通道,在煤层开采过程中易发生突 水,对安全生产造成极大威胁。自建井以来，演马庄矿发生过五次特大突水，其中两次淹井， 为全国著名大水矿井之一。全矿共发生突水70余次，包括二次突水点。按最大突水量分： 5ms/min 43 次、V510m3/min 7 次、1025m3/min

5、12 次、2550m3/min 1 次、 50100m3/min 2次、100m3/min 3次；按水源分：第三、四系砂砾石层水+基岩风化带裂 隙水16次、大占砂岩裂隙水1次、L8灰岩岩溶裂隙水46次、L2 + O2灰岩岩溶裂隙水3 次、老塘水+老空水2次，造成了极大的经济损失。因此，在工作面回采之前一般都要进行 底板注浆加固和底板含水层改造工作,但每年消耗水泥注浆材料约2.5万吨,按照每吨水泥 247元计算，费用达617.5万元。吨煤成本达16.69元。虽然实现了安全生产，但经济成本 较高，因此研究降低注浆成本十分必要。研究开发内容矿井水文地质条件演马庄矿目前主要回采二】煤层，煤系地层与下伏

6、的太原组地层呈过渡接触关系，太原 组在该矿厚度平均78.83m左右，其中发育三层灰岩L8灰岩、L?灰岩、。2灰岩，层间夹有泥 岩及砂质泥岩，各层灰岩层位稳定，裂隙发育，富水性强，渗透系数8.1739.9m/d、平均 23.05m/d。导水系数70.18321.3m2/d，平均197.09m2/d。水压23MPa，各含水层之间存 在水力联系，L8灰岩水是工作面发生突水的主要水源。二】煤层位于山西组下部，上距砂锅 窑砂岩78m左右，下距山西组底界(L9顶)10m左右，距L8灰岩18m左右。煤层底板岩层是 一组砂、泥岩互层的隔水层组，但由于地质构造复杂，隐伏断裂发育，构成高压水的导水通 道。在煤层开

7、采过程中，在地压和水压的共同作用下，地下水沿着通道进入工作面，发生突水, 而且突水量大，来势凶猛，不易疏干。工作面防治水工作的机理立足采面以防为主是演马庄矿多年来防治水成功经验的结晶，其出发点也是从经济角 度考虑，只要保证采面底板不发生突水，其余地段虽然含水丰富，只要对采掘生产没有威 胁就不必考虑。采用底板注浆加固和底板含水层改造是最有效也是最经济的防治水方法， 但如果不注意注浆治水的工作机理，不知道水泥浆在地层中的运动规律，一味地多注浆，认 为注入水泥越多安全系数越高，往往造成较大的浪费，若能进一步优化注浆方案，在保证安 全生产的前提下还有很大的节约空间。2.1工作面底板注浆加固机理工作面底

8、板加固是对煤层底板隔水层薄弱带进行注浆强化处理，使其有较强的抗采动能 力，达到安全生产的目的，尤其对存在原始断裂构造地段进行注浆加固，具有重要意义。2.2工作面底板含水层注浆改造机理含水层改造是通过钻探注浆把含水层内的地下水置换到采场以外，并占据贮水空间，切 断工作面突水水源。底板注浆加固和含水层改造是防止工作面发生突水的重要措施。从机理 上可以看出，底板含水层改造意义更为重要，因为只要保证工作面底板有效隔水层达到安全 厚度，加固与否都是无所谓的，实际上底板注浆加固和含水层改造是在注浆过程中同时完成 的。2.3浆液在地层中的运动规律浆液在地层中的运动规律与地下水在地层中的运动规律是不同的，它不

9、是依靠重力作用 在水力坡度的条件下自然流动的，而是靠注浆泵的推动作用向岩层中的孔隙、裂隙、溶洞或者 其它薄弱地带挤压而前进的。在前进过程中不断沉淀、析出、密实、充塞、凝固和硬化最终 起到岩体加固和切断水源的作用；因此浆液的注入量在正常情况下是有限的，其扩散半径一般 在1030m左右，当浆液在岩层中扩散的过程中一边流动一边结石，流动空间不断变小，阻力不 断增大，扩散速度越来越小，最终充满缝隙，停止流动，注浆也就结束了；但在特殊情况下若遇 到导水断层或大的导水裂隙，注浆量是很大的，浆液流动距离可达几公里甚至几十公里，在这 种情况下无止境地注入大量水泥材料，是毫无意义的，必须控制注浆量。控制注浆量的

10、几种方法注浆量控制的方法较多，譬如加入注浆骨料、速凝剂、水玻璃等都可以缩短浆液凝固时间， 减少注浆量；但毕竟要增加新的投入，而且对长距离的浆液输送系统来讲是不科学的、也是不 可取的。演马庄矿在长期的注浆实践中总结出了间歇注浆法和小流量注浆法，既经济又安全， 是控制注浆量的有效方法。3.1间歇注浆法间歇注浆法，就是在注入大量水泥浆之后(如100t干水泥)注浆压力仍然没有升高的趋 势，说明浆液已经进入地层中较大的贮水空间或沿某条大的裂隙或断层扩散到了采场以外很 远的地方,就应该停顿一定时间，然后再注。但间歇注浆必须向注浆孔内压入足够的清水以保 留钻孔畅通，准备二次注浆，否则钻孔将被封死。一般情况下

11、第二次注浆与第一次注浆间隔时 间应大于1224h,在这期间不影响其它钻孔施工。当二次注浆时，孔内的涌水量将会大大减少, 需再次注入的浆液不会太多，只要把剩余的贮水空间充实，达到设计终压即可。在特殊情况下 一次间歇注浆效果仍不明显，注入的水泥量仍然较多，这说明地下溶洞或裂隙较大，需要第二 次或第三次间歇，直到注浆压力达到设计终压为止。如果三次间歇注浆压力仍不升高，说明含 水层内存在较大的溶洞，或较大的导水裂隙，需要注入较大粒度的注浆骨料，这种情况极为少 见。3.2小流量注浆法小流量注浆法是在低档位小泵量的条件下注浆。注浆泵排量的大小直接影响着注浆量的 大小，在同样的条件下，用大排量注浆泵的注浆量

12、远比用小排量注浆泵的注浆量大，其原因是 在导水裂隙大小一定的条件下，大流量浆液在岩层中的流动速度快,沉淀、结石、凝固速度慢, 浆液扩散距离远，故而注浆量大；相反小流量浆液在岩层中的流动速度慢，沉淀、结石、凝固 速度快，浆液扩散距离近,故而注浆量小。因此，小流量注浆法也是控制注浆量的有效方法。技术创新点（1）控制注浆量、节约材料消耗用间歇注浆和小流量注浆方法来控制注浆量，这两种方法在我矿已经得到广泛应用，不仅 防治水效果好，而且节约了大量的水泥材料，经济效益非常明显。我矿25083X作面1-1号孔、 1-2号孔钻孔出水量0.8m3/min,钻孔施工过程中，钻孔水混浊并携带碎石块，时有塌孔现象，

13、且水量忽大忽小间歇性变化。注浆时先注入水泥210t，加入高岭土90t，但注浆压力却没有任 何变化，说明注浆钻孔揭露了大的导水裂隙，浆液扩散半径已经超出了采场范围以外，再增加 注浆量必然造成浪费；于是采取了间歇注浆方法，停止注浆24h以后又进行了二次注浆，持续2h 后压力增长了2 MPa,效果非常明显，直到注浆压力增加到设计终压8MPa注浆结束。如果不采取 间歇注浆方法预计将注入水泥10002000多t。像这种情况在防治水工作中是常见的，如27131 （上段）工作面5钻场5-3钻孔出水量0.3m3/min,5-4钻孔出水量0.5m3/min；二五轨道煤柱工 作面2-1钻孔出水量3.0m3 /mi

14、n, 5-1钻孔出水量1.4m3/min, 6-1钻孔出水量2.5m3/min,切7-1 钻孔出水量1.3m3/min，切7-2钻孔出水量1.2m3/min； 22071X作面加3钻孔1.5 m3 /min，加4 钻孔2.0m3/min，加5钻孔4.0m3/min，加6钻孔2.0m3/min等等，都是采用间歇注浆方法减少了 注浆量，节约了大量的注浆材料，预计2013年16月份仅此一项技术可节约注浆成本135.8万 元（以上列举11个钻孔每孔按节约500t水泥计算）。另外，小流量注浆法控制注浆量在我矿也 得到广泛运用，一般情况下，钻孔出水量在1.0m3/min3.0m3/min以内，先用大流量注

15、浆，预计 浆液扩散半径达到采场边界之后，注浆压力有所上升，这时采用小流量注浆法，降低浆液扩散 速度,控制浆液扩散距离促使注浆压力快速提高达到注浆终压。钻孔出水量在1.0m3/min 3.0m3/min的几率是占大多数的，因此这种注浆方法所节约的材料费用，也是非常可观的。今 年以来16月份共施工钻孔61个，钻孔出水次数达110次，其中出水量在1.0m3/min3.0m3 /min的占50次,一次注浆按节约10t水泥计算,前6个月共节约注浆费用12.35万元。用廉价注浆材料代替水泥、降低注浆成本根据工作面的防治水机理，底板含水层注浆改造，实际是一种充填注浆，目的是把工作面 下部含水层内的贮水空间用

16、注浆材料来充实，使其变为隔水层，切断水源，工作面回采时免受 水害威胁，无需太高强度要求，因此可以加入大量的高岭土等廉价材料来代替水泥，按照一定 比例进行注浆，尤其是用高岭土注浆更是经济有效。这项技术在演马庄矿成功应用，今年16 月份已用水泥15879.42t高岭土2498.4t,总注浆量18377.82t。按照每吨水泥247元计算，水 泥使用费用392.22万元；按照每吨高岭土 15.33元计算，高岭土使用费用3.83万元；水泥及高 岭土总注浆费用396.05万元；总注浆量18377.82t，按照每吨水泥247元计算，全部使用水泥 需费用453.93万元，改用高岭土代替水泥为注浆材料节约资金费

17、用57.88万元。优化工作面探放水设计、节约钻探成本工作面防治水钻探设计不像其它工程设计，一旦确定，一般不再变更，但防治水钻探设计 是要随着地下水情的变化不断调整的。如果在钻探注浆以前已做过物理探水工作，那么应该在 无水区域上少布置几个钻孔，作验证之用，在富水区域相对多布置钻孔，作为注浆改造的重点； 如果在物探无水区验证钻孔出水量较大，说明物探结果可靠性不大，则要随时改变设计，加密 钻孔，作为重点注浆区域来对待。如果工作面没有做过物探探水工作，则要在采场内均匀布置 注浆钻孔，但在钻探施工过程中钻孔出水量小的区域要适当减少钻孔个数，这样合理的调整钻 探设计可以节约钻探成本。如果一味地坚持原设计不变，不但不能节约钻探成本还可能导致 防治水工作的失败，造成大的经济损失；因此在防治水施工过程中技术人员要认真负责，经常 深入现场，观察分析施工现象，不断优化施工设计是非常重要的。应用地点和效果通过工作面底板注浆改造工程的优化设计运用此项技术后，工作面水害超前治理成效 显著，25083工作面减少涌水量3m3/min，22071工作面减少涌水量5m3/min，年共可节约 排水费360余万元，同时为有效解除工作面回采期间的水害威胁奠定了基础。减轻了-200 泵房排水压