煤矿注浆堵水技术

煤矿注浆堵水技术

二O一O年五月煤炭科学研究总院西安研究院第一页，共五十一页。主要内容1概述1.1基本概念1.2注浆分类1.3注浆材料2注浆在煤矿中的应用3注浆堵水方案4注浆工程设计5东庞矿“4.12”突水灾害治理5.1过水巷道封堵技术5.2陷落柱封堵技术第二页，共五十一页。1.1、注浆的基本概念

注浆也称灌浆，就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照规定的配比或浓度，借用注浆设备或浆液自重对之施加压力，通过钻孔输送到受注层段中的一种施工技术。其实质是使浆液在受注层中渗透、扩散、充填，经过一定时间后凝固和硬化，从而达到加固受注层和抗渗防水的目的。

1概述第三页，共五十一页。1.2、注浆的分类1概述按注浆材料：水泥单液浆，水泥-水玻璃双液浆，水泥-粘土（粉煤灰、沙子）混合浆，化学浆液。按水动力条件：静水注浆，动水注浆。按工程目的：帷幕注浆，注浆改造，注浆堵水，井筒预注浆，管棚支护注浆。按注浆工艺：旋喷注浆，孔口静压注浆，孔内止浆注浆。按突水构造：断层注浆，裂隙注浆，陷落柱注浆第四页，共五十一页。1.3注浆材料1概述固粒灌浆材料水泥水玻璃粉煤灰粘土骨料Na2CO3•nSiO2作为速凝剂或双液浆与水泥浆配合使用适用于裂隙、孔隙与岩溶类受注层。具有结石强度高，性能稳定，来源广泛的特点。裂隙宽度不下于3～5倍的水泥颗粒直径（普通硅酸盐水泥30～80μm）满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》，其细度应不小于水泥细度。水泥代用材料，不同的工程目的对粘土性能指标（塑性指数、粘粒含量、粉粒含量、含沙量等）有不同的要求砾石、沙子等，适用于大空洞充填化学浆材真溶液浆材，具有粘度低、可灌性好、胶凝时间易于控制的特点。适用于井巷工程小型裂隙与微孔隙含水层注浆（丙烯酰胺类浆液）。第五页，共五十一页。2注浆在煤矿中的应用预注浆工程注浆堵水工程特殊注浆工程井筒预注浆工作面注浆改造帷幕注浆导水构造的预注浆处理巷道封堵工程突水构造封堵突水水源封堵管棚支护注浆防灭火注浆充填注浆第六页，共五十一页。3注浆堵水方案选择堵水方案应考虑的因素1）突水水文地质条件。水源、突水构造的类型、突水方式，井下与地面施工条件等。2）矿井受淹状况与施工条件。淹巷道、工作面，还是淹水平、或是整个矿井，地面与井下的施工条件等。3）本次突水与矿井今后防治水工作和煤炭生产接续的关系。4）不同方案的工期与工程造价因素第七页，共五十一页。4注浆工程设计钻孔设计注浆工艺设计质量检查与效果检验钻孔布置钻孔结构钻孔技术要求注浆层段与注浆方式注浆工艺控制注浆结束标准工序检查钻孔检查物探检查堵水效果第八页，共五十一页。工程设计应遵循的原则1）先探后治，探治结合2）动态设计3）分序次施工4）注浆工艺科学合理

(1)先骨料、后浆液;(2)动水注骨料、静水注浆;(3)注浆时间小于浆液凝固时间相适应

(4)注浆强度与受注层吸浆量相匹配4工程设计第九页，共五十一页。5东庞矿“4.12”突水灾害治理项目背景“4.12”突水灾害

1）水源：奥陶系强岩溶含水层

2）水量：出水后3h水量就增加10000m3/h以上，出水后9h水量增加到最大水70000m3/h3）通道：隐伏导水陷落柱4）其他：总涌水量约1000万m3

，奥灰含水层内影响半径达30Km第十页，共五十一页。总体方案阶段一期治理工程二期治理工程方案过水巷道封堵工程突水陷落柱治理工程目标尽快恢复生产同时探查陷落柱根治水患避免陷落柱二次突水实施情况2003年4月开工，同年9月完成，矿井已恢复正常生产2006年4月开工，2007年5月29日完成第十一页，共五十一页。项目概况第十二页，共五十一页。5.1过水巷道封堵技术快速定向钻进骨料灌注阻水墙建造旋喷注浆充填注浆升压注浆引流注浆第十三页，共五十一页。快速定向钻进1）技术要求：钻孔须在垂深586m处透巷，透巷水平位移不得大于1m，偏斜精度达1.72‰2）钻探工艺：（1）T685WS车载顶驱钻机，灵活机动（2）复合钻进技术纠偏

PDC(钻头)+ф197mm(双扶)单弯螺杆(0.5°)+ф203.2mm无磁钻铤+ф203.2mm普通钻铤+ф178mm普通钻铤×6+ф114mm钻杆3）钻进效率：平均每孔12天，最快达到100m/天4）钻探成果：7个钻孔命中巷道5.1巷道封堵第十四页，共五十一页。第十五页，共五十一页。动水骨料灌注1施工条件：高水压5.46MPa,动水条件，煤层巷道，巷内空高1.5m左右，巷内动水流速约300-350m/h

。2灌注工艺

1）灌注方法：水力射流，孔口密闭、砂石自重连续灌注法，定期下钻具透扫骨料。

2）骨料级配：骨料分细纱和石子两类级配：河沙:小石子:中石子:大石子=1:1:2:1

3）水固比：6:1-10:14）灌注结束标准：骨料堆积到巷顶经多次下钻冲扫仍不能进入巷道且经注（压）水试验，q值已降到1.0L/min.m以下时此孔灌注骨料工作结束5.1巷道封堵第十六页，共五十一页。

灌注骨料成果汇总表孔号灌注量(m3)灌前空顶高度(m)水位(m)水位上升值(m)施工时间注前注后G3260.75-5.1+4.798.892003年6月5日G625141.6-83.1+11.0994.192003年5月10～6月8G76540.90-19.68+63.1682.842003年7月13～7月17G811491.30-93.89-28.2765.622003年5月22～5月30合计43435.1巷道封堵第十七页，共五十一页。阻水墙的建造第一阶段，旋喷注浆：首先选择3个钻孔进行旋喷注浆施工，通过注入高压水泥浆液流，强行切割周围骨料，使水泥浆液与骨料充分混合，形成3个相对孤立的截断过水断面的砂浆或混凝土结石体。第二阶段，充填注浆：在旋喷注浆孔之间进行充填注浆，将旋喷结石体之间的空隙充填，形成一个整体的、连续的阻水墙。第三阶段，升压注浆：主要对阻水墙与顶底板岩石的接缝，以及岩石裂隙进行注浆加固，一方面增强阻水墙与围岩粘接力，提高抗挤出与抗水流冲刷能力。另一方面，注浆封堵了顶底板裂隙，可以防止突水绕流。另外，通过高压注浆提高阻水墙体的强度与抗渗透能力，封堵薄弱带的过水通道第四阶段，引流注浆：在工程后期矿井完全淹没、阻水墙基本形成情况下，井下突水基本为静水状态。为了检验堵水效果，封堵残留小的过水通道，在矿井试验排水期间，利用G2孔进行注浆，对出水口附近进行注浆封堵。5.1巷道封堵第十八页，共五十一页。堵水效果125天一期工程完工，225天矿井全面恢复生产。矿井排水复矿后，残余涌水量由初始的170m3/h，逐渐衰减为零，堵水率达到100%。5.1巷道封堵第十九页，共五十一页。陷落柱治理的必要性1）陷落柱从奥灰顶界面的-690m水平一直发育到上石盒子下段的-240.61m水平，垂直高度达450m，它穿透了大青、野青及9煤、2煤顶板砂岩含水层，并成为以上含水层的强大补给水源，如不进行陷落柱治理，在这些含水层中井巷工程一旦揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着2煤、9煤的安全开采。2）突水后陷落柱内大量的充填物被高压水冲出堆积在巷道，扩大了陷落柱空洞裂隙的体积，破坏了原有的平衡状态，使陷落柱周边岩体存在再次塌落的可能，特别是煤层强度低、结构疏松，更容易发生坍塌。因此，如不进行陷落柱治理，2煤煤柱的塌落使煤柱厚度变薄，陷落柱二次突水的危险性进一步增大。3）注浆封堵陷落柱，切断奥灰水的补给通道，降低柱内水压，可以减少陷落柱四周煤柱的留设厚度，解放部分煤炭资源。第二十页，共五十一页。陷落柱治理方案

在陷落柱探查的基础之上，封堵工程的核心就是在陷落柱的预定位置建造“堵水塞”，以切断陷落柱突水通道。其施工方案是采用以地面施工为主、井下施工为辅的井上下相结合的综合治理方案。一方面，在地面打钻施工注浆孔、监测孔，通过灌注骨料、浆液封堵“堵水塞”段的陷落柱体及其四周导水裂隙带，截断奥灰水的补给通道；另一方面，在井下施工定向放水钻孔，通过放水试验定量评价堵水效果。另外，对陷落柱上部空洞进行骨料充填，防止陷落柱进一步向上发育，沟通第四系水源。5.2陷落柱治理第二十一页，共五十一页。B-B＇剖面图治理技术第二十二页，共五十一页。2903陷落柱放1孔剖面图治理技术2.1技术方案第二十三页，共五十一页。突水陷落柱封堵技术定向分支钻孔骨料灌注阻水塞建造充填注浆升压注浆引流注浆加固注浆质量综合评价工序检查钻孔取芯压水试验物探检测放水试验5.2陷落柱治理第二十四页，共五十一页。定向分支钻孔二期工程共施工注浆孔6个，定向分支钻孔20个；质检孔2个；骨料孔2个；放水孔1个，总进尺8788.23m。从钻孔施工结果来看，除Z5-2孔因孔内事故未达到设计深度外，其余钻孔均按设计要求施工至目的层位，钻孔各项参数如偏斜方位、偏斜角等均符合设计要求5.2陷落柱治理第二十五页，共五十一页。钻孔对堵水塞段的控制参数一序孔二序孔三序孔钻孔控制密度（m2/孔）钻孔数655241控制半径（m）14.310.68.8钻孔间距（平面投影m）9.5～308～245.2～17备注陷落柱注浆控制面积：3546m25.2陷落柱治理第二十六页，共五十一页。陷落柱发育特征参数陷

落层

位长轴方向(m)短轴方向(m)长轴长度(m)短轴长度(m)周长(m)截面积(m2)陷落高度(m)上部陷落柱空洞NWNE4425111775-240.61上石盒子组底界NWNE523313912582#煤层NWNE724120419299#煤层NWNE80442342624奥

灰顶

界NWNE89532583508堵水塞段NWNE80/9241/492289/3546第二十七页，共五十一页。“阻水塞”段注浆孔平面投影图5.2陷落柱治理第二十八页，共五十一页。注浆钻孔东北等轴测图5.2陷落柱治理第二十九页，共五十一页。陷落柱阻水塞建造工艺

阶段

充填注浆

升压注浆

引流注浆

加固注浆钻孔一序孔初期一序孔中后期二、三序前期三序孔后期二、三序孔后期，质检孔浆液类型水灰比0.8:1、1:1，加早强剂1:1的早强浆液为主1:1的纯水泥浆液为主1.3:1、1:1的纯水泥浆液为主注浆条件静水无压定量200-240m3

注浆时间12-15小时静水，注前压水逐渐升压定量130-150m3

注浆时间10-12小时动水孔口显压控制定量60-80m3

注浆时间5-6小时孔口压力2MPa定量80-100m3

注浆时间6-8小时目标充填大裂隙、大通道封堵主要过水通道，构筑堵水塞主体构架封堵较大裂隙、溶隙巩固前期效果封堵小裂隙通道，进一步减少水量封堵残留微小裂隙（孔隙）及边缘裂隙，加强堵水塞封堵效果5.2陷落柱治理第三十页，共五十一页。质量检查钻孔取芯5.2陷落柱治理第三十一页，共五十一页。Z4-检1孔岩芯图片（704m）治理技术第三十二页，共五十一页。压水试验孔号试验层位压水量（L/min)受注段长(m)孔口压力(Mpa)吸水率(L/min.m.m)Z4-检1610m351304.10.00057664m601843.60.00078742m352622.00.00051Z3-检2610m1061302.10.00302664m1061841.60.00262742m1672621.00.00398742m352623.80.000305.2陷落柱治理第三十三页，共五十一页。堵水效果—放水试验

1)

残余补给量2.24m3/h

2)

水质化验结果显示，未有奥灰水参与

3)

水位动态表明，本次放水与奥灰水没有关联结论：

堵水塞已成功切断了陷落柱的奥灰水补给通道，从而根除了隐患。5.2陷落柱治理第三十四页，共五十一页。谢谢！第三十五页，共五十一页。2.1.3综合注浆法建造阻水墙2旋喷注浆1）钻孔：G8、G7、G3、G62）注浆材料：42.5#普通硅酸盐水泥，早强剂为三乙醇胺和食盐3）工艺参数浆液配方：水灰比控制在0.6～0.7，浆液比重1.6～1.8，可加入水泥量0.03-0.05%的三乙醇胺和0.3-0.5%的食盐。喷浆压力：10~15MPa

喷体结构：喷嘴直径为ф3~4mm，三喷嘴型旋喷注浆泵：LM-500/22型泥浆泵4）旋喷注浆施工工艺流程①单位吸水率即Δq值已降到1（L/min.m）以下时，即可下入三孔射流旋喷钻头，采用水泥浆喷射自上而下射流搅拌至孔底（低于巷底的深度），然后再由下而上一边提升、一边旋转喷射至巷道顶以上的钻孔内；②水泥凝固6~8小时后，扫孔到底，进行第二次旋喷，如此反复多次，直到孔口返浆为止。③待凝48小时后，经用筒状钻头取芯，若取芯砼密实完整，说明旋喷效果好，否则，下钻具重复旋喷注浆，直到岩芯完整，且钻孔吸水率达到设计要求。治理技术第三十六页，共五十一页。2.1.3综合注浆法建造阻水墙3充填注浆工艺

1）充填注浆参数及工艺流程（1）注前压水（2）制浆：浆液比重控制在1.6～1.7g/cm3之间，制浆能力36~60m3/h。（3）注浆：充填注浆的从排量400L/min、比重1.7g/cm3

注起。充填注浆阶段的初期主要以单孔大浆量注浆法和多孔大浆量联合注浆法为主，在注浆的同时及时其他注浆孔、主井和奥灰孔水位动态，分析注浆效果，如注浆效果好，则连续注浆，否则，采用多孔间歇交替注浆法，以防止浆液大量流失。在充填注浆阶段的后期，过水通道断面大幅缩减后，采用单孔小浆量间歇注浆法。（4）停止注浆①：压清水经泵冲洗管路并将水压入孔中。②：待孔口压力归零后，方可拆开孔口注浆栓。③:下钻具透孔至原孔深，以便下次再注，中间托钻记录深度。治理技术第三十七页，共五十一页。2.1.3综合注浆法建造阻水墙4升压注浆1）受注层：巷道顶板裂隙岩体、巷道、巷道底板裂隙岩体2）注浆方式：下行分段式注浆，终孔层位为2#煤层的底板以下10m，逐段进行反复的封堵加固。主要采用单孔注浆，但在压水和注浆过程中若发现与有的钻孔串通，应改为双孔联合注浆。3）注浆参数：浆液的比重一般为1.5-1.75。4）结束标准：待巷底总压至10MPa（2倍水头），孔口压力达到5MPa左右，稳压30分钟以上，吸浆量在50L/min以下，扫孔到巷底以下10m处，经压水试验q值不大于0.01L/min.m时结束。治理技术第三十八页，共五十一页。2.1.3综合注浆法建造阻水墙5引流注浆1）应用条件：主要过水通道被封堵后；2）实施方案：在矿井主副井或突水点附近进行引流排水，使静水条件变成动水条件，排水量为7000m3/h；3）目的：过水通道的细小裂隙、薄弱带进行再加固，进一步减少出水量，同时，向来水方向逆流压注，并通过陷落柱进一步向被陷落柱贯穿的各含水层及其导水系统进行注浆封水；4）引流钻孔：靠近突水点的G2孔，借助堵水段内外的水头差进行引流注浆；5）施工情况：从8月16日开始到9月22日结束，实际上大部分浆液当时已很难通过G6和G8孔的“阻力段”，在注浆工程后期特别是进入升压注浆阶段以后，G1孔频繁的窜水窜浆，说明阻水墙已基本形成，浆液通过G1孔逆流压注到突水口及陷落柱内。最后G2孔孔深延伸到596.6m（巷道底板下15.6m），全孔注浆31次，注浆最终压力4.6-6.0MPa，最终浆液比重1.65，结束吸浆量50L/min。这次引流注浆在巷顶以上注浆18次、耗用水泥5184t，占引流注浆总量的56.5%，巷底以下共注入3270t，占引流注浆总量的35.6%，而巷内仅注入水泥720吨，占引流注浆总量的7.8%，这一情况表明，本次引流注浆的作用，实际上已不仅是加固巷内的堵水段，更是通过巷道顶、底板的裂隙进一步封堵它们与陷落柱之间的水力联系。治理技术第三十九页，共五十一页。2.2.1突水陷落柱探查1利用三维地震勘探控制突水陷落柱的空间构造特征2电法探测、V5多功能电磁法探测陷落柱的富水性3探查与施工钻孔验证物探成果，进一步查明陷落柱纵向形态特征、上部空洞特征、“堵水塞”段陷落柱发育特征2.1技术方案治理技术第四十页，共五十一页。A-A＇剖面图治理技术第四十一页，共五十一页。2.2.2定向分支造孔工艺1）设计单位提出单孔设计，对直孔段深度、起始偏斜深度、水平偏斜距、偏斜段垂高、偏斜方位、平均偏斜角等参数作出规定。2）施工单位根据钻孔设计参数编制钻孔施工组织设计，作出钻孔偏斜轨迹预测。3）直孔段钻具组合一开钻具：Φ311mm钻头＋Φ159mm无磁钻铤＋Φ159mm普通钻铤＋Φ127mm钻杆＋驱动装置二开钻具：Φ210mm钻头＋Φ159mm无磁钻铤＋Φ159mm普通钻铤＋Φ127mm钻杆＋驱动装置4）定向偏斜段钻具组合Φ146mm金刚石复合片钻头＋Φ126mm螺杆＋Φ127mm钻铤＋Φ127mm钻杆＋127mm方钻杆5）钻孔定向测斜直孔段水平偏斜距不得大于1m，偏斜方位不得大于1度，每20m测斜一次。为此，采用1.5度单弯螺杆钻进，及时进行随钻测斜，发现偏斜及时纠偏，确保井身轨迹误差在设计要求范围之内。6）直孔段冲洗液漏失，采用重泥浆堵漏，进入陷落柱后，发生大量漏失，注浆堵漏。2.1技术方案治理技术第四十二页，共五十一页。3.2.4质量评价1

钻孔成孔质量评述—20分支孔按设计参数施工

2

单孔注浆效果--q≤0.001L/min.m.m3

施工过程中取芯情况—见照片

4

井下TEM法探测成果—治理后富水异常区消失

5

质量检查孔—长度满足要求

治理技术第四十三页，共五十一页。孔号注浆序次段长（m）吸水率注浆阶段Z1-1二全段73≤0.001加固阶段Z1-2一上段25≤0.05充填阶段升压阶段引流、加固阶段中段25≤0.05下段23≤0.05全段73≤0.005Z1-3三全段73≤0.001加固阶段Z3-1三全段73≤0.001加固阶段Z3-2一上段25≤0.005充填阶段升压阶段引流、加固阶段中段25≤0.005下段23≤0.005全段73≤0.001Z3-3二全段73≤0.001加固阶段注浆结束标准治理技术第四十四页，共五十一页。渗透性等级标准岩体特征渗透系数K(cm/s)吸水率q(L/min.m.)极微透水K<10-6q<0.001完整岩石含等价开度<0.025mm裂隙的岩体微透水10-6≤K<10-50.001≤q<0.01含等价开度0.025～0.05mm裂隙的岩体弱透水10-5≤K<10-40.01≤q<0.1含等价开度0.05～0.1mm裂隙的岩体中等透水10-4≤K<10-20.1≤q<1含等价开度0.1～0.5mm裂隙的岩体强透水10-2≤K<100q≥1含等价开度0.5～2.5mm裂隙的岩体极强透水K≥100含等价开度≥2.5mm裂隙的岩体岩石透水性等级表治理技术第四十五页，共五十一页。“堵水塞”长度

Z4-检1孔：至少81m

放1孔:138m

Z3-检2:至少132m

三处“堵水塞”顶面至少高于设计位置8m、65m及59m

实际堵水塞长度不小于81m2.1技术方案治理技术第四十六页，共五十一页。3.2.5堵水效果—放水试验(1)

残余补