煤矿注浆堵水参数的确定

煤矿注浆堵水参数的确定郭嘉祺;张敬凯;高勇【摘要】Groutingisaimportanttechnicalmethodincoalminewaterpreventionandcontrol.Inthegroutingproject,thegroutingparameters,includingthegroutingmaterial,pressure,method,volumeandspreadofgroutingradius,aredeterminedbyanalyzingtheactualhydrogeologicalconditions.BasedonthedataofCaijiucoalfaceinTanmine,thepaperexpoundshowtodeterminethegroutingparametersinreality.%注浆堵水是煤矿治水的重要技术方法之一，在注浆工程中，需通过分析实际的水文地质条件来确定相应的注浆参数，包括注浆的材料、压力、方式、注浆量和扩散半径。本文通过分析炭煤矿采九工作面的突水资料，着重阐述了在实际工作中如何确定注浆参数。【期刊名称】《科技资讯》【年(卷)，期】2012(000)004【总页数】2页(P72-73)【关键词】注浆堵水;采九工作面;注浆参数【作者】郭嘉祺;张敬凯;高勇【作者单位】河南省煤田地质局，郑州450000;河南省煤田地质局，郑州450000;河南省煤田地质局，郑州450000【正文语种】中文【中图分类】TD743矿井突水一直是煤矿生产的突出问题，注浆封堵技术是通过注浆在含水层中建造地下挡水墙，人为地改变水文地质条件，改变含水层的补给水源，使被疏干含水层的动、静储量相对减少，使其得不到或得到较少的补给，减少矿井正常涌水量,是处理进水边界或导水断层的一种有效技术措施,己经在许多矿区有着广泛的应用。河南煤矿主要含水层有:奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，太原组下段灰岩岩溶裂隙含水层，太原组上段灰岩岩溶裂隙含水层,二1煤顶板砂岩裂隙含水层。采九工作面位于-199m水平，下距奥陶系灰岩平均200m;主采煤层一1煤层上距二1煤层60m左右，下距奥陶系灰岩一般10m。2008年5月14日4时50分河南某矿在施工二七盘区九采区水平巷道时发生底板突水，突水层位为奥陶系石灰岩含水层，突水水量约2500~3000m3/h（估算），因突水来势凶猛,水量大，很快将标高-100m以下地区全部淹没，致使矿井主采区东翼大部分工作面被淹，矿井生产无法正常进行。突水后，该矿原采四突水点水量1103/h全部消失，浅部的小关煤矿和东部的新中煤矿矿井涌水量也大幅度减少。据初步调查，突水后奥灰水位发生了变化，突水点8km~10km处的新中煤矿奥灰观测孔水位下降6m~8m。据水温资料，在距突水点500m左右处,2008年6月6日测得水温38.5°C。3.1注浆材料的确定注浆材料是注浆堵水及加固工程成败的关键，并且材料的选择直接影响到投入成本。注浆材料的选择主要取决于堵水加固地段的水文地质条件、岩层的裂隙、岩溶发育程度、地下水的流速及化学成分等因素。理论上注浆材料最好符合下面要求:可注性好（如流动性好、粘度低、分散相颗粒小等）;浆液稳定性好（析水少、颗粒沉降慢）；浆液凝结时间易于调节，固化过程最好是突变的;浆液固结后，具备所需要的力学强度、抗渗透性和抗侵蚀性。但是由于在注浆过程中需要消耗大量的注浆材料,理论上的材料价格是很高的，不符合经济要求，因此在实际中还要考虑材料的费用问题，最好是材料源广、价廉、储运方便，配置、注入工艺简单，不污染环境［1~3］。常用注浆材料有水泥浆液、水泥-水玻璃浆液、粘土浆液和化学浆液等。虽然这次突水的突水水源为奥灰水，但从突水量的大小、范围及水量变化分析，该次奥灰突水以底板裂隙分散流为主。因此，要求注浆浆液粘度要小、低析水率、稳定性好、塑性强度高、扩散半径远，应以稀浆为主,故选择水泥单浆液。3.2注浆压力浆液必须克服流动阻力才可以在岩层裂隙中扩散，而注浆压力是给予浆液扩散、充塞的能量。若注浆压力大,能量大浆液就可以扩散较远，效果比较好，但是耗浆量大，造成浪费，在经济方面不合理。若注浆压力小，浆液扩散近，虽然耗浆量小，但是有可能造成封堵不严,不能成功堵水。因此正确选择注浆压力并且合理运用注浆压力，是注浆过程中的关键问题［4］。(1)注浆压力按以下经验公式计算。式中：P0为注浆终压(O.IMPa);RK为压力系数(一般取3-3.5);H0为岩层高度,m;Y0为水的比重,yO=1g/cm3;YC为浆液的比重g/cm3。将上式进行化简就可以得到下面简单一点的经验公式：PC为注浆泵的表压(O.IMPa)。钻孔的注浆压力一般取受注点静水压力的1.5-2.5倍具体压力大小应根据隔水层厚度、岩性及破碎程度、水压大小确定。(2)采九工作面注浆压力。注浆压力:分段注浆压力超过注浆孔口静压0.3MPa~0.5MPa；最终注浆终孔压力为孔口静压的1.5~2倍。结束标准达到终孔压力并持续10min以上。3.3扩散半径浆液在岩石裂隙中的扩散范围,称为扩散半径。我们布孔时必须要按照扩散半径来确定孔距，孔距必须小于或等于扩散半径才能使封堵密实，堵水才能成功。由于岩石裂隙发育的各向异性，浆液在岩石裂隙中扩散不规则。因此，注浆时常以充塞半径表示有效扩散范围，在此范围内浆液充塞、水化后的结石体能有效地封堵涌水。由于岩石的渗透性和裂隙发育的不均匀,致使浆液的扩散半径和充塞半径有时相差很大。所以在注浆前应进行试验，以取得布置注浆孔孔距的可靠依据。扩散半径影响因素。浆液的扩散半径随岩层渗透系数、注浆压力、注入时间的增加而增加，随浆液浓度和粘度的增加而减少。在施工中,可通过调节浆液浓度、注浆压力、注入量等参数，取得既能满足工程需要，又能降低浆液消耗量的合理扩散半径。采九工作面扩散半径的确定。本次堵水采用的是水泥单浆液，属于牛顿流体型,在注浆压力下，浆液在孔下部呈现柱形扩散时，采用下面的理论计算公式：t为注浆时间,s;r1为浆液扩散渗透半径,cm;P为浆液粘度对水的粘度比；n为被注载体的孔隙率；k为被注载体的渗透系数,cm/s;h1为注浆压力(厘米水头),cm;r0为注浆管半径,cm。在这个公式中，我们可以看到在公式的右边也含有r1,因此要采用试算迭代的方法，在计算机中使用牛顿迭代的方法就可以计算出它的解析解。计算出的扩散半径要与本矿区的经验值作出比较,在注浆开始前要做试验确定出扩散半径。3.4注浆量的预算注浆呈柱状扩散，因此注浆孔浆液预算注入量可用下列计算公式：式中：V为注浆孔浆液预算注入量m3;A为浆液消耗系数，一般A=1.2~1.5;H为注浆段高,m;R为浆液的有效扩散半径m,—般按20m计算；N为岩石裂隙率%,一般根据取芯和抽压水试验来确定。在砂岩、砂质页岩含水层n=1-3%:断层破碎带或岩溶发育的地层n最大10%。P为注浆在裂隙内的有效充填系数(一般取0.3~0.9)。按稀到浓原则，开始时注稀浆来充填小的裂隙，视其吸浆程度再提高浓浆来充填大的裂隙，最后再以稀浆来充填微裂隙并起加固作用。注浆时当注浆压力保持不变，而吸浆量有均匀减少或当前吸浆量不变，而压力有均匀升高时，进行连续注浆。⑶分段注浆，逐步升压，封堵通道，加固底板。因煤层底板破坏严重，含水层导升裂隙加大，注浆终孔压力稍微掌握不好,就可能造成底板鼓开。因此，施工中钻孔见水超过30m3/h时，停止注浆,进行量水测压，连通试验，注浆堵水,分段注浆终孔压力为:超过注浆孔口静压0.3MPa~0.5MPa。(4)注浆前，根据联通试验，确定水泥浆比重;注浆过程中，根据出水点的串浆情况，调整水泥浆比重;分段注浆终孔时，降低水泥浆比重。本次注浆项对奥陶系灰岩岩溶裂隙共注浆25次,奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层水位由炭煤矿二七盘区采九工作面突水后的标高-25m（堵水前）逐步恢复至标高-35.56m（堵水后）的正常奥灰水位，与区域奥灰水位相吻合。2010年12月3日井下排水58m3后压力值由0.12MPa降至0.00MPa,24h后压力升至0.10MPa的情况，算得流量为2.42m3/h,与2008年5月2500~3000m3/h的突水水量相比，井下已基本无水，堵水率达到90%以上。本次注浆项目达到了封堵炭煤矿二七盘区采九工作面突水点的治源目的。注浆堵水是一种重要的防治水方法，在注浆堵水过程中必须结合出水工作面所处的构造特征以及水文特征，分析出水的通道及出水含水层的特点,并确定出水水源和来水方向，为堵水做好必要的准备工作。在注浆过程中注浆参数可以通过注浆理论确定，但是理论上的注浆参数与实际施工中可能存在误差，因此在施工中注浆