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      小常煤業(yè)30222工作面導(dǎo)水陷落柱注漿加固實踐

      2020-04-20 03:10:08侯意成
      2020年4期
      關(guān)鍵詞:鉆場奧陶系含水

      侯意成

      (山西三元南耀 小常煤業(yè)有限公司,山西 長治 046000)

      1 工程背景

      小常煤業(yè)30222工作面在開展瓦斯順層抽放鉆探作業(yè)時,切眼及附近兩巷發(fā)生鉆孔出水,單孔最大涌水量達到120 m3/h,至2015年10月鉆孔累計疏放水量大于24萬m3。而瓦斯抽放孔135號和131號涌水量為59 m3/h。為進一步排查水源,委托長治市高原綜合勘探工程有限公司對30222工作面進行無線電波透視,其成果顯示距切眼90~130 m處有一異常區(qū),分析認為:該異常范圍為井下鉆孔出水位置,此處無線電波場強吸收較強,煤層較為破碎,推測該范圍內(nèi)巖層破碎嚴(yán)重,可能發(fā)育一陷落柱,其短軸長30 m,長軸長63 m,對工作面回采影響較大。

      2 工作面水文地質(zhì)情況分析

      2.1 與3號煤層采掘活動關(guān)系比較密切的主要含水層

      30222工作面主采3號煤層,3號煤層均厚6.82 m,煤層平均傾角4°,與3號煤層采掘活動關(guān)系比較密切的含水層有:①奧陶系裂隙巖溶含水巖組;②碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組,該含水層主要由K2、K3、K4、K5、K6石灰?guī)r組成,平均厚度為20.10 m,其中K2、K5巖溶裂隙相對較發(fā)育。3號煤層下距K6、K2灰?guī)r頂板距離分別為14 m、99 m,距離奧陶系灰?guī)r頂界面137 m。

      2.2 30222工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)分析

      3號煤層底板巖芯主要以炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,平均抗壓強度30.7 MPa,平均抗拉強度0.78 MPa。

      根據(jù)物探資料顯示,30222工作面靠近切眼90~130 m處,有一疑似巖溶陷落柱。在該井田其它區(qū)域,曾經(jīng)實際揭露過巖溶陷落柱,與物探疑似陷落柱從位置上約有10 m左右的誤差。

      2.3 水源分析

      3號煤層底板自上而下依次為太原群灰?guī)r含水組、奧陶系含水組和寒武系灰?guī)r含水組,是該工作面乃至整個井田的主要含水層,其中太原群灰?guī)r含水組、奧陶系含水組與3號煤層層間距分別為14 m、137 m。太原群灰?guī)r含水組主要由K6至K2等若干薄層灰?guī)r組成,夾層主要為泥巖、灰質(zhì)泥巖和細粉砂巖,隔水效果較好。太原群灰?guī)r含水組和奧陶系含水組之間有山西組鋁質(zhì)泥巖發(fā)育,也是隔水效果很好的隔水層。在不存在構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域,太原群灰?guī)r含水組和奧陶系含水組也同樣不具備抽放鉆孔出水的水文地質(zhì)條件。綜合以上分析認為,135孔、131孔及切眼瓦斯抽放鉆孔出水水源應(yīng)該是下部灰?guī)r水或奧灰水通過陷落柱導(dǎo)通3號煤層所致。且礦井以往在采掘作業(yè)過程中,曾有揭露過巖溶陷落柱,因此可以初步判斷導(dǎo)水通道為巖溶陷落柱。

      3 導(dǎo)水陷落柱注漿方案設(shè)計

      3.1 鉆孔設(shè)計

      在物探資料分析基礎(chǔ)上,布置鉆孔本著“探注結(jié)合、一孔多用、重點區(qū)域加密、三邊施工”等原則[1-2]。

      在原有鉆孔基礎(chǔ)上,本著節(jié)約進尺和施工就近原則,利用回風(fēng)巷25號鉆場施工6個鉆孔(1個探查孔,3個注漿堵水孔,2個注漿加固孔),運巷利用原有的鉆場初步布置6個鉆孔(1個探查孔,2個注漿堵水孔,3個注漿加固孔),鉆孔在平面與立體方向呈現(xiàn)交叉布置,主要針對前期施工鉆孔的空白區(qū)域進行加密探查。從上下兩巷進行探查控制,不僅利于探查范圍,而且多部鉆機同時施工,利于加快施工進度,縮短工期。如有必要還要在切眼內(nèi)布置鉆場進行施工。

      所有鉆孔盡量做到一孔兩用,即探查孔可以作為注漿孔,同時對前期施工的鉆孔進行處理、具備注漿條件后,進行注漿,并根據(jù)現(xiàn)場情況再增加若干注漿鉆孔。鉆孔參數(shù)見表1。

      表1 鉆孔參數(shù)

      3.2 修改補充設(shè)計

      從風(fēng)2、風(fēng)4、運1、運3四個鉆孔出水位置分析,鉆孔揭露出水位置分別位于K7砂巖、K6灰?guī)r、K5灰?guī)r,從而可以確定該陷落柱為一邊緣型出水陷落柱,即陷落柱導(dǎo)通K7、K6、K5地層,將K5灰?guī)r水導(dǎo)入3號煤層而形成積水,由抽放鉆孔釋放而突水。因此,決定對原設(shè)計方案進行修改調(diào)整:

      1) 排除頂板水因素,主要針對K6、K5灰?guī)r設(shè)計鉆孔,而且鉆孔數(shù)量會相對增加。只有增加鉆孔數(shù)量,才能擴大撲捉涌水通道的概率,才能擴大漿液擴散的面積。

      2) 需調(diào)整注漿材料,由于鉆孔吸漿量小,單注水泥漿容易堵塞,不利于擴散,因此需換成超高水化學(xué)料及膨潤粘土(400目),便于漿液擴散滲透。

      3) 配備高壓力注漿泵,增大注漿壓力將漿液大量地壓入地層,使?jié){液最大限度地擴散。

      4 注漿工程施工

      在原有回風(fēng)巷25號鉆場和運巷利用原有的鉆場初步各布置6個鉆孔的基礎(chǔ)上,再分別增加3個鉆孔,共布置18個鉆孔進行注漿。

      本次鉆孔施工均采用三級孔徑結(jié)構(gòu):一級孔徑為152 mm,深度6~8 m,下入D146 mm套管6~8 m,套管用水泥或化學(xué)料漿液封固,壓力不低于3 MPa;二級孔徑為113 mm,深度16~30 m,下入D108 mm套管16~30 m,套管用水泥封固,壓力不低于5 MPa;耐壓試驗合格后,進行三級鉆進,孔徑為75 mm至設(shè)計孔深。風(fēng)巷、運巷鉆場鉆孔剖面如圖1所示。

      圖1 風(fēng)巷、運輸巷鉆場鉆孔剖面示意

      注漿材料主要由水泥、超高水化學(xué)料、粘土及水組成:采用P42.5普通硅酸鹽水泥、強度42.5 MPa,超高水充填材料PACK、抗壓強度10~30 MPa,400目鉆井級膨潤粘土、塑化度為1.0 Pa/(MPa·s)、海帶、鋸末、水玻璃。選用NBB-260/7三缸單作用往復(fù)式泥漿泵,額定流量260 L/min,額定壓力7 MPa,功率45 kW。注漿工藝流程如圖2所示。

      圖2 注漿工藝流程

      本次總注漿量為1 383.7 t,其中注水泥470.5 t,超高水化學(xué)料462.8 t,粘土450.4 t。通過此次注漿加固,有效充填了底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙,從而大大減弱了含水層的富水性,并切斷了水源補給的通道,把含水層改造成了隔水層,增加了有效隔水厚度,為工作面安全回采提供了安全保障。

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