注浆技术在华北奥灰水害防治中的应用与发展_杨雪.pdf

第卷第期建井技术年月 注浆技术在华北奥灰水害防治中 的应用与发展杨雪“，田乐，邓昀、安许良（北 京中煤 矿山工程 有限公司，北 京 ；矿山深井建设技 术国家工程 研 究中心，北 京 ）摘要：我国华北型煤田水文地质条件复杂，随着深 部 资源的大规模开发，煤层底板奥 灰突水 概率增 加，奥 灰水害 成为华北型煤田深 部开采的严重安全威胁。应用注浆技术能够快 速封堵突水通道，消除潜 在水患，在华北奥 灰水害防控方 面具有明显优势；历经工作 面注浆、井下定向孔 注浆和地面定向孔 注浆，装备 进步推动华北型煤田奥 灰水害注浆防 治技术持续发 展。本文分析了注浆技术在华北型煤田奥 灰水害防 治中的发 展历程，结合奥 灰水害超前治理工程案例，分析了实践中地面定向孔 注浆技术遇到的问题，指出了区域水害防 治地面定向孔 注浆技术发 展方向。本文对华北型煤田深 部开采 底板奥 灰水害防 治具有重要参考意义。关键词：注浆技术；华北型煤田；深 部开采；奥 灰水害中 图分类 号：文献标识码：文章编 号：（）卜 ，（，？，？丄 ，？（）：，？收 稿日期 修回日期：责任编 辑：张素玉：基金项目：国家自然 科 学基 金 面上资金资助项目（）；北 京中煤 矿山工程 有限公司技 术 开 发 资金资助项目（）；北 京中煤 矿山工程 有限公司自立科 技 资金资助项目（）作者 简介：杨雪（），女，河北石家 庄 人，助理研 究员。：引用格式：杨雪，田乐，邓昀，等注 浆 技 术 在 华 北 奥 灰 水害 防治中的应 用与发展建井技 术，（）：（；（）（），）：第期杨雪，等：注浆技术 在 华北奥 灰 水害 防治中的应 用与发 展 ：；华北石炭二叠纪煤田遍及京、津、晋、冀、鲁、豫整个区域及辽、吉、内蒙北部和甘、宁东部，陕、苏、皖北部，一般 称为华北型煤田，煤 炭 产量约占全国煤 炭 产量的，其安全高效开采对保障国家能源安全和地方经济 平稳健康发展具有重要意义。受地质演化影响，华北石炭二叠纪煤系地层基本都 是直接沉积在奥陶系灰岩上，缺失了早古生代的志留纪和 晚古生代的泥盆纪 地层，奥陶系灰岩 岩溶裂隙发育，富水性强，距石炭二叠系煤层较近，有约亿煤 炭储量受奥灰承压水的突水 威 胁。近（）年 来 煤矿采深持续增 加，在高承压水和采动耦合 作用下，煤层底板奥灰突水概率增加，据不完全统计，华北型煤田 以上生产型矿井受奥灰岩溶地下水 威 胁。以邯 邢矿区为例，煤系基底奥陶系灰岩为巨厚含水层，水头压力 高、陷落柱、断层及裂隙发育，年以来发生余起底板奥灰岩溶突水，造成重大经济损失和人员伤亡。华北型煤田深部开采奥灰 水害 防治成为 我国煤 炭 行业亟待 解决的重大 难题之一。煤矿安全规程（国家安全生产监督管理总局令第号）确立了我国煤矿防治水工作“预 测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的基本原则和“防、堵、疏、排、截”的综 合防治措施。根据煤矿防治水细 则（煤安监调查号），底板水害 防治应坚持井上与井下治理相结 合、区域与局部治理相结 合的原则，结 合具体工况，可采用疏水降压、充填开采、帷幕注浆、井下注浆和地面区域注浆治理等方式。疏水降压、充填开采，帷幕注浆等水害 防治技术适用条 件较为严苛，井下或地面注浆适应 性广、使用灵活、安全性高、经济性好、时间成本低，可快速封堵突水通道，消除 底板潜 在水患，在 华北型煤田深部开采奥灰 水害 防控方面具有明显优 势。注浆技 术发展现状注浆技术起源于建筑工程，年法国人查理士柏利尼（）第一次向地层中注人粘土和水凝性石膏改善地层 稳定性和透水性；年，阿里因普 瑞贝硬煤矿的一个井 筒第一次使用水泥注浆；年，铁琴 斯（）成功采用地面预 注浆法开凿井 筒 并 获得专利权。注浆技术经过两个多世纪探索与发展，作为经济实用的岩土加固与防渗堵水方法，在矿山、市政建设领 域 先后在英国、法国、南 非、美国、日本和原苏 联得到广泛应用。我国注浆技术起步于世纪（）年 代。在 煤炭 行业，东北鹤岗矿区、鸡西矿区和山东淄博矿区首 先 采用井壁注浆封堵井 筒 漏 水。年山东新汶 矿区张庄煤矿立井 采用工作面预 注浆，取 得良好堵水 效 果。年峰 峰薛 村 煤矿主、副井 筒地面预 注浆（起 止深度？）堵水 率达到，焦作 李庄立井地面预 注浆（深度）堵水 率达到。（）年 代后，注浆新材料、新工艺、新设备相继开发，注浆施工更加安全，注浆效果更加明显。在 煤矿领 域，注浆技术近年 来取得了长 足进步，结 合 定向钻进技术的空间优 势和注浆技术功 能的扩展，地面定向孔注浆施工选址限制性 更 小，探查治理范围更广，已广泛应用于煤矿立井 井 筒 水害超前防治、深井 水 平巷道长距离软弱围岩预 加固、深部 煤层 顶底板区域 水害超前防治、断层带 水害超前探查治理、陷落柱探查治理等 方面，对保障煤矿安全生产做出重要贡献。华北奥 灰 水害 防治注浆技 术工作面注浆技术煤层底板工作面注浆防治水，是指利 用回采工作面已经掘出的上通风和下运输巷道，使用普通坑道钻机，在工作面周围布设沿巷道掘进方向的底板探查孔和注浆孔，对回采工作面和尚未掘进的巷道进行注浆治理。年，肥城矿区提出工作面注浆改 造煤层底板，经现场实践，年工作面注浆防治水进一步发展，并于年基本形成 煤层底板工作面注浆防治水技术。该技术应用于肥城、焦作、永城、郑州、邢台、峰 峰、淮北、皖北等矿区，释放受水害威 胁 煤 炭资源数亿吨。工作面注浆防治水技术包括注浆孔布设及钻孔工艺、注浆 材料及注浆工艺、质量检查及效 果评价等方面（）。利 用已有巷道进行 钻探施工，具有针对性强、费 用低的特点，但 是占用巷道掘进时间、建井技术年 第卷钻探能力 弱、钻探精度 低、钻孔方位控制能力差、注浆压力低、注浆量小、注浆改造区域有限，施工效 率低、施工 工期长、劳动强度 大、工作环境恶 劣。井下定向孔注浆技术随 着定向钻进技术的发展，年以来亚美大宁矿、晋 煤寺河矿、宁煤白芨沟矿等煤矿企业引进 澳大利亚（）（）（）型千 米钻机及 配套装备，开展井下超千 米钻孔及多分枝钻孔施工，用于瓦斯抽采。结 合 煤矿 底板防治水实际需求，中 国煤炭科工集团有限公司西安研究院研制了 型履带 式全液压钻机，并用于煤层底板奥灰 水害 防治注浆 钻孔施工，工作面注浆技术进一步发展，为井下定向孔注浆技术。对比普通坑道钻机，型履带 式全液压钻机钻探能力强，具有在奥灰中施工千 米钻孔的能力，配合随钻测量设备，可实现底板奥灰水长距离探查。河南 煤化集团赵固一矿、冀中能源峰 峰 集团辛安矿：）、陕煤化集团桑树坪煤矿等多个煤矿采用该设备 在 井下施工长距离水 平 定向钻孔，探查煤层底板含水层，并进行注浆改 造，防治水害。井下定向孔注浆受井下施工条件和钻探装备的限制，钻探施工时回转钻进与定向钻进难以较好结 合，钻进 速度慢；钻孔轨迹和钻孔方位变化幅度小，难以完全覆盖治理区域，无法避免 钻探盲区；井下施工，工作环境差，注浆压力低，注浆量小，改 造区域有限，对比工作面注浆防治水，施工效 率虽有较大提高，但整体效 率依然较低。地面定向孔注浆技术淮北矿业（集团）有限责任公司信湖煤矿开采水 平深度（）（）左右，地质条 件复杂、岩层软弱破碎，年，北京中煤矿山工程有限公司、淮北矿业集团、安 徽理工大学等联合开展“千 米深井围岩改 性型钻孔地面预 注浆关 键 技术”研究，利用大功率顶驱钻机，在地面施工定向钻孔（个主孔，个分支孔，钻孔垂深、水 平注浆段长），对信湖煤矿 千 米深井底车场的中央 栗房、变电所 处软弱、破碎围岩进行注浆改 造，减少了钻孔工程量、大幅提高了单孔注浆范围和注浆效果，确保了深井巷道围岩稳定？。地面定向孔注浆技术已逐步成 熟 并用于深部煤层底板奥灰 水害 防治领 域。年，北京中煤矿山工程有限公司在 冀中能源峰 峰 集团辛安矿使用自行研制的 型全液压顶驱钻机，采用水 平 定向钻孔对采区进行区域 水害探查治理（）；安 徽淮北朱 庄煤矿、河北邯 郸九 龙 煤矿？、山东王楼煤矿、安 徽恒源煤矿：）、河南新乡赵固一矿等相继采用地面定向孔注浆技术开展深部 煤层底板水害探查防治，取得 较好的效 果。地面定向孔注浆技术，施工 工况条 件 好。采用大功率顶驱钻机，钻探能力强、钻进 速度快；采用无线 随钻测斜，定向精 度高、钻孔轨迹和钻孔方位变化幅度 大、探查区域广；采用地面高压注浆，注浆压力 高、注浆量大、覆盖区域广。地面定向孔注浆技术极大提高了深部 煤 炭底板奥灰 水害的探查、治理能力，开创了华北型煤田深部开采底板奥灰 水害探查治理新 途 径。地面定向孔注浆 防治水案例与问题分析案例简介在装备进步推动下，地面定向孔注浆技术发展成为华北型煤田深部开采底板奥灰 水害 防治的有效 手段，具有诸多优点，施工安全性高，工作 效 率高，可在工作面掘进前实现区域全覆盖超前治理，在 被 华北型煤田富水矿区得到广泛应用。表为北京中煤矿山工程有限公司承担的部分防治水项目钻探和注浆施工参数。表地面 定向孔注浆防治 水案 例 参 数工程 项目名称辛 安 矿采区赵固一矿 工作面赵固一矿工作面恒 源、工作面钻探水 平 段 长？丄？丄丄？注 浆孔间距浆 液 类型浆 液 密 度（丄？）？单 液 水泥浆？丄？黏土水泥浆？丄？黏土水泥浆？丄？单 液 水泥浆？丄结 束 标 准丄？丄丄？丄（）冀中能源峰 峰 集团辛安矿采区处在正断层（落差）下盘，东西宽，南北长，为 治理可能发育隐伏陷落柱、断层和裂隙等导水构造水害区域，以大 青 灰岩含水层为目的层，在地面设计施工定向钻孔个（含个主孔、（）个分支孔和个 次 级分支孔，钻探工第期杨雪，等：注浆技术 在 华北奥 灰 水害 防治中的应 用与发 展程量），进行区域 水文地质探查与注水泥浆预治理，实现封堵奥灰 水导水通道、降低 煤层底板奥灰突水概率、提高井下探巷掘进及回采安全性的目的。（）河南 煤化集团赵固一矿二叠系山西组二煤 平 均厚度，埋深？。煤底板直接含水层太原组上段灰岩（、灰岩），距二煤层底板？，灰岩发育较好，平均厚，岩溶裂隙发育，渗透系数为？；间接含水层太原组下段灰岩（、灰岩）及中奥陶统 灰岩 岩溶裂隙含水层（灰岩），上距二丨煤层底板分别为？、？丄灰岩发育，厚约，富水性 较强。受断裂 构造及断层 影响，和灰岩含水层与灰岩含水层产生水力联系，给采掘工作带 来严重水害威 胁。其中 工作面探查治理区域长，宽。地面布置个主孔（注、注、注）和个水 平分支孔，总钻探量，对灰岩含水层 进行探查治理，注水泥，黏土，干 料合计，注裝 结 束后，在 工作面两巷掘进 过程中未出现底板起鼓或出水现象，有效保障了煤矿安全生产；工作面走向长，倾斜宽，面积，设计布置个主孔（注、注），其中注布置个分支孔，注布置个分支孔，分支孔间距，总钻探量；工作面治理区域长约，宽约，地面布置一个主孔（注），个水 平分支孔（水 平间距约），总钻探量，在施工过程中水 平段轨迹偏差以内，揭示灰岩层 段及断层，实现工作面底板探查和注浆治理目的。（）皖北煤电恒源煤矿工作面（、）煤底板灰岩含水层地面定向孔注浆，治理区域 走向长，倾斜宽，设计个主孔，个水 平分支孔，孔间距？（），水 平孔 段最长，设计钻探量 ，米用密度（？）的单液水泥浆对目的含水层注浆改 造。问题分析煤层底板奥灰 水害 防治地面定向孔注浆技术在实践中快速发展，大 部分都达到了治理目的，保障了矿井安全生产；有的则因钻孔布置、浆液材料选择、工艺参 数等原因，治理效 果不甚理想。目前，该技术 仍处于发展初步阶段，标 准体系尚未 完善，结 合煤矿防治水细 则（煤安监调查号）的基本要求，在工程实践中主要以各地出台的防治水管理规定为依据，在治理区域 钻孔布置、钻孔轨迹控制要求、浆液材料选型、注浆方法、注浆条件、注浆 结 束 标 准和效 果评价等 诸多方面存在不同意见。（）钻孔布置方面。区域治理地面定向钻孔有“鱼骨型”和“平 行型”等布置方式，在实践中对分支 钻孔间距与分布方式 仍处于探索阶段，钻孔布置设计依据不足。以“平 行型”分支 钻孔布置为例：实践中孔间距一般设计为？，浆液扩散能否满足区域 水害 防治的要求，缺乏实验 数据支持。（）注浆 材料方面。对注浆 材料和浆液选型认识不统一，在注浆 材料选型、注浆 材料配比及工程施工过程中配比调整等方面存在分歧。以材料选型为例，就有单液水泥浆液、黏土水泥浆和水泥黏土浆等多 种方案，缺乏理论和实验 数据支持。（）注浆 结 束 标 准方面。注浆 结 束 标 准认识不统一，在实践中有 注浆栗量控制和注浆 终压控制等 方式，由于浆液选择和浆液性能认识上的差异，加之对浆液在目标地层扩散规律及作用机理缺乏系统研究，影响了科学 评价 标 准的建立和工程经济性。（）工艺参 数管理方面。钻孔轨迹控制、注浆方法、注浆条 件都 是工艺参 数管理的重要内容，工程实践缺乏理论指 导，对浆液选型没有统一意见，对关 键工艺参 数影响因素缺乏系统研究，重要设计参 数取值没有科学依据，缺乏公 认技术 标 准、规范。（）注浆 效 果评价方面。在实践中有压水试验、钻孔 取心、井下钻探、物探等 方式，注浆 效 果评价方法、评价指标、评价程序的不统一给项目施工企业和煤 炭生产企业评价工程效果 带来诸多 争议。以上问题已成为地面定向孔注浆防治煤层底板奥灰 水害应用 和发展的瓶 颈，成为亟待 解决的深层次理论问题。以上问题以注浆 材料选择最为核心，应从注浆基础理论出发，以煤层底板奥灰可注性 评价为基础，开展浆液选型及流 变特征和扩散规律研究，揭示长距离定向钻孔区域高压注浆浆液流 变性演化 规律及浆水岩作用机理，建立科学工艺技术 标 准、钻孔布置设计方法、注浆 结 束标 准和效 果评价指标体系，为煤层底板奥灰 水害区域防治地面定向孔注浆提供理论支撑，保障华北型煤田深部开采安全生产。建井技术年 第卷结语（）华北型煤田水文地质条 件复杂，随 着深部资源大规模开发，煤层底板奥灰突水概率增 加，奥灰 水害成为华北型煤田深部开采的严重安全威胁，注浆技术因其独特优 势，在底板水害 防治方面得到广泛应用并持续发展。（）装备进步推动注浆技术发展，底板奥灰 水害 防治从工作面注浆发展为井下定向孔注浆，最新的地面定向孔注浆开创了华北型煤田深部开采底板水害探查治理新 途 径。（）在 浆液选型、钻孔布置与轨迹控制、注浆方法与条 件选择、注浆 结 束 标 准和效 果评价等 方面意见不一，没有统一的标 准，已成为地面定向孔注浆防治煤层底板奥灰 水害应用 和发展的瓶 颈。（）应从注浆基础理论出发，以可注性 评价研究为基础，以浆液选型、流 变特征和扩散规律研究为核心，建立科学工艺技术 标 准、设计原则 和效 果评价方法体系，为华北型煤田深部开采底板奥灰水害 防治提供理论支撑。参考文献：凌文推 动 煤 炭 绿 色 发展实现能 源强国梦 想中 国煤炭 报，（）武强，董东林，钱増江，等试 论 华 北型煤田立体 充 水地质结 构理论水文地质工程地质，（）：武强，金玉洁，李 德 安华 北型煤田矿 床 水文地质 类型划分及其 在突水 灾害中的意 义中 国地质 灾害 与 防治 学报卯（）：周兴旺注 浆施工手册北 京：煤 炭工业出版 社，：赵庆 彪华 北型煤田深 部 煤 层 开 采区域防治 水理论与成 套技 术北 京：科 学出版 社，于树 春煤 层 底 板 含 水 层 大面积 注 浆 改 造 技 术北 京：煤 炭工业出版 社，赵庆 彪，赵兵文，付永刚，等大 采 深 矿井地面区域 治理奥 灰水害关键 技 术 研 究煤 炭 科 学 技 术，（）：白玉杰煤 矿 水害原因分 析及防治 技 术煤 炭 技 术，（）：赵庆 彪奥 灰 岩 溶 水害区域超前 治理技 术 研 究及 应 用煤 炭 学 报，（）：张勇，高岗荣，高晓耕裂隙岩 体 注 浆 扩 散理论 研 究 进展建井技 术，（）：李 长 青，方俊，李 泉新，等煤 层 底 板超前 注 浆 加固定向孔 注 浆工艺 技 术煤田地质与勘探，（）：许 延 春，陈新明，姚 依 林高 水压突水 危险工作面防治 水关键 技 术 影响研 究煤 炭 科 学 技 术，（）：如王从 平千 米立井地面预 注 浆 堵 水及马头门加固技 术建井技 术，（）：李 泉新，石智军，方俊煤 层 底 板超前 注 浆 加固定向钻 进技 术与装 备金属矿山，（）：王广强，杨恒，肖罗坤，等辛 安 矿 复 杂 构 造 下涌突水 注浆 治理技 术应 用研 究煤 炭工程，（）：丄侯世占桑 树 坪 煤 矿煤 层 底 板 水文地质探查方 案现代 矿业，（）：袁辉，邓昀，蒲 朝阳，等深井巷 道围岩型钻 孔地面预 注 浆 加固技 术煤 炭 科 学 技 术，（）：田乐型孔地面预 注 浆工程 钻井液 降耗措施研 究煤 炭工程，（）：田乐水 平 巷 道地面预 注 浆工程 钻井液设 计煤 炭 技术，（）：丄丄 袁辉，邓昀，蒲 朝阳，等型 地面钻 孔 注 浆 技 术 在 矿井水害 防治中的应 用煤 炭 科 学 技 术，（）：丄丄吴志敏，王永 龙 工作面出水 原因分 析及综 合防治山东煤 炭 科 技，（）：赵鹏飞，赵章地面水 平 分 支 孔 注 浆超前 治理奥 灰 底 板突水 技 术煤 炭 科 学 技 术，（）：李 春 彩定向长距离 水 平井技 术 在 九 龙 矿的应 用煤 炭与化工，（）：宋建国，井旋，郭 冬兰螺 杆 定向钻井技 术 在 煤 矿 注 浆 堵水工程中的应 用山东煤 炭 科 技，（）：魏 大勇跨向斜 构 造区域工作面底 板 薄 层 灰 岩 含 水 层地面注 浆 改 造 实 践煤 炭工程，（）：郭涌煤 矿井下 水 平 定向钻 进 钻具组合的选 择与优 化煤 炭工程，（）：郭元欣，邓书军，郭国鹏底 板巨厚 灰 岩 含 水 层上段 注 浆 改造 技 术煤 炭 技 术，（）：孙晓宇，安 许良基于型钻 孔巨厚冲积 层 薄基岩 煤 层 底板 加固技 术煤 炭 科 学 技 术，（）：董昌乐，牟 培英，李 泉新，等煤 层 底 板 注 浆 加固钻 孔施工技 术及发展趋 势煤 炭 科 学 技 术，（）：丄董书 宁，刘其声华 北型煤田中奥陶 系灰 岩 顶 部 相对隔水段 研 究煤 炭 学 报，（）：靳 德 武我国煤 矿 水害 防治 技 术新进展 及其 方 法 论思考煤 炭 科 学 技 术，（）：