帷幕注浆技术在丰纪果园煤矿堵水工程中的应用.pdf

2 0 1 0年第 1 1期 煤炭 工程 帷幕注 浆技术在丰纪果 园煤矿堵水 工程 中的应 用 江 中乐 ，孙 冰 ( 1 江西省煤田地质勘察研究院，江西 南 昌3 3 0 0 0 1 ；2 南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳4 2 1 0 0 1 ) 摘要 ：为了根治丰纪果园煤矿矿井水患威胁 ，解放 该矿 东部及 东南部上部被 淹的原绿洲、 大山及周顺矿 井的煤炭储量。在分析矿区东南部周边矿 井突水原因的基础上 ，决定采用帷幕注浆 堵水技术治理其水患。在施工过程 中采用加 固帷幕墙、加密补充钻孔、上行式注浆方式、分层分 段注浆等措施 。注浆后通过取芯、检查孔 、排水实验等检验手段 ，证实该方法对该矿 突水治理取 得 了良好 的效果 。 关键词 ：煤矿 ；帷幕注浆技术；突水治理 中图分类号 ：T D 7 4 1 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 0 ) 1 1 _ ( ) 0 2 5 _ ( ) 4 注浆堵水技术是将水泥浆或化学浆，以泵压力为动力 源，用注浆设备通过管道将其压人井下岩层空隙、裂隙或巷 道中 ，使其扩散 、凝 同和硬化 ，从 而岩层具 有较 高 的强 度 、 密实性和不透水性 ，达到封堵截断补给水源 和加 固地层 的作 用 。该技术是当今我 国矿 山、水利 、土木 、铁道 、交通 等工 程领域防治地下水的最有效的方法之一_ l J 。目前，帷幕注 浆堵水技术已经在我国多个矿山建设中推广应用，并取得 了 良好 的效果 。注浆 帷幕堵水在矿 山推广应用 ，消 除了地 下 涌水对这 些矿 山开采 构成 的威 胁 ，解放 了大 量 的矿石 资 源 ，解决了许 多矿 山的生 存 问题 。矿 山注浆 堵水 帷幕 形 成 后 ，堵水帷幕成为矿 山安全生产的重要保障 ，是矿 山开采 过 程 中的一道人造安全屏障 ，是矿山 的生命线 。本文详细 的介 绍了帷幕注浆技术在丰纪果园煤矿堵水工程中的应用 ，为我 国矿山开采水害治理提供了典型的工程实例。 1 工 程背 景 丰纪果 园煤 矿矿井 位于 丰城 市洛 市矿 区东北 部 的山西 井 田中东部第 3 4 3 5勘 探线间 ，矿井 东部与 原大 山煤 矿相 邻 ，北和西北面为河东煤矿，西南与喻家煤矿相邻 ，东南 以F ， ， 断层为界，与原石滩煤矿相隔。矿界范围包括原绿洲 井、大山井、周顺井开采范围，主要为 F 。 ， F 断层之间的 煤层 。为 了根治 所属 矿井水 患威 胁 ，解 放丰 纪果 园煤 矿东 部及东南部上部 被淹 的原绿 洲 、大山及 周顺 矿井 的煤 炭储 量，以便扩大煤矿范围，进行矿井的改扩建。丰纪果园煤 矿东南部 的周顺 井 、大 山井 、绿 州井 等多个 小井 ，因龙 溪 大井停采停止排水后，水位逐渐上升，溢入被淹。为了消 除丰纪果园煤矿矿井顶部水体的威胁 ，解放被淹矿井威胁 的煤炭资源 ，达到扩界增加储量 的目的。丰纪果园煤矿委 托江西省煤炭学会对 该矿 东南 部原 周顺 井被 淹井 巷和采 空 区进行了帷幕注浆堵水方案 的可行性技术论证，论证报告 得出采用帷幕注浆堵水技术方案是可行的。于是矿方决定 对其东南部原周顺井进行帷幕注浆堵水方案，切断外部进 水通道，达到根治矿井水患威胁的目的。 2矿井 地质 概况 2 1 地质 概 况 矿区含煤地层为 三迭 系上 统安 源组煤 系地 层基底 为前 震旦系板溪群，以紫红色、浅灰绿色绢云母干枚岩为主， 中夹板岩及变质砂岩。普遍具火成岩穿插，厚度达 1 0 0 0 m 以上。煤系上覆地层为残积、冲积层 ，由砂、砾石、砂土、 亚粘土及腐植土组成，厚度 01 7 m，一般厚度为 7 m。根 据本次施工钻孑 L 揭露，施工场地 内分布的地层由上至下为 第四系，三叠系上统安源组和基底前震旦系板溪群，地层 岩性结 构 自上至下描述见表 1 。 2 2 水文 地质 矿区为低山丘陵地带，山间小块盆地分布其间，矿区 中央地势较高，地表水系由南 向北排泄畅通 ，矿区南部有 一 条季节性渠道，水流方向自南东向北西供农 田灌溉之用， 无其它大的地表水体。矿井充水因素为 ：第四系砂砾石 含水层 ：厚度约7 m，含较丰富的孔隙潜水 ；风化带裂隙 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 61 2 作者简介：江中乐( 1 9 6 2一) ，男，江西余干人，高级工程师 ，现任江西省煤田地质勘察研究院院长助理，长期从事煤 田水文地质勘探和矿山地质环境恢复与治理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 0年第 1 1 期 水：风化裂隙发育深度约 3 0 m，是浅部矿坑充水的经常性 水源；老窑采空 区积水 ：据调查资料，老窑水是矿井充 水的主要水源，因煤层埋藏较浅，以往开采的老窑积水较 多且与上部的风化裂隙含水层有水力联系，故老窑水是造 成矿井突然涌水或通过采空区上方顶板塌陷持续涌水 的主 要水源，拟扩界范围内主要受已停采的龙溪煤矿积水的威 胁；断层破碎带：断层破碎带是勾通坑道与风化带及老 窑水的可能通道 ，尤其是采空区顶板塌陷会加剧其导水性； 人为因素：因施工钻孔封闭质量低劣或未予封闭，也是 矿井充水不可忽视 的通道 。 表 1 场地地层顶埋深及层底标高统计表 说 明 ：统计厚度时主层厚度 中不含亚层厚度。 综上所述 ，该矿水文地质类型为中等复杂程度的裂隙 充水矿床 。 2 3 矿 山突水 因素 矿井 主要水 患类型 为老 窿及采 空区积 水 ， 目前 ，丰纪 果园煤矿东南部周边矿井被淹，根据江西省煤炭学会论证 报告分析，主要因素是由于龙溪大井停采停止排水后，水 位逐渐上升，形成一个大水体，其水源又通过其北边与其 连通的多个小井，最终沟通周顺而被淹，其主要淹水通道 有两条：龙溪大井积水上升向北通过石滩井，向东至坑 下井 和振 丰四井 ，再从 坑下井 至老戴 井 ，再通过 老戴井 通 周顺 井 煤 层 采 空 区 冒 裂 带 ，再 向 西 至 周 顺 井 一 3 0 m、 一 8 0 m、一1 5 0 m下山采区，再 向北鼓穿大山井较大面积采 空区，又向西通绿洲井较大面积采空区。龙溪大井水流 向北至荣圹一 矿 ，通过 向北石 门至振 丰一井 ，再 向西 至振 丰二井 。再 向北 至振 丰六井 ，再 至振 丰三井 ，最 后通过 向 西断层裂 隙通过周顺风井 。 该矿突水特点 主要为老 窿与 采空 区积水 ，造成 其他 坑 道 涌水 。 3 帷幕注浆堵水方案 本次帷幕注浆堵水方案是以地下帷幕墙的结构形式 ， 采用封底式方法，即将帷幕墙通过地面钻孔，灌注水泥浆 ， 座落在地下过水通道及两侧最低积水开采煤 层的底板 以下。 在具体施工时，将地下帷幕墙长度延长，即东面沿 F 断层 布置钻孔，西面沿 F 断层布置钻孔，南面沿 F ， 断层布置 钻孔，使原计划施工的地下帷幕墙长度延长，连接成整体 ， 呈 “ J ”字型摆布 ，使其封堵的区域增大。分层钻穿地下过 水通道及两侧最低积水开采煤层 的底板，每个钻孔分层下 入注浆管，封闭钻孑 L 口，用高压泵灌注水泥浆，构建地下 堵水帷幕墙。 3 1 钻 孔布 置 设计帷幕墙 钻孔 3 3个 ( 即 Z K 1Z K 3 3 ) ，检测孔 1个 2 6 ( 即检 1 孔) 。补充钻孔 1 个( 原 Z K 2 5孔重钻) ，弃用钻孔 4 个( 即原 Z K1 一Z K 4孔) ，加固、加密补充钻孔4 2个( 即 J 3 J 4 4孔 ) 累计完成钻孔 8 1个 。钻孑 L 平面 布置如 图 1所示 。 整条帷幕墙钻孔 密度均小 于 1 5 m，钻孑 L 深度 均超过 最下 层 老窿底板 51 0 m。 3 2钻孔施 工与注浆顺序 首先在老戴井西侧边由西往东布置钻孔 6个( 即 Z K 5 Z K 1 0 ) ，钻孔间距 1 5 m，在上述6孔第一层注浆的同时，钻 孔 Z K 1一 Z K 4 。因 Z K1 Z K 4孔未钻 到老窿 ，故在原孔位 置 全部往北平移7 m重新安排钻机施工( 孔号不变) ，因 Z K 9， Z K 1 0孔未见老窿不漏水 ，布 置 Z K 1 1 一Z K 1 3钻 孑 L 。接着 对 Z K 5Z K 8孔第二层老窿注浆 ，结束后安排钻机施工第 三层 老窿，同时施工 Z K 1 1Z K 1 3钻孔。为防止石滩井采空区 延伸至该矿 拟 扩界 范 围 内，故 在 Z K 1孔 往 西 方 向按 孑 L 距 2 0 m布置 Z K1 4Z K 1 7钻孔，再在 Z K 1 7孔往北方向按孔距 2 0 m布置 Z K1 8一Z K 2 0钻孔。考虑到帷幕连续墙注浆效果 和连续性 ，Z K 5一 Z K 8孑 L 第三层成孑 L 后 ，暂未注浆 ，待 以上 所布钻孑 L 成孔 后统 一注浆 。Z K 5一 Z K 8第三层及 以上所布钻 孔成孔后 ，在 Z K 1 3孔往 北东方 向按孔距 2 0 m布置 Z K 2 7 Z K 2 1 ，Z K 2 8一 Z K 3 2钻孔，在 Z K1 3孔往西方 向 1 5 m布置 Z K 3 3 孔 ，安排钻机施工 ，同时 自Z K 2 0孔开始注浆。注浆 I顷 序 为 Z K 2 0 、Z K 1 8一Z K 1 4 、Z K 1一Z K 8 、Z K 1 1Z K1 3 、 ZK2 7 ZK21、ZK2 8ZK33。 在以上钻 孑 L 注浆 的 同时 ，安排 钻机 施 工第 二 层钻 孔 ， 施工顺 序为 Z K 2 0 、Z K1 9 、Z K 1 6 、Z K1 4 、Z K 4Z K 1 。同时 ， 将 Z K 2 、Z K 3 、Z K 4 、Z K 1 4孑 L 四个孔延深钻孔。并在 Z K 5一 Z K 6孔中间往北平移 7 m，布置了一个检查孔。 3 3 帷幕墙加 固钻孔施工设计 在第一期工程施工结束后的基础上，为确保工程质量 和以后矿井开采安全，决定对已施工好的地下帷幕墙进行 加固，拟增加帷幕墙厚度，并消除可能出现的少量注浆死 角，达到工程质量最佳效果。帷幕墙加 固钻孔采用两步骤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 l l 期 煤炭工程 施工，第一次加固钻孔编号为：J 1 J 2 6 ，第二次加 同钻孑 L 编号为 ：J 2 7J 4 2，具体施工位置如图 1所示。 图 1 钻孔施工布置 图 3 4帷幕 墙施 工技 术 1 )钻孔参数。按规定测量定孔位，如图 1所示。钻孔 直径为：开孔直经 1 3 0 mm，终孔直经 中9 1 m m。孔 深 超细水 泥浆液 低粘度化学浆液。因此在工程施工过程中，需要 根据注浆压力和注浆量的变化情况选择合适注浆材料，注 浆材料选择合理与否是预注浆工程成功的关键。 3 )针对井筒工作面预注浆，从注浆工艺分析 ，使用孔 ( 上接 第 2 7页) 口管进行注浆效果优于注浆管注浆 ，孔 口管可 以实现复注 套注、遇水就注的注浆方式 ，大大提高注浆效率及效果， 缩短工期。采用涌水量大于 5 m h就分层注浆的标准 ，解 决了浆液在微裂隙中扩散困难的技术难题。 4 )注浆压力是注浆材料 、岩体条件、注浆机具、注浆 工艺等方面综合反应，因此可以通过注浆压力反映岩体可 灌注性 ，然后根据岩体条件选择合理注浆材料和注浆机具、 或者通过改进注浆工艺使其注浆压力在一定范围内变化， 最终达到在较小的压力下将浆液注进的目的。 参考 文献 ： 1 姜振泉 ，吴圣林赵庄矿斜井微裂隙围岩 防渗化学预灌浆治 理 J 煤 炭科学 技术 ，2 0 0 5 ，( 2 ) ：2 6 2 8 2 隋旺华 ，李永涛 ，李冠 田，王 国庆煤矿立井微孔隙岩体注 浆防渗及机 理 分 析 J 岩 土 工程 学 报 ，2 0 0 0 ，2 2( 2 )： 21 4 21 8 3 王档 良，童培 国，武善元化学灌浆治理 巨厚表土层立井井 壁漏水 J 】 水文地 质与工程地 质 ，2 0 0 7 ，( 5 ) ：2 02 3 4 隋旺华 ，蔡 光桃 ，董青红近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂 突涌临界水力坡度实验 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ， ( 1 O ) ：2 0 8 4 2 0 9 1 5 王档良，隋旺华，黄小明岩体中灌浆压力变化规律研究 J 金属 矿山 ，2 0 0 8 ，( 1 ) ：5 3 5 6 6 王档 良，姜振泉在建矿井井壁渗漏水的地质成 因分析与化 学注浆治理 J 建井技术 ，2 0 0 8 ，( 5 ) ：l 8 2 1 7 李冬林 ，姜振泉深井高倾角微裂隙围岩 防渗化学灌浆治理 J 煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 5 ，3 3 ( 4 )：2 52 8 8 王档 良， 鞠远江杨庄煤矿副井破裂井壁多次治理效果对比 分析 J 煤 炭科学 技术 ，2 0 0 9 ，( 1 ) ：6 56 8 ( 责任编辑张 宝优 ) 表 2 第三次排水 实验 排水 井与观察井水位变化情 况 参考 文献 ： 1 孟庆彬，乔卫国，林登阁，等地面注浆堵水技术及应用研 究 J 煤矿支护 ，2 0 0 9，( 3 ) ：17 2 张 民庆 ，黄鸿 健 齐 岳 山隧道 高 压 裂 隙水 注 浆 堵水 技 术 J 铁道工程学报 ，2 0 1 0，( 1 ) ：6 8 7 2，1 0 3 3 张省军 ，唐春安 ，王在泉 矿 山注浆堵水 帷幕稳 定性监测方 法的研 究 与 进 展 J 金 属 矿 山 ，2 0 0 8 ，( 9 )：8 48 6 ， 1 6 2 4 张明亮 ，张备刘河 煤矿 主井筒 长钻孔 注浆堵 水技术的应用 J 煤炭 工程 ，2 0 0 9 ，( 8 ) ：5 35 5 5 王志骅，汤友谊立井井筒工作面预注浆堵水技术的研究与 应用 J 煤炭技术， 2 0 0 9 ，2 8 ( 3 ) ：1 1 6 1 1 8 6 李方文 ，赵久 良杨 村煤 矿立井 地面 预注浆 工程设 计优 化 J 煤炭科学技术 ，2 0 0 9 ，3 7( 8 ) ：57 ，l 2 7 杨绿 刚葛泉矿 东井煤 层底板 突水 注浆治 理技 术 J 煤 炭科 学技术 ，2 0 0 9 ，3 7 ( 6 ) ：1 1 0l l 2 8 李海燕 ，李术才 ，成云海 ，等立井工作面高压大水注浆堵 水施工实践 J 建井技术，2 0 0 8 ，1 9 ( 1 ) ： 9 1 2 ( 责任编辑张 宝优 ) 3】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m