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双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道邵红旗,王 维(中国煤炭科工集团西安研究院 工程地质研究所,陕西 西安 710077)摘 要:以 2010 年 3 月发生于内蒙古乌海骆驼山煤矿特大突水淹井水害治理工程为实例,介绍了一种从地面打 400 m 定向钻孔、适用于静水条件、孔底混合方式的水泥-水玻璃双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术。利用双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术先快速建造阻水墙骨架,再联合运用传统综合注浆法对阻水墙骨架进行注浆加固形成阻水墙实体,经受住了试排水阶段的初期注浆效果检验和最后抢险救援阶段最终抽排水的注浆阻水墙实体强度考验,达到了快速注浆堵水抢险救援的目的,经过事实证明该技术是直接、快速有效的突水水害治理技术,能够为其它突水水害抢险救援方案的实施提供借鉴和指导作用。关键词:水泥-水玻璃双液注浆;过水巷道;阻水墙;引流注浆中图分类号:TD743 文献标志码:B 文章编号:1003-496X(2011)11-0040-04基金项目:中国煤炭科工集团西安研究院青年创新基金资助项目(2011XAYQN013)0 引 言煤矿发生突水灾害后,在突水构造及其精确位置不明确的情况下,传统治理方案是利用独头过水巷道的有利条件,通过从地面打定向钻孔灌注骨料和注浆施工建造阻水墙为最直接、最快速有效的治理方案 1。我国注浆工程界前辈沈昌炽先生曾对注浆堵水原理作出经典性地定义 2:注浆堵水的基本原理是通过各种专用的压注设备,将根据不同堵水条件按特定配方制备的不同特性的堵水浆液注入岩体及岩层空隙之中,占据原来被水占有的孔隙或通道,在一定的压力、一定的时间作用下脱水、固结或凝胶,使浆体的结石体或凝胶体与围岩体形成阻水整体,从而改变原来不利于采矿的水文地质条件。文献 1 介绍的传统综合注浆法建造阻水墙技术就是利用该原理而提出来的。现介绍了一种作者亲自参与并成功实施的双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术,该技术是在文献 1 介绍的传统综合注浆法建造阻水墙技术的基础上创新性的改进、提出并成功实施的新技术。分析了前期运用综合注浆法建造阻水墙第一步往钻孔中投粗骨料(米石和砂)时而骨料被喷出,甚至往钻孔中注水都被喷出的喷孔现象是由于空气柱塞效应所致;利用双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术先快速建造阻水墙骨架,再联合运用传统综合注浆法对阻水墙骨架进行注浆加固形成阻水墙实体,经受住了试排水阶段的初期注浆效果检验和最后抢险救援阶段最终抽排水的注浆实体阻水墙强度考验,达到了快速注浆堵水抢险救援的目的,经过事实证明该技术是直接、快速有效的突水水害治理方案,能够为其它突水水害抢险救援方案的实施提供借鉴和指导作用。1 充水水源 充水强度及充水途径分析与工程概况1.1 突水概况2010 年3 月 1 日 7:29,乌海骆驼山煤矿 16#煤+870 m 水平回风大巷掘进工作面发生了我国历史上罕见的岩溶陷落柱特大突水淹井灾害,从 7:29 突水,至8:40,突水量 76 000 m3,即此时段涌水量为65 000 m3/h。至 11:40,出水量共计 96 000 m3,即8:40-11:40 平均涌水量为 6 700 m3/h。由于突水量远远大于矿井排水能力,导致整个矿井被淹 3。1.2 充水强度及充水水源分析文献 4 指出,每当提及矿山水害问题时,必须涉及 3 个方面问题:充水水源是否存在,如果存在,有何特征?充水途径是否存在,如果存在,属何种类型?充水强度如何,矿井一旦充水会带来怎样的后果?故在注浆堵水之前先计算分析判断充水水源特征、充水途径类型及充水强度大小。矿井充水强度一般常用含水系数或矿井涌水量#40#(第42 卷第 11 期)技术#创新来表示 5,根据突水概况中所述矿井涌水量(指单位时间内流入矿井的水量可知,该次矿井水害充水强度很大,峰值突水量达到 6 104m3/h。现对突水水源作出分析判断:(1)根据突水后矿井排水水质化验结果与该区奥灰水水质分析结果比较,水化学类型一致,均为SO4#HCO3-Ca#Mg;奥灰水总硬度相近,以往分析结果介于 138.1 304.2 mg/L 之间,该次井下排水 558.0 722.6 mg/L;同样总碱度、总酸度数据亦有相似结果。(2)根据突水后矿井淹没以及排水水位水量动态观测记录可知:突水流量大、水压高,峰值突水量达到 6 104m3/h,水位基本稳定时水压值达到2.12 MPa;突水淹没水位在 1 090 m 水平时,水位较长时间缓慢上升,说明含水层大量出水后区域地下水向降落漏斗运移寻求均衡的缓慢过程,这是老空水所不具备的特点;矿井停止排水后,水位迅速恢复,说明突水水源具备一定补给能力且处于承压状态;矿井开始排水以及排水能力增大初期,水位下降较快,水位下降后,由于水压压差增大,水位下降幅度逐渐降低,充分说明水源的承压特性和源源不断的补给特性。(3)根据矿井排水水温观测,矿井排水口水温为 20.5 e,与矿井勘探以及建设期间奥灰水水温大致相当。1.3 充水途径分析(1)正常情况下掘进巷道奥灰突水危险性理论分析:根据 L01 孔和923 孔资料 6可知,突水点附近16#煤底板到奥灰顶面的厚度为 34.56 m。突水点附近奥灰水压作用下底板隔水层安全厚度分析计算如下,根据 煤矿防治水规定,掘进巷道底板隔水层厚度为:t=LQ2L2+8KpH Q L4Kp(1)式中,t 为安全隔水厚度,m;L 为为巷道底板宽度,m,为 5.2 m;Q为底板隔水层的平均密度,t/m3,取 2.6 t/m3;Kp为底板隔水层的平均抗张强度,MPa,取0.1 MPa;H为底板隔水层承受的水头压力,MPa,取4.12 MPa。经计算巷道围岩破坏带为 2.4 m,即巷道底板破坏深度为 2.4 m。数值模拟计算确定底板破坏带深度:依据该区实际,应用 FLAC3D软件对巷道应力应变场进行了模拟,所建立模型如图1 所示。图 1 模型网格剖分图 数值模拟结果显示,巷道底板破坏深度为 2.6 2.8 m。代入式(1)计算,得到底板隔水层安全厚度为21.9 m,取掘进过程中底板破坏深度为 2.8 m,那么,只要巷道底板隔水层厚度 24.7m,即可保证底板安全。突水点附近底板隔水层厚度一定时奥灰安全水头分析计算:同样,根据 煤矿防治水规定,掘进巷道安全水头计算:H=2Kpt2L2+Q t(2)式中,H 为底板隔水层能够承受的安全水压,MPa;t 为隔水层厚度,m;L 为巷道宽度,m;Q 为底板隔水层的平均密度,t/m3;Kp为底板隔水层的平均抗张强度,MPa。掘进巷道安全水头计算结果为 9.73 MPa,实际奥灰水压为 4.12 MPa,远小于安全水头,不会发生突水。(2)正常块段奥灰突水通道分析:大面积底臌;淹没水位上升迅速,水量大,判断通道通畅,过水面积大。通过上述分析判断该次骆驼山煤矿突水淹井水害突水水源为奥灰水。根据通道类型和地下水流进矿井的水力特征及危害性,一般将通道分为渗入性通道和溃入性通道 2 类 7:渗入性通道指的是细小的和分散性质的孔隙,各种水源通过它能正常/均匀0地进入采矿场,其量的大小,显然与岩石的渗透性有关;能导致矿床(区)及附近水源,突然大量地涌入矿坑,成为溃入性通道,这类通道主要是构造断裂和岩溶通道。故综合各方面计算分析判断该次突水途径为溃入性隐伏岩溶陷落柱导水通道;二期陷落柱探查治理结果证明突水水源及突水途径判断正确。1.4 工程概况#41#技术#创新 (2011-11)工程布置概况是:沿16#煤+870 m 回风巷道中心,从距突水点210 m 处向北布置 8 个透巷钻孔,9#与 13#间距27 m,13#与12#间距20 m,这 3 个孔为一序孔,二序孔 J1、J2在3 个一序孔中间加密,J3、J4位于 12#孔的北边并与之相距10 m 和20 m,三序孔 J5孔在 J1和13#孔中间再加密。2 突水治理方案从快速复矿与根治水患的角度出发,该次突水灾害治理工程有 3 套可行方案。方案:+870 m过水巷道封堵方案;方案:水源封堵方案;方案:过水巷道与水源封堵方案。经现场专家论证、方案比较后,决定采用第3 套方案,即过水巷道和水源封堵方案(见表 1)。表1 治理方案对比表内容过水巷道封堵水源封堵过水巷道与水源封堵目的封堵巷道 快速复矿。封堵 水 源 根 治 水患。快速复矿,根治水患。工程部位16#煤 回 风 大巷。16#煤底板突水通道与突水区奥灰含水层内100 m。先实施过 水巷道封堵,后进行水层封堵。优点大巷位置资料准确;时间短、投资少;可早日复矿1 个 工 程,根 治 水患。即可早日 复矿又能根治水患。缺点奥灰水威胁矿井的安全隐患未消除。突水通道不清,需要首先布置探查工程;钻孔深、注 浆段厚、工程量大;复矿晚2 处施工,投资大。过水巷道与水源封堵方案的核心就是先实施16#煤回风大巷封堵工程,通过注入骨料、水泥浆液等注浆材料,在回风大巷中建造一定长度和强度的阻水墙,切断进入矿井的过水通道,为早日复矿创造有利条件;同时,采用地面瞬变电磁(TEM 法)探查突水通道,地面布置探查孔进行验证后,注浆封堵突水通道与突水水源层,彻底根除水患。3 双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术原设计方案利用大泵量水流携带粗骨料从地面钻孔灌入突水巷道内,使管道流变成渗透流,减小过流断面,增大水流的沿程阻力,再通过各种注浆阶段实施渗透充填注浆构建阻水墙。但是由于是静水条件,静止水位距离地面约200 m,地面与静止水位之间存在 200 m 长的空气柱;在投粗骨料过程中,由于骨料及大泵量水流不停的灌入,水流携带骨料进入钻孔的同时,也携带了大量的空气进入钻孔。使得进入钻孔中的空气逐渐被压缩而来不及排出,不停的使钻孔中的空气积蓄能量而不能释放。在停注骨料后,被压缩的空气所积蓄的能量开始释放,孔口出现喷水及喷骨料等喷孔现象,形成空气柱塞效应;另外,由于压力的释放不是一个连续的过程,所以出现孔口会频繁喷水多次,规律是开始释放压力大,喷水高度高,后续释放压力越来越小,喷水高度降低,直至压力释放完毕。故调整方案,对距离迎水方向最近的 9#孔和较远的 12#孔实施并实施水泥-水玻璃双液注浆技术,采用 2 套制浆设备及 2 趟注浆管路(25 mm 2.5 m),将 2 趟 25 mm 注浆管通过吊机从地面下到深 400 m 的钻孔底部(即 16#煤回风大巷顶部),因管路太长,管路自重、管内浆液重量及浆液与管壁向下的摩擦力给注浆管的焊接质量带来了极大的挑战和下注浆管的难度,为了克服上述困难,为抢险救援赢得宝贵时间,采取以下下管工艺:每隔一定距离将两根注浆管焊接在一起,保证2 趟管路的整体性,在每趟管路的管端接口处,焊接 2 段内径为 25 mm长2 m 的管箍,配合自制垫叉,以防吊机吊起2 趟管路下管过程中发生脱勾等意外情况,在孔底安装长3 m 的自制双液浆混合器,实现两种液浆在孔底混合,最大程度地使双液浆在巷道底板上快速凝胶,有效避免了浆液过快凝固、发生堵孔事故。双液注浆工艺流程如图 2 所示。图 2 双液注浆工艺流程图 在静水条件下,水泥-水玻璃浆液快速凝胶,不停地在过水巷道底板上堆积,直至浆液固结体接顶升压达到注浆结束标准。水泥-水玻璃浆液化学反应凝胶机理是:普通硅酸盐水泥中占主要矿物成分#42#(第42 卷第 11 期)技术#创新达 50%的硅酸三钙与水作用,发生强烈水解,生成大量氢氧化钙与水化硅酸钙。当加入水玻璃后,水玻璃马上与新生成的氢氧化钙反应,生成具有一定强度的凝胶体)水化硅酸钙。由于氢氧化钙是逐渐生成的,氢氧化钙与水玻璃之间的反应则由于氢氧化钙的注浆生成而连续进行着。水玻璃与氢氧化钙之间的反应是较快的,随着反应的进行,胶质体越来越多,强度也越来越高。所以水泥-水玻璃浆液的强度,在初期主要是水玻璃与氢氧化钙的反应起主要作用,而后期强度则是水泥本身的水化反应起主要作用。因此,水泥-水玻璃浆液的初期强度高,正是这种反应凝胶机理。基于这种机理,可在 9#孔和 12#孔位置形成 2个浆液固结体,能够保证从 J2孔、J3孔、J5孔集 J1孔实施充填注浆时,浆液不致流动太远,避免造成浆液浪费,加固构建阻水墙为抢险救援赢得宝贵时间。双液注浆达到终孔标准之后对各孔实施如文献 1所述的常规注浆工艺,历经充填注浆阶段、升压注浆阶段、高压加固注浆阶段、引流注浆阶段成功建造了阻水墙。4 阻水墙封堵效果为了检验阻水墙封堵效果,于2010 年 4 月 5 日10:00 启动试验排水,试验总降深为 80 m,开启风井2 台潜水泵,额定流量2 000 m3/h,分 3 次进行试排水。第 1 次降至+1 060 m 水平(降深约 30 m),停泵后进行4 h 恢复水位观测,测算+1 060 m 水平矿井涌水量;第 2 次降至+1 035 m 水平(降深约 55m),停泵后进行 4 h 恢复水位观测,测算+1 035 m水平矿井涌水量;第3 次降至+1 010 m(降深约 80m),停泵后进行 4 h 恢复水位观测,测算+1 010 m水平矿井涌水量。3 次降深完成后,依据恢复曲线分析降深与水量之间的关系,编制不同水平矿井预测涌水量表研究是否进行下一步排水。如试验排水过程中,水量异常变大、奥灰水位异常降低,说明通道冲大,终止试验。最终形成了 3 次降深分别为28 m、51 m、61 m,对应的阻水墙透水量分别为 6 m3/h,44 m3/h,52m3/h,从试排水试验得到的水位恢复曲线分析降深与水量之间的关系分析可知,阻水墙具有明显的阻水效果及强度稳定性。但是由于救援最终需要将水位标高降至+865m,水位降深要达到 220 m,为了防止阻水墙过水量随着阻水墙两侧压力差的增大而增大,防止出现阻水墙内部过水通道的变化,进行了引流注浆、加固注浆,顺利完成救援任务。在井下用浮标法现场进行了阻水墙过水量测量,过水量为 58 m3/h,同样也说明阻水墙的封堵效果优良。5 结 语计算分析判断出充水水源、充水强度及充水途径,并在传统综合注浆法建造阻水墙技术的基础上,提出了一种 C-S 双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术,介绍了该种技术的施工工艺、原理、适用条件,并与传统综合注浆法作对比分析,解释静水条件下喷孔现象是有空气柱塞效应所导致。经受住了试排水阶段的初期注浆效果检验和最后抢险救援阶段最终抽排水的注浆阻水墙实体强度考验,达到了快速注浆堵水抢险救援的目的,经过事实证明该技术是直接、快速有效的突水水害治理技术,能够为其它突水水害抢险救援方案的实施提供借鉴和指导作用。参考文献:1 南生辉.综合注浆法建造阻水墙技术 J.煤炭工程,2010(6):29-31.2 中国煤矿防治水技术经验汇编编委会.中国煤矿防治水技术经验汇编 M.北京:煤炭工业出版社,2005.3 煤炭科学研究总院西安研究院.乌海能源集团公司骆驼山矿 16 煤回风大巷突水灾害治理工程竣工报告 R.西安:煤炭科学研究总院西安研究院,2005.4 虎维岳.矿山水害防治理论与方法 M.北京:煤炭工业出版社,2005.5 王国际,黄小广,高新春.矿井水灾防治 M.徐州:中国矿业大学出版社,2008.6 内蒙古自治区地质局 117 勘探队.神华集团海勃湾矿业有限公司骆驼山矿井矿床开采技术条件补充勘探报告 R.鄂尔多斯:内蒙古自治区煤田地质局 117 勘探队,2006.7 杨成田.专门水文地质学 M.北京:地质出版社,1981.作者简介:邵红旗(1982-),男,河南项城人,工学硕士,工程师,2009 年毕业于西安科技大学,主要从事井巷特殊支护与防治水工程施工技术工作,发表论文多篇。(收稿日期:2011-04-06;责任编辑:王福厚)#43#技术#创新 (2011-11)