煤矿注浆堵水技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,煤矿注浆堵水技术,二,O,一,O,年五月,煤炭科学研究总院西安研究院,1,主要内容,1,概述,1.1,基本概念,1.2,注浆分类,1.3,注浆材料,2,注浆在煤矿中的应用,3,注浆堵水方案,4,注浆工程设计,5,东庞矿“,4.12,”突水灾害治理,5.1,过水巷道封堵技术,5.2,陷落柱封堵技术,2,1.1,、注浆的基本概念,注浆也称灌浆，就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照规定的配比或浓度，借用注浆设备或浆液自重对之施加压力，通过钻孔输送到受注层段中的一种施工技术。其,实质是使浆液在受注层中渗透、扩散、充填,，,经过一定时间后凝固和硬化，从而达到加固受注层和抗渗防水的目的,。,1,概述,3,1.2,、注浆的分类,1,概述,按注浆材料：,水泥单液浆，水泥,-,水玻璃双液浆，水泥,-,粘土（粉煤灰、沙子）混合浆，化学浆液。,按水动力条件：,静水注浆，动水注浆。,按工程目的：,帷幕注浆，注浆改造，注浆堵水，井筒预注浆，管棚支护注浆。,按注浆工艺：,旋喷注浆，孔口静压注浆，孔内 止浆注浆。,按突水构造：,断层注浆，裂隙注浆，陷落柱注浆,4,1.3,注浆材料,1,概述,固 粒,灌浆材料,水 泥,水玻璃,粉煤灰,粘 土,骨 料,Na,2,CO,3,nSiO,2,作为速凝剂或双液浆,与水泥浆配合使用,适用于裂隙、孔隙与岩溶类受注层。具有,结石强度高，性能稳定，来源广泛的特点。,裂隙宽度不下于,3,5,倍的水泥颗粒直径,（普通硅酸盐水泥,30,80,m,）,满足,水工混凝土掺用粉煤灰技术,规范,，其细度应不小于水泥细度。,水泥代用材料，不同的工程目的对粘,土性能指标（塑性指数、粘粒含量、,粉粒含量、含沙量等）有不同的要求,砾石、沙子等，适用于大空洞充填,化学浆材,真溶液浆材，具有粘度低、可灌性好、胶凝时间,易于控制的特点。适用于井巷工程小型裂隙与,微孔隙含水层注浆（丙烯酰胺类浆液）。,5,2,注浆在煤矿中的应用,预注浆工程,注浆堵水工程,特殊注浆工程,井筒预注浆,工作面注浆改造,帷幕注浆,导水构造的预注浆处理,巷道封堵工程,突水构造封堵,突水水源封堵,管棚支护注浆,防灭火注浆,充填注浆,6,3,注浆堵水方案,选择堵水方案应考虑的因素,1,）突水水文地质条件。水源、突水构造的类型、突水方式，井下与地面施工条件等。,2,）矿井受淹状况与施工条件。淹巷道、工作面，还是淹水平、或是整个矿井，地面与井下的施工条件等。,3,）本次突水与矿井今后防治水工作和煤炭生产接续的关系。,4,）不同方案的工期与工程造价因素,7,4,注浆工程设计,钻孔设计,注浆工艺设计,质量检查与效果检验,钻孔布置,钻孔结构,钻孔技术要求注浆层段与注浆方式,注浆工艺控制,注浆结束标准,工序检查,钻孔检查,物探检查,堵水效果,8,工程设计应遵循的原则,1,）先探后治，探治结合,2,）动态设计,3,）分序次施工,4,）注浆工艺科学合理,(1),先骨料、后浆液,;,(2),动水注骨料、静水注浆,;,(3),注浆时间小于浆液凝固时间相适应,(4),注浆强度与受注层吸浆量相匹配,4,工程设计,9,5,东庞矿“,4.12,”突水灾害治理,项目背景,“4.12”,突水灾害,1,）水源：,奥陶系强岩溶含水层,2,）水量：,出水后,3h,水量就增加,10000m,3,/h,以上，出水后,9h,水量增加到最大水,70000m,3,/h,3,）通道：,隐伏导水陷落柱,4,）其他：,总涌水量约,1000,万,m,3,，奥灰含水层内影响半径达,30Km,10,总体方案,阶 段,一期治理工程,二期治理工程,方 案,过水巷道封堵工程,突水陷落柱治理工程,目 标,尽快恢复生产,同时探查陷落柱,根治水患,避免陷落柱二次突水,实施,情况,2003,年,4,月开工，同年,9,月完成，矿井已恢复正常生产,2006,年,4,月开工，,2007,年,5,月,29,日完成,11,项目概况,12,5.1,过水巷道封堵技术,快,速,定,向,钻,进,骨,料,灌,注,阻,水,墙,建,造,旋喷注浆,充填注浆,升压注浆,引流注浆,13,快速定向钻进,1,）技术要求：,钻孔须在垂深,586m,处透巷，透巷水平位移不得大于,1m,，偏斜精度达,1.72,2,）钻探工艺：,（,1,）,T685WS,车载顶驱钻机，灵活机动,（,2,）,复合钻进技术纠偏,PDC(,钻头,)+197mm(,双扶,),单弯螺杆,(0.5)+203.2mm,无磁钻铤,+203.2 mm,普通钻铤,+178 mm,普通钻铤,6+114 mm,钻杆,3,）钻进效率：,平均每孔,12,天，最快达到,100m/,天,4,）钻探成果：,7,个钻孔命中巷道,5.1,巷道封堵,14,15,动水骨料灌注,1,施工条件：,高水压,5.46MPa,动水条件，煤层巷道，巷内空高,1.5m,左右，巷内动水流速约,300-350m/h,。,2,灌注工艺,1,）灌注方法：,水力射流，孔口密闭、砂石自重连续灌注法，定期下钻具透扫骨料。,2,）骨料级配：,骨料分细纱和石子两类,级配：河沙,:,小石子,:,中石子,:,大石子,=1:1:2:1,3,）水固比：,6:1-10:1,4,）灌注结束标准：,骨料堆积到巷顶经多次下钻冲扫仍不能进入巷道且经注（压）水试验，,q,值已降到,1.0L/min.m,以下时此孔灌注骨料工作结束,5.1,巷道封堵,16,灌注骨料成果汇总表,孔 号,灌注量,(m,3,),灌前空顶,高度,(m),水位,(m),水位上升值,(m),施 工 时 间,注前,注后,G3,26,0.75,-5.14.79,8.89,2003,年,6,月,5,日,G6,2514,1.6,-83.1,+11.09,94.19,2003,年,5,月,10,6,月,8,G7,654,0.90,-19.68,+63.16,82.84,2003,年,7,月,13,7,月,17,G8,1149,1.30,-93.89,-28.27,65.62,2003,年,5,月,22,5,月,30,合计,4343,5.1,巷道封堵,17,阻水墙的建造,第一阶段，旋喷注浆：,首先选择,3,个钻孔进行旋喷注浆施工，通过注入高压水泥浆液流，强行切割周围骨料，使水泥浆液与骨料充分混合，形成,3,个相对孤立的截断过水断面的砂浆或混凝土结石体。,第二阶段，充填注浆：,在旋喷注浆孔之间进行充填注浆，将旋喷结石体之间的空隙充填，形成一个整体的、连续的阻水墙。,第三阶段，升压注浆：,主要对阻水墙与顶底板岩石的接缝，以及岩石裂隙进行注浆加固，一方面增强阻水墙与围岩粘接力，提高抗挤出与抗水流冲刷能力。另一方面，注浆封堵了顶底板裂隙，可以防止突水绕流。另外，通过高压注浆提高阻水墙体的强度与抗渗透能力，封堵薄弱带的过水通道,第四阶段，引流注浆：,在工程后期矿井完全淹没、阻水墙基本形成情况下，井下突水基本为静水状态。为了检验堵水效果，封堵残留小的过水通道，在矿井试验排水期间，利用,G2,孔进行注浆，对出水口附近进行注浆封堵。,5.1,巷道封堵,18,堵水效果,125,天一期工程完工，,225,天矿井全面恢复生产。,矿井排水复矿后，残余涌水量由初始的,170m,3,/h,，逐渐衰减为零，,堵水率达到,100%,。,5.1,巷道封堵,19,陷落柱治理的必要性,1,）陷落柱从奥灰顶界面的,-690m,水平一直发育到上石盒子下段的,-240.61m,水平，垂直高度达,450m,，它穿透了大青、野青及,9,煤、,2,煤顶板砂岩含水层，并成为以上含水层的强大补给水源，如不进行陷落柱治理，在这些含水层中井巷工程一旦揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着,2,煤、,9,煤的安全开采。,2,）突水后陷落柱内大量的充填物被高压水冲出堆积在巷道，扩大了陷落柱空洞裂隙的体积，破坏了原有的平衡状态，使陷落柱周边岩体存在再次塌落的可能，特别是煤层强度低、结构疏松，更容易发生坍塌。因此，如不进行陷落柱治理，,2,煤煤柱的塌落使煤柱厚度变薄，陷落柱二次突水的危险性进一步增大。,3,）注浆封堵陷落柱，切断奥灰水的补给通道，降低柱内水压，可以减少陷落柱四周煤柱的留设厚度，解放部分煤炭资源。,20,陷落柱治理方案,在陷落柱探查的基础之上，封堵工程的核心就是在陷落柱的预定位置建造“堵水塞”，以切断陷落柱突水通道。其施工方案是采用以地面施工为主、井下施工为辅的井上下相结合的综合治理方案。一方面，在地面打钻施工注浆孔、监测孔，通过灌注骨料、浆液封堵“堵水塞”段的陷落柱体及其四周导水裂隙带，截断奥灰水的补给通道；另一方面，在井下施工定向放水钻孔，通过放水试验定量评价堵水效果。,另外，对陷落柱上部空洞进行骨料充填，防止陷落柱进一步向上发育，沟通第四系水源。,5.2,陷落柱治理,21,B-B,剖面图,治理技术,22,2903,陷落柱放,1,孔剖面图,治理技术,2.1,技术方案,23,突水陷落柱封堵技术,定,向,分,支,钻,孔,骨,料,灌,注,阻,水,塞,建,造,充填注浆,升压注浆,引流注浆,加固注浆,质量综合评价,工序检查,钻孔取芯,压水试验,物探检测,放水试验,5.2,陷落柱治理,24,定向分支钻孔,二期工程共施工注浆孔,6,个，定向分支钻孔,20,个；质检孔,2,个；骨料孔,2,个；放水孔,1,个，总进尺,8788.23m,。从钻孔施工结果来看，除,Z5-2,孔因孔内事故未达到设计深度外，其余钻孔均按设计要求施工至目的层位，钻孔各项参数如偏斜方位、偏斜角等均符合设计要求,5.2,陷落柱治理,25,钻孔对堵水塞段的控制,参数,一序孔,二序孔,三序孔,钻孔控制密度,（,m,2,/,孔）,钻孔数,6,5,5,241,控制半径（,m,）,14.3,10.6,8.8,钻孔间距,（平面投影,m,）,9.5,30,8,24,5.2,17,备注,陷落柱注浆控制面积：,3546m,2,5.2,陷落柱治理,26,陷落柱发育特征参数,陷,落,层,位,长轴方向,(m),短轴方向,(m),长轴长度,(m),短轴长度,(m),周长,(m),截面积,(m,2,),陷落高度,(m),上部,陷落柱空洞,NW,NE,44,25,111,775,-240.61,上石盒子组底界,NW,NE,52,33,139,1258,2,#,煤层,NW,NE,72,41,204,1929,9,#,煤层,NW,NE,80,44,234,2624,奥,灰,顶,界,NW,NE,89,53,258,3508,堵水塞段,NW,NE,80/92,41/49,2289/3546,27,“,阻水塞”段注浆孔平面投影图,5.2,陷落柱治理,28,注浆钻孔,东北等轴测图,5.2,陷落柱治理,29,陷落柱阻水塞建造工艺,阶段,充填注浆,升压注浆,引流注浆,加固注浆,钻孔,一序孔初期,一序孔中后期,二、三序前期,三序孔后期,二、三序孔后期，质检孔,浆液,类型,水灰比,0.8:1,、,1:1,，加早强剂,1:1,的早强浆液为主,1:1,的纯水泥浆液为主,1.3:1,、,1:1,的纯水泥浆液为主,注浆,条件,静水 无压,定量,200-240m,3,注浆时间,12-15,小时,静水，注前压水逐渐升压,定量,130-150m,3,注浆时间,10-12,小时,动水 孔口显压控制定量,60-80m,3,注浆时间,5-6,小时,孔口压力,2MPa,定量,80-100m,3,注浆时间,6-8,小时,目标,充填大裂隙、大通道,封堵主要过水通道，构筑堵水塞主体构架,封堵较大裂隙、溶隙 巩固前期效果,封堵小裂隙通道，进一步减少水量,封堵残留微小裂隙（孔隙）及边缘裂隙，加强堵水塞封堵效果,5.2,陷落柱治理,30,质量检查,钻孔取芯,5.2,陷落柱治理,31,Z4-,检,1,孔岩芯图片（,704m,）,治理技术,32,压水试验,孔号,试验层位,压水量,（,L/min),受注段长,(m),孔口,压力,(Mpa),吸水率,(L/min.m.m),Z4-,检,1,610m,35,130,4.1,0.00057,664m,60,184,3.6,0.00078,742m,35,262,2.0,0.00051,Z3-,检,2,610m,106,130,2.1,0.00302,664m,106,184,1.6,0.00262,742m,167,262,1.0,0.00398,742m,35,262,3.8,0.00030,5.2,陷落柱治理,33,堵水效果,放水试验,1),残余补给量,2.24m,3,/h,2),水质化验结果显示，未有奥灰水参与,3),水位动态表明，本次放水与奥灰水没有关联,结论：,堵水塞已成功切断了陷落柱的奥灰水补给通道，从而根除了隐患。,5.2,陷落柱治理,34,谢谢！,35,2.1.3,综合注浆法建造阻水墙,2,旋喷注浆,1,）钻孔,：,G8,G7,、,G3,、,G6,2,）注浆材料,：,42.5#,普通硅酸盐水泥，早强剂为三乙醇胺和食盐,3,）工艺参数,浆液配方：水灰比控制在,0.6,0.7,，浆液比重,1.6,1.8,，可加入水泥量,0.03-0.05%,的三乙醇胺和,0.3-0.5%,的食盐。,喷浆压力：,1015MPa,喷体结构：喷嘴直径为,34mm,，三喷嘴型,旋喷注浆泵：,LM-500/22,型泥浆泵,4,）旋喷注浆施工工艺流程,单位吸水率即,q,值已降到,1,（,L/min.m,）以下时，即可下入三孔射流旋喷钻头，采用水泥浆喷射自上而下射流搅拌至孔底（低于巷底的深度），然后再由下而上一边提升、一边旋转喷射至巷道顶以上的钻孔内；,水泥凝固,68,小时后，扫孔到底，进行第二次旋喷，如此反复多次，直到孔口返浆为止。,待凝,48,小时后，经用筒状钻头取芯，若取芯砼密实完整，说明旋喷效果好，否则，下钻具重复旋喷注浆，直到岩芯完整，且钻孔吸水率达到设计要求。,治理技术,36,2.1.3,综合注浆法建造阻水墙,3,充填注浆工艺,1,）充填注浆参数及工艺流程,（,1,）注前压水,（,2,）制浆：,浆液比重控制在,1.6,1.7g/cm,3,之间，制浆能力,3660m,3,/h,。,（,3,）注浆：,充填注浆的从排量,400L/min,、比重,1.7g/cm,3,注起。充填注浆阶段的初期主要以单孔大浆量注浆法和多孔大浆量联合注浆法为主，在注浆的同时及时其他注浆孔、主井和奥灰孔水位动态，分析注浆效果，如注浆效果好，则连续注浆，否则，采用多孔间歇交替注浆法，以防止浆液大量流失。在充填注浆阶段的后期，过水通道断面大幅缩减后，采用单孔小浆量间歇注浆法。,（,4,）停止注浆,：压清水经泵冲洗管路并将水压入孔中。,：待孔口压力归零后，方可拆开孔口注浆栓。,:,下钻具透孔至原孔深，以便下次再注，中间托钻记录深度。,治理技术,37,2.1.3,综合注浆法建造阻水墙,4,升压注浆,1,）受注层：,巷道顶板裂隙岩体、巷道、巷道底板裂隙岩体,2,）注浆方式：,下行分段式注浆，终孔层位为,2#,煤层的底板以下,10m,，逐段进行反复的封堵加固。主要采用单孔注浆，但在压水和注浆过程中若发现与有的钻孔串通，应改为双孔联合注浆。,3,）注浆参数：,浆液的比重一般为,1.5-1.75,。,4,）结束标准：,待巷底总压至,10MPa,（,2,倍水头），孔口压力达到,5MPa,左右，稳压,30,分钟以上，吸浆量在,50L/min,以下，扫孔到巷底以下,10m,处，经压水试验,q,值不大于,0.01L/min.m,时结束。,治理技术,38,2.1.3,综合注浆法建造阻水墙,5,引流注浆,1,）应用条件：,主要过水通道被封堵后；,2,）实施方案：,在矿井主副井或突水点附近进行引流排水，使静水条件变成动水条件，排水量为,7000m,3,/h,；,3,）目的：,过水通道的细小裂隙、薄弱带进行再加固，进一步减少出水量，同时，向来水方向逆流压注，并通过陷落柱进一步向被陷落柱贯穿的各含水层及其导水系统进行注浆封水；,4,）引流钻孔：,靠近突水点的,G2,孔，借助堵水段内外的水头差进行引流注浆；,5,）施工情况：,从,8,月,16,日开始到,9,月,22,日结束，实际上大部分浆液当时已很难通过,G6,和,G8,孔的“阻力段”，在注浆工程后期特别是进入升压注浆阶段以后，,G1,孔频繁的窜水窜浆，说明阻水墙已基本形成，浆液通过,G1,孔逆流压注到突水口及陷落柱内。最后,G2,孔孔深延伸到,596.6m,（巷道底板下,15.6m,），全孔注浆31,次，注浆最终压力,4.6-6.0MPa,，最终浆液比重,1.65,，结束吸浆量,50L/min,。,这次引流注浆在巷顶以上注浆,18,次、耗用水泥,5184t,，占引流注浆总量的,56.5%,，巷底以下共注入,3270t,，占引流注浆总量的,35.6%,，而巷内仅注入水泥,720,吨，占引流注浆总量的,7.8%,，这一情况表明，本次引流注浆的作用，实际上已不仅是加固巷内的堵水段，更是通过巷道顶、底板的裂隙进一步封堵它们与陷落柱之间的水力联系。,治理技术,39,2.2.1,突水陷落柱探查,1,利用三维地震勘探控制突水陷落柱的空间构造特征,2,电法探测、,V5,多功能电磁法探测陷落柱的富水性,3,探查与施工钻孔验证物探成果，进一步查明陷落柱纵向形态特征、上部空洞特征、,“,堵水塞,”,段陷落柱发育特征,2.1,技术方案,治理技术,40,A-A,剖面图,治理技术,41,2.2.2,定向分支造孔工艺,1,）,设计单位提出单孔设计，对直孔段深度、起始偏斜深度、水平偏斜距、偏斜段垂高、偏斜方位、平均偏斜角等参数作出规定。,2,）,施工单位根据钻孔设计参数编制钻孔施工组织设计，作出钻孔偏斜轨迹预测。,3,）直孔段钻具组合,一开钻具,：,311mm,钻头,159mm,无磁钻铤,159mm,普通钻铤,127mm,钻杆驱动装置,二开钻具：,210mm,钻头,159mm,无磁钻铤,159mm,普通钻铤,127mm,钻杆驱动装置,4,）定向偏斜段钻具组合,146mm,金刚石复合片钻头,126mm,螺杆,127mm,钻铤,127mm,钻杆,127mm,方钻杆,5,）钻孔定向测斜,直孔段水平偏斜距不得大于,1m,，偏斜方位不得大于,1,度，每,20m,测斜一次。为此，采用,1.5,度单弯螺杆钻进，及时进行随钻测斜，发现偏斜及时纠偏，确保井身轨迹误差在设计要求范围之内。,6,）,直孔段冲洗液漏失，采用重泥浆堵漏，进入陷落柱后，发生大量漏失，注浆堵漏。,2.1,技术方案,治理技术,42,3.2.4,质量评价,1,钻孔成孔质量评述,20,分支孔按设计参数施工,2,单孔注浆效果,-,q0.001L/min.m.m,3,施工过程中取芯情况,见照片,4,井下,TEM,法探测成果,治理后富水异常区消失,5,质量检查孔,长度满足要求,治理技术,43,孔号,注浆,序次,段长（,m,）,吸水率,注浆阶段,Z1-1,二,全段,73,0.001,加固阶段,Z1-2,一,上段,25,0.05,充填阶段,升压阶段,引流、加固阶段,中段,25,0.05,下段,23,0.05,全段,73,0.005,Z1-3,三,全段,73,0.001,加固阶段,Z3-1,三,全段,73,0.001,加固阶段,Z3-2,一,上段,25,0.005,充填阶段,升压阶段,引流、加固阶段,中段,25,0.005,下段,23,0.005,全段,73,0.001,Z3-3,二,全段,73,0.001,加固阶段,注,浆,结,束,标,准,治理技术,44,渗透性,等级,标准,岩体特征,渗透系数,K,(cm/s),吸水率,q,(L/min.m.),极微透水,K10,-6,q0.001,完整岩石含等价开度,0.025mm,裂隙的岩体,微透水,10,-6,K10,-5,0.001q0.01,含等价开度,0.025,0.05mm,裂隙的岩体,弱透水,10,-5,K10,-4,0.01q0.1,含等价开度,0.05,0.1mm,裂隙的岩体,中等透水,10,-4,K10,-2,0.1q1,含等价开度,0.1,0.5mm,裂隙的岩体,强透水,10,-2,K10,0,q1,含等价开度,0.5,2.5mm,裂隙的岩体,极强透水,K10,0,含等价开度,2.5mm,裂隙的岩体,岩石透水性等级表,治理技术,45,“,堵水塞”长度,Z4-,检,1,孔,：至少,81m,放,1,孔,:138m,Z3-,检,2,:,至少,132m,三处“堵水塞”顶面至少高于设计位置,8m,、,65m,及,59m,实际堵水塞长度不小于,81m,2.1,技术方案,治理技术,46,3.2.5,堵水效果,放水试验,(1),残余补给量,2.24m,3,/h,(2),水质化验结果显示，未有奥灰水参与,(3),水位动态表明，本次放水与奥灰水没有关联,结论：,堵水塞已成功切断了陷落柱的奥灰水补给通道，从而根除了隐患。,2.1,技术方案,治理技术,47,观测孔水位历时曲线图,治理技术,48,放水试验期间观,26,孔奥灰水位动态曲线,放水期间,恢复期间,治理技术,49,治理技术难点,1,）,一期工程面临的封堵巷道埋深达,580,多米，是最深的；,2,）,奥灰的水压达,5MPa,以上，是最高的；,3,）,封堵巷道为宽,4.5m,、高,3.5m,、断面为,15.25m,2,的煤层巷道，由于受突水冲刷实际断面很大，且,2#,煤的抗压强度仅,0.10MPa,，在这种条件下，建造长约,105m,、抗压,5MPa,以上的阻水墙，在我国煤矿行业属于首次，具有很大的技术难度和施工难度；4,）,二期工程的治理对象为,2903,工作面突水陷落柱，其赋存状态和发育特特征还不很清楚，需要结合二期治理工程进行针对性的勘查工作；,5,）,从最终的勘探结果来看，在造成突水淹井灾害的陷落柱中，,2903,工作面突水陷落柱的规模是最大的，,2#,煤以下堵水塞段的陷落柱水平截面积达,3546m,2,（含裂隙带）；,6,）,在松散破碎的陷落柱内建造堵水塞，首先要研究出一套适合复杂地层的定向分支造孔工艺，确保钻孔按设计轨迹施工，然后，须根据陷落柱的发育特征，制定科学合理的注浆工艺与方法；,7,）,矿井恢复之后，在静水条件下，如何定量评价注浆质量和封堵效果是以往类似工程尚未解决的技术问题。,治理技术,50,