CN104712286A - 一种利用煤层底板含水层单孔放水试验成果分类注浆方法 - Google Patents

Abstract

一种利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，包括以下步骤：(1)施工煤层底板注浆钻孔；(2)对步骤(1)的每一个钻孔进行单孔放水试验，得到每一个钻孔的限制放水量Q与钻孔内含水层水位降深值S的对应关系；(3)根据步骤(2)中的Q-S对应关系对钻孔的富水性进行分类，对于非富水钻孔直接封孔，对于富水钻孔，执行步骤(4)；(4)对于富水钻孔进行注浆钻孔分类；(5)根据不同类型的注浆钻孔，选择合适的注浆工艺。

Description

一种利用煤层底板含水层单孔放水试验成果分类注浆方法

技术领域

本发明涉及矿井水文地质领域，尤其涉及煤矿底板注浆钻孔分类注浆的方法。

背景技术

我国华北地区煤层普遍受到底板承压水害威胁，为避免底板承压水在煤层开采时涌入工作面，最为常用的方法就是往煤层底板注浆。由于煤层底板注浆的层位多为含水层，目前的注浆工程多假设注入含水层为相对均质的，因此多采用近似间距、多钻孔全方位注浆，造成了大量的浆液的浪费，且没有重点加固和封堵有水力联系且富水的主要过水通道。优势面理论认为：注浆后的地层的抗静水压力、抗渗水的能力主要取决于地层的主要结构面，即注浆层位的原始主要过水通道应该是注浆的重点，因此常规底板注浆改造的效果受到了限制。

目前，虽然有学者通过模糊方法对煤层顶板注浆钻孔质量进行过评价分类，但评价对象针对的是煤层顶板含水层，且评价参数中有一定的模糊参数，另外利用的参数缺少钻孔揭露含水层的补给性和富水性，整体上评价方法不适用于底板含水层注浆。

综合以上，目前煤层底板注浆钻孔分类注浆的方法存在以下几点问题：

1)传统的底板注浆工程，对所有注浆钻孔统一标准注浆，造成了注浆材料的浪费；

2)传统的底板注浆工程，对注浆钻孔没有进行评价，找不出关键的注浆钻孔，导致底板注浆工程的注浆效果较差；

3)传统的底板注浆工程，由于未对底板注浆钻孔进行分类评价，注浆时会造成各种煤层底板发生底鼓、跑浆现象，影响了工程周期。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种利用煤层底板含水层单孔放水试验成果分类注浆方法。

一种利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，包括以下步骤：(1)施工煤层底板注浆钻孔；(2)对步骤(1)的每一个钻孔进行单孔放水试验，得到每一个钻孔的限制放水量Q与钻孔内含水层水位降深值S的对应关系；(3)根据步骤(2)中的Q-S对应关系对钻孔的富水性进行分类，对于非富水钻孔直接封孔，对于富水钻孔，执行步骤(4)；(4)对于富水钻孔进行注浆钻孔分类；(5)根据不同类型的注浆钻孔，选择合适的注浆工艺。

步骤(1)的具体方法为：沿工作面的轨道巷和运输巷以近似间距布置注浆钻场，每个钻场设置多个钻孔，钻孔的方位角指向工作面内，且方位角在空间上均匀布置。

所述步骤(2)中的单孔放水试验中，控制每个钻孔的限制放水量为最大放水量的1/3～1/2。

所述步骤(4)的具体步骤为：根据步骤(2)中的Q-S对应关系分别拟合直线型曲线、抛物线型曲线、幂函数曲线、对数曲线，求该四种曲线的拟合度，最大拟合度的曲线为该钻孔的类型。

所述注浆点的补给条件由好到差依次为：直线型注浆钻孔、抛物线型注浆钻孔、幂函数曲线注浆钻孔、对数曲线注浆钻孔。

四种注浆钻孔的注浆材料的速凝性和强度依次降低。

所述直线型注浆钻孔的注浆材料以海带粉和木屑为浆液的骨料，以水泥和黏土为主要注浆材料，其他成分还包括水玻璃及水泥速凝早强剂；其中，黏土占主要浆料材料质量总和的70％～80％，水泥占20％～30％，水玻璃按质量百分比占总浆液含水量的1％～2％，水泥速凝早强剂用量为水泥质量的0.05％～0.1％，水与黏土和水泥总和的质量比为0.6:1～1:1；注浆工艺为：首先下注浆的骨料，待注浆骨料充水吸水膨胀后，然后下水泥、黏土、水玻璃、水泥速凝早强剂和水的混合浆液，待注浆压力满足停止压力后停止注浆并封孔。

所述抛物线型注浆钻孔的注浆材料主要包括：水泥、黏土及水泥速凝早强剂，其中，水泥和黏土为主要注入材料，其中黏土占两者质量总和的80％～90％，水泥占10％～20％，水泥速凝早强剂选氯化钙，其用量为所用水泥质量的1％～2％，水与黏土和水泥总和的质量比为1:1～2:1；注浆工艺为：直接注入水泥、黏土、氯化钙和水的混合浆液，待注浆压力达到停止压力后停止注浆并封孔。

所述幂函数曲线型注浆钻孔的注浆材料主要为黏土浆液，水与黏土的质量比为1:1～2:1；注浆工艺为将黏土与水的混合浆液注入，达到注浆停止压力后停止注浆并封孔。

对于对数曲线型注浆钻孔应以疏放含水层中有限的水体为主，然后对钻孔进行封孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)操作简单、易实施；2)考虑钻孔揭露的底板含水层的水文特性，使得注浆工程更有效；3)考虑钻孔揭露的底板含水测定水文特性，使得浆液浪费更少，节约成本；4)考虑钻孔揭露的底板含水测定水文特性，使得注浆过程问题更少，缩短工期。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种底利用煤层底板含水层单孔放水试验成果分类注浆方法，包括下述步骤：

步骤一：施工煤层底板注浆钻孔。沿工作面两巷(轨道巷、运输巷)以近似间距布置注浆钻场(钻场间距在70～150m)，每个钻场设置2～4个钻孔，钻孔的方位角指向工作面内，且方位角在空间上均匀展布，所有钻孔的孔径采用统一孔径，且大于等于91mm，对于穿越的非注浆含水层下套管进行止水。

步骤二：对完成施工的钻孔进行单孔放水试验。单孔放水试验首先获取最大放水量Qmax，然后限制放水量Q为Qmax的1/3～1/2，进行不同放水量Q的单孔放水试验3次及以上，分别测定钻孔内含水层水位降深S值，得到单个钻孔Q和S的三组及以上对应关系。

步骤三：注浆钻孔富水性分类。依据Q和S的三组及以上的对应数据，以及既定方法绘制Q～S曲线，并找出依据曲线求得降深10m对应的放水量Q，并换算钻孔内径91mm的放水量Q₉₁，进而求得钻孔单位涌水量q：

$q=\frac{Q_{91}}{10},$

依据q将每个注浆钻孔的富水性进行划分，当q>0.1L/(s·m)时为富水钻孔，q≤0.1L/(s·m)时为非富水钻孔。对于非富水钻孔直接进行封孔，不进行大范围注浆。

步骤四：对于富水钻孔，进行注浆钻孔分类。对富水钻孔的分类依据Q～S曲线类型，即采用最小二乘法分别拟合直线型(Q＝wS)、抛物线型(S＝aQ+bQ²)、幂函数曲线型(Q＝nS^m)和对数曲线型(Q＝a+blgS)4个方程，计算各拟合方程的拟合度R₁ ²、R₂ ²、R₃ ²、R₄ ²，其中w、a、b、m、n为待定系数，拟合度最大的拟合方程选定为该注浆钻孔的Q～S曲线类型，若存在有1个以上最大拟合度的则Q～S曲线类型则依次优先选择为直线型、抛物线型、幂函数曲线型或对数曲线型，依照上述方法将富水的注浆钻孔划分为4种类型。

步骤五：针对4种不同类型的注浆钻孔，选择适宜的注浆工艺。

第一种类型(直线型)：对于直线型注浆钻孔应作为重点注浆钻孔注入，采用注浆材料选定为海带粉、木屑、水泥、黏土、水玻璃及水泥速凝早强剂，其中海带粉、木屑为浆液的骨料，水泥和黏土为主要注浆材料，其中黏土占两者质量总和的70％～80％，水泥占20％～30％，水玻璃浓度为35～40°Be’，模数为2.8～3.4的钠质水玻璃，按质量百分比占总浆液含水量的1％～2％，水泥速凝早强剂选三乙醇胺，其用量为所用水泥质量的0.05％～0.1％，水与黏土和水泥总和的质量比为0.6:1～1:1。注浆工艺为首先下注浆的骨料，待注浆骨料充水吸水膨胀后，然后下水泥、黏土、水玻璃、三乙醇胺和水的混合浆液，待注浆压力满足停止压力后停止注浆并封孔。

第二种类型(抛物线型)：对应抛物线型注浆钻孔应作为次重点注浆钻孔注入，注浆材料水泥、黏土及水泥速凝早强剂，其中水泥和黏土为主要注入材料，其中黏土占两者质量总和的80％～90％，水泥占10％～20％，水泥速凝早强剂选氯化钙，其用量为所用水泥质量的1％～2％，水与黏土和水泥总和的质量比为1:1～2:1.注浆工艺为直接注入水泥、黏土、氯化钙和水的混合浆液，待注浆压力达到停止压力后停止注浆并封孔。

第三种类型(幂函数曲线型)：对于幂函数曲线型注浆钻孔应选择性注入，若同一钻场中存在第一种类型和第二种类型注浆钻孔的，为注入钻孔，否则不注入浆液直接封孔。对于第三种类型的注入钻孔的注浆材料选择为黏土浆液，水与黏土的质量比为1:1～2:1，注浆工艺为将黏土与水的混合浆液注入，达到注浆停止压力后停止注浆并封孔。

第四种类型(对数曲线型)：对于对数曲线型注浆钻孔应以疏放含水层中有限的水体为主，然后对钻孔进行封孔。

步骤六：煤层底板注浆完成后煤层安全回采，没有发生底板突水事故。

运行原理：

传统的注浆工程，没有对注浆钻孔进行评价而直接进行注浆，一方面对无用注浆区域大范围注浆，浪费了浆液的同时有可能在某些地方聚集造成煤层底板底鼓延缓了工期，另一方面对重点注浆区域按照常规的材料和工艺注浆，效果相当有限。

在注浆钻孔注浆前对注浆的目的含水层采用单孔放水试验，可以得到注浆钻孔揭露处的水文地质条件，使得注浆工程有据可依。其中，行业既定认为q≤0.1L/(s·m)的注浆钻孔揭露的含水层富水性差(含水层厚度小或渗透性小或补给性差，均不适宜大规模注浆)，而q>0.1L/(s·m)时注浆钻孔揭露的含水层中等或以上富水，其水文地质条件类型考虑的4种Q～S曲线类型是最为常见的4种含水层条件类型，代表了4种典型水文地质条件，第一种类型(直线型)代表注浆点的补给性好，是主要的导水通道，第二种类型(抛物线型)代表注浆点有一定的补给性，但连通条件相对第一种差，第三种类型(幂函数曲线型)代表注浆点的补给条件较差，第四种类型(对数曲线型)代表注浆点为相对封闭的含水体，水量相对有限。从优势面理论来看，被改造的底板注浆地层的抗渗水和抗水压的能力取决于该地层原始的主要导水通道的改造程度，而以上四种类型从第一种类型到第四种类型导水性依次下降，因此选取的注浆材料也逐步从速凝、高强度依次降低，使得注浆材料费用得以节俭且效果良好，比如第一种类型钻孔选用的水泥速凝早强剂为三乙醇胺较第二种类型钻孔选用的水泥速凝早强剂氯化钙效果更显著，但成本较高，因此依据钻孔的重要性和注浆的水动力条件选择相应的注浆材料和工艺在经济上和技术上效果更佳；又如水与黏土和水泥总和的质量比越大注浆的成本越低，但浆液凝结时间长、凝结强度低，因此依据钻孔的重要性和注浆的水动力条件选择相应的水与黏土和水泥总和的质量比比。综上，注浆钻孔的分类注浆使得注浆的成本有效得到控制，且改造了主要的突水“优势面”更有效防治了底板突水事故。

应用实例：

某矿5203工作面已形成，但受底板水害威胁需要开展煤层底板注浆工程，对本次注浆工程的钻孔分类注浆的步骤如下：

步骤一：施工煤层底板注浆钻孔。沿工作面两巷(轨道巷、运输巷各长1200m)布置钻场24个，各钻场之间的间距控制在70～150m，每个钻场布置钻孔2～4个，钻孔共计75个，钻孔的方位角分别为0°、45°、135°、180°、225°、315°均匀展布，并指向工作面内，钻孔孔径统一选择为91mm，对于穿越的1个非注浆含水层下套管进行了止水工作。

步骤二：对施工的75个钻孔分别进行单孔放水试验。75个钻孔的最大放水量Qmax在1～40m³/h。然后控制各钻孔放水量在Qmax的1/3～1/2后得出各钻孔的Q～S对应关系3～5组。

步骤三：注浆钻孔富水性分类。依据Q和S的三组及以上对应数据，绘制Q～S曲线，进而求得钻孔单位涌水量q，75个钻孔的q在0.003～2.1L/(s·m)之间，其中q≤0.1L/(s·m)的注浆钻孔有19个，q>0.1L/(s·m)的注浆钻孔56个。对19个非富水钻孔未进行注浆，直接进行封孔。

步骤四：对于56个富水钻孔，进行注浆钻孔分类。如下表所示，其中一个钻孔的单孔放水试验4次，其结果如下表：

孔内水位降深	S/m	1.8	5.4	7.9	10.5
						钻孔流量	Q/L·s-1	98	188	211	250

采用最小二乘法对4种曲线类型分别进行拟合，直线型的拟合度R₁ ²＝0.960，抛物线型的拟合度R₂ ²＝0.989，幂函数型的拟合度R₃ ²＝0.991(最大)，对数曲线型的拟合度R₄ ²＝0.990，因此可以判断该钻孔的Q～S曲线类型为幂函数型(第三种类型)。

依照以上方法对56个富水钻孔进行了分类，分类结果显示第一种类型(直线型)钻孔15个，第二种类型(抛物线型)19个，第三种类型(幂函数曲线型)15个，第四种类型(对数曲线型)钻孔7个。

步骤五：针对4种不同类型的注浆钻孔，选择适宜的注浆工艺。

第一种类型(直线型)：15个该类型的钻孔作为重点注入钻孔，首先通过注浆钻孔下海带粉和木屑两种吸水膨胀骨料，待骨料充分吸水膨胀后注入水泥、黏土、水玻璃、三乙醇胺和水的混合浆液，其中各钻孔注浆材料配比如下：黏土占黏土和水泥质量总和的70％～80％，水泥占20％～30％，水玻璃浓度为35～40°Be’，模数为2.8～3.4的钠质水玻璃，按质量百分比占总浆液含水量的1％～2％，三乙醇胺用量为所用水泥质量的0.05％～0.1％，水与黏土和水泥总和的质量比为0.6:1～1:1。随着混合材料注入孔口注浆压力达到2倍及以上的静水压力停止注浆并封孔。

第二种类型(抛物线型)：19个该类型的钻孔作为次重点注入钻孔，注浆的浆液为水泥、黏土、氯化钙及水，其中黏土占水泥和黏土质量总和的80％～90％，水泥占10％～20％，氯化钙的用量为所用水泥质量的1％～2％，水与黏土和水泥总和的质量比为1:1～2:1。随着混合材料注入孔口注浆压力达到2倍及以上的静水压力停止注浆并封孔。

第三种类型(幂指数曲线型)：15个该类型的钻孔中同一钻场中无第一种类型和第二种类型钻孔有6个钻孔，对于这6个钻孔不进行注浆而直接进行封孔。剩余的9个钻孔为注入钻孔，采用的注浆材料为黏土浆液，水与与黏土的质量比为1:1～2:1。随着黏土浆液的注入孔口注浆压力达到2倍及以上的静水压力停止注浆并封孔。

第四种类型(对数曲线型)：7个对数曲线型钻孔进行排水，水通过管道排出工作面，待排水完成后，对钻孔进行封孔。

步骤六：对施工的75个钻孔中的32个钻孔未进行大范围注浆，对其余的43个钻孔针对钻孔类型采用不同的注浆材料和注浆工艺大范围注浆并封孔后。在节约了大量的注浆材料费用、注浆工程时间后，5203工作面安全回采，没有发生底板突水事故，达到了注浆改造的效果。

Claims (10)

1.一种利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)施工煤层底板注浆钻孔；

(2)对步骤(1)的每一个钻孔进行单孔放水试验，得到每一个钻孔的限制放水量Q与钻孔内含水层水位降深值S的对应关系；

(3)根据步骤(2)中的Q-S对应关系对钻孔的富水性进行分类，对于非富水钻孔直接封孔，对于富水钻孔，执行步骤(4)；

(4)对于富水钻孔进行注浆钻孔分类；

(5)根据不同类型的注浆钻孔，选择合适的注浆工艺。

2.根据权利要求1所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：步骤(1)的具体方法为：沿工作面的轨道巷和运输巷以近似间距布置注浆钻场，每个钻场设置多个钻孔，钻孔的方位角指向工作面内，且方位角在空间上均匀布置。

3.根据权利要求1所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：所述步骤(2)中的单孔放水试验中，控制每个钻孔的限制放水量为最大放水量的1/3～1/2。

4.根据权利要求1所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体步骤为：根据步骤(2)中的Q-S对应关系分别拟合直线型曲线、抛物线型曲线、幂函数曲线、对数曲线，求该四种曲线的拟合度，最大拟合度的曲线为该钻孔的类型。

5.根据权利要求4所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：所述注浆点的补给条件由好到差依次为：直线型注浆钻孔、抛物线型注浆钻孔、幂函数曲线注浆钻孔、对数曲线注浆钻孔。

6.根据权利要求4所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：四种注浆钻孔的注浆材料的速凝性和强度依次降低。

7.根据权利要求4或6所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：所述直线型注浆钻孔的注浆材料以海带粉和木屑为浆液的骨料，以水泥和黏土为主要注浆材料，其他成分还包括水玻璃及水泥速凝早强剂；其中，黏土占主要浆料材料质量总和的70％～80％，水泥占20％～30％，水玻璃按质量百分比占总浆液含水量的1％～2％，水泥速凝早强剂用量为水泥质量的0.05％～0.1％，水与黏土和水泥总和的质量比为0.6:1～1:1；注浆工艺为：首先下注浆的骨料，待注浆骨料充水吸水膨胀后，然后下水泥、黏土、水玻璃、水泥速凝早强剂和水的混合浆液，待注浆压力满足停止压力后停止注浆并封孔。

8.根据权利要求4或6所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：所述抛物线型注浆钻孔的注浆材料主要包括：水泥、黏土及水泥速凝早强剂，其中，水泥和黏土为主要注入材料，其中黏土占两者质量总和的80％～90％，水泥占10％～20％，水泥速凝早强剂选氯化钙，其用量为所用水泥质量的1％～2％，水与黏土和水泥总和的质量比为1:1～2:1；注浆工艺为：直接注入水泥、黏土、氯化钙和水的混合浆液，待注浆压力达到停止压力后停止注浆并封孔。

9.根据权利要求4或6所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：所述幂函数曲线型注浆钻孔的注浆材料主要为黏土浆液，水与黏土的质量比为1:1～2:1；注浆工艺为将黏土与水的混合浆液注入，达到注浆停止压力后停止注浆并封孔。

10.根据权利要求4或6所述的利用煤层底板含水层单孔放水试验成果的分类注浆方法，其特征在于：对于对数曲线型注浆钻孔应以疏放含水层中有限的水体为主，然后对钻孔进行封孔。