CN108825263B - 一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法 - Google Patents
一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于矿井防治水技术领域，具体涉及一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法。本发明要解决现有方法存在的注浆方案不明确，注浆针对性不强，烧变岩露头跑浆严重，注浆进度慢、费用高等问题，能快速形成封闭式帷幕墙，有效拦截帷幕墙外的烧变岩来水。本发明提供的方案中，在烧变岩与实煤体处的隐伏露头60~80m段，采用水泥‑粉煤灰混合浆进行注浆；在烧变岩直接露头处边缘40~60m段，采用水泥‑水玻璃双液浆进行注浆；烧变岩隐伏露头端和烧变岩直接露头之间的中部区域，采用水泥单液浆进行注浆。本发明施工速度快，堵水效果好，可节省材料，减少注浆成本；帷幕中间段注浆时先内排后外排，有利于工作面超前疏放水，提高了帷幕防渗效果。
Description
技术领域
本发明属于矿井防治水技术领域，具体涉及一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法。
背景技术
我国西北地区存在煤层烧变岩现象，如新疆和陕北矿区的个别地方，由于煤层露头浅，地表沟壑发育，煤层在沟谷切割后的裸露处自燃后会一直朝里烧，形成一片火烧区。煤层燃烧垮塌形成火烧区后，整个烧变岩内部裂隙十分发育，当烧变岩周围存在水体如水库、湖泊、河流或其他层位含水层时，烧变岩裂隙会充水，并成为强含水层。煤系地层中多数煤层是分层的，在已烧变煤层下方仍然有可以回采的煤炭资源，因此，若烧变岩下方有采掘活动，烧变岩有可能成为充水水源，威胁矿井安全和正常生产，造成地表水资源浪费。要阻止烧变岩水进入到矿井采掘系统，可采取帷幕注浆的方法，在矿井采掘空间与水体之间的烧变岩含水层中建造一座帷幕挡水墙，将烧变岩水隔离在采掘系统之外。
由于地形地质条件的复杂性和多样性，有这样一种烧变岩帷幕，平面上帷幕的一侧为地表沟谷边缘的烧变岩直接露头，帷幕的另一侧为地表一定埋深处的火烧区边界，该边界既是烧变岩的熄灭边界，同时也是未烧变的实煤体边界，实煤体边界以里为未烧变的完好煤层。换言之，这种烧变岩帷幕一侧为烧变岩直接露头，另一侧为烧变岩隐伏露头。
对于这种从直接露头至隐伏露头实煤体处的特殊烧变岩帷幕，现有的技术在实施时采用的方法是：使用注浆材料为水泥、粉煤灰和骨料，注浆工艺为水泥单液浆注浆、水泥-粉煤灰混合浆注浆及骨料灌注。采用现有的技术方法，烧变岩帷幕施工中存在着注浆技术方案不明确，注浆方法针对性不强，注浆材料在直接露头处跑浆严重，浪费材料，同时注浆施工进度慢、工程费用高等问题。
发明内容
本发明要提供一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法，以解决现有方法存在的注浆方案不明确，注浆针对性不强，烧变岩露头跑浆严重，注浆进度慢、费用高等问题，能快速形成封闭式帷幕墙，有效拦截帷幕墙外的烧变岩来水。
为达到本发明的目的，所提供的技术方案是，一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法，依次包括下述步骤：
1、圈定火烧区与实煤体之间的边界线；
2、确定烧变岩帷幕线的平面位置和垂向位置，帷幕线为线状，帷幕线平面上横跨烧变岩直接露头与实煤体边界处的隐伏露头，将烧变岩补给水源隔在帷幕线以外，帷幕线垂向上自上而下穿过完整烧变岩进入烧变岩底板新鲜基岩以下5m；
3、帷幕线在火烧区边界处要向实煤体方向延伸，延伸距离超过边界线50m以上，在烧变岩直接露头方向帷幕线要布置到沟谷边缘；
4、在帷幕线上布置两排帷幕注浆孔，两排帷幕钻孔的孔位交错布置；同排帷幕注浆孔之间的孔间距为10～15m，两排帷幕之间的排间距为8.66～12.99m，两排帷幕相邻钻孔的孔位错开，按正三角形方式布置；
5、在火烧区边界线实煤体一侧50m范围内施工烧变岩与实煤体边界处钻孔，钻孔布置方法同烧变岩区域，精确探明烧变岩在帷幕线上的边界；同时在边界处烧变岩区域内加密布置注浆孔，在两排帷幕钻孔之间的烧变岩段增加2～3个帷幕内钻孔，钻孔布置在两排帷幕孔三角形的中心，孔间距10～15m，在帷幕线外以8.66～12.99m排间距，按与帷幕钻孔呈正三角形每侧布置1～2个帷幕外钻孔；
6、在烧变岩与实煤体处的隐伏露头60～80m段，采用水泥-粉煤灰混合浆进行注浆：水泥与粉煤灰重量比1:1～1:2，水泥与粉煤灰总重量与水的重量比为1:1，即水泥、粉煤灰、水的重量比为：1:1:2～1:2:3；
7、在烧变岩直接露头处边缘40～60m段，采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆：水玻璃波美度为35～40°Bé，注浆前加3～4倍体积的水进行稀释，然后和水泥浆按体积1:1从孔口混合注入钻孔中，出现跑浆后立即停注30～60分钟，之后再继续注浆，如此循环往复，直至达到注浆终止压力；
8、烧变岩隐伏露头区和烧变岩直接露头区之间的中部区域，采用水泥单液浆进行注浆，水灰比为0.8:1～1:1，直至达到注浆终止压力；本区域两排帷幕注浆孔的总体施工顺序是先注内排孔，再注外排孔；
9、采用分区注浆方法，不同区段按不同注浆材料及工艺完成注浆后，整个烧变岩帷幕注浆工程结束。
上述步骤6或8中，单孔吃浆量在500t以内未升压达到注浆结束标准，采用连续注浆法。
上述步骤6或8中，单孔吃浆量超过500t，注浆时可采用间歇式注浆法，注入30～40分钟停注30～20分钟，如此循环往复，直至达到注浆终止压力。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)紧密结合烧变岩地质条件，注浆针对性强，注浆技术方案明确
本发明采取沿帷幕线分区注浆方法，烧变岩区段位置不同注浆材料及注浆工艺不同，烧变岩隐伏露头处采用水泥-粉煤灰混合浆，烧变岩直接露头处采用水泥-水玻璃双液浆，两个露头之间采用水泥单液浆，注浆方法针对性强，注浆技术方案明确。
①烧变岩隐伏露头处采用水泥-粉煤灰混合浆，帷幕建墙速度快，堵水效果好，可节省注浆材料，减少工程费用。
烧变岩与实煤体接触处的烧变岩隐伏露头段煤层燃烧不充分，顶板烧变岩层难以全部坍塌，因此会形成较大的空膛和裂隙，钻探中常出现掉钻现象，有的掉钻可达1m。帷幕注浆中若采用水泥单液浆，浆液运移中不容易沉淀，吃浆量太大，消耗水泥多，工程工期长。注浆中若采用砂子等细骨料，由于烧变岩裂隙相对较小、水动力条件差，烧变岩过水通道小，因此很难灌注，注浆量很小，耽误截流时间。细骨料尚且注不进，粗骨料如石子等就更不用考虑。若在水泥浆液里添加锯末之类的添加物，现有散装水泥注浆工艺下添加量十分有限，无法组织大规模生产。若采用双液浆，因凝固时间关系，很难密实充填烧变岩空膛及裂隙，若不能充分充填空洞及裂隙，帷幕墙没有足够的厚度，帷幕堵水效果不好。
水泥浆液中加入粉煤灰后，首先，比起纯水泥浆液，混合浆的流动性变差，容易沉淀，能以较快速度形成帷幕墙；其次，粉煤灰价格低廉，水泥-粉煤灰的材料成本低；第三，水泥-粉煤灰混合浆能采用和纯水泥浆一样的散装水泥罐快速注浆工艺，注浆量有保障，一个注浆站一天注浆量可达1000t以上。因此，烧变岩隐伏露头处最佳注浆材料是水泥-粉煤灰混合浆浆液，施工速度快，堵水效果好，可节省材料，减少注浆成本。
②烧变岩直接露头处采用水泥-水玻璃双液浆，跑浆量少，注浆材料浪费小，施工速度快，工程费用低。
烧变岩露头段烧变岩层位直接出露在沟谷中，但烧变岩裂隙发育程度远不如烧变岩隐伏露头段。帷幕注浆时若采用单液水泥浆或水泥-粉煤灰混合浆，注浆时跑浆太严重，会造成注浆材料的大量浪费，拖延注浆工期，工程费用高。骨料由于烧变岩裂隙的尺度小，水动力条件不足，因此根本注不进去。采用水泥-水玻璃双液浆，浆液凝固快，可在短时间内凝固，注浆时跑浆量小，材料浪费小，施工速度快，工程费用低。
③烧变岩两个露头之间的中间区域采用水泥单液浆，注浆工艺简单，施工速度快。
在烧变岩直接露头与隐伏露头之间的中间区域，烧变岩没有空膛和悬顶，裂隙发育程度不及烧变岩隐伏露头，采用水泥单液浆注浆。比起水泥-粉煤灰混合浆，水泥单液浆和易性好，制浆速度快，注浆量适中，单孔注浆量约为100～200t水泥。比起水泥-水玻璃双液浆，注浆工艺简单，浆液扩散距离较远，帷幕隔水效果好，注浆速度快。
2)双液浆注浆工艺简单，便于操作，可远距离注浆，适合帷幕注
本发明采用的双液浆注浆工艺是先高倍稀释水玻璃，再与水泥浆按体积比1:1的比例从孔口混合，这样，水玻璃稀释后遇水泥浆凝固的时间变长，因此无需在注浆孔孔口安装孔口逆止阀，简化了注浆工艺，水玻璃与水泥浆可采用同类型同档位的注浆泵。帷幕注浆帷幕线的长度一般较长，长度达数百甚至上千米，注浆孔数量多，如果采用常规的不稀释高浓度水玻璃、只调整水玻璃与水泥浆的体积比，一方面需要安装孔口逆止阀，以免浆液回流使注浆管凝固；另一方面需要频繁更换注浆泵，调整注浆泵档位，在注浆站与注浆孔距离远、注浆孔随时可能起压或跑浆的情况下，孔口与注浆站沟通不方便不及时，不利于现场施工人员大规模快速注浆，且高浓度水玻璃冲洗管路的时间长。
3)帷幕中间段注浆时先内排后外排，有利于工作面超前疏放水，提高了帷幕防渗效果
本发明帷幕中间段注浆时先注内排孔，再注外排孔。这样内排帷幕孔注浆后，浆液在烧变岩裂隙中能提前凝固形成结石体，有一定的强度。此时若工作面回采接续紧张，可以超前进行疏放水，疏放水中内排孔浆液能抵挡外部补给水源的水流压力，不会被水流带走。同时，超前疏放水能起到排间引流注浆作用，外排孔注浆时浆液随水流从内排帷幕残余裂隙中流过时，井下疏放水见到稀浆关闭阀门停止放水，能补充注浆，提高帷幕的防渗效果。
附图说明
图1是烧变岩帷幕平面布置示意图
图2是烧变岩外排帷幕剖面示意图；
图3是烧变岩帷幕垂向剖面示意图；
图中，1.烧变岩直接露头，2.沟谷，3.火烧区边界，4.烧变岩隐伏露头，5.水库，6.工作面切眼，7.内排帷幕钻孔，8.外排帷幕钻孔，9.烧变岩直接露头区，10.烧变岩隐伏露头区，11.实煤体，12.工作面回采煤层，13.工作面顶板岩层，14.烧变岩，15.烧变岩顶板新鲜岩层，16.风化基岩，17.土层，18.风积沙，19.烧变岩水位，20.实煤体钻孔，21.帷幕内钻孔，22.帷幕外钻孔。
具体实施方式
陕北矿区某矿为侏罗系延安组煤层，煤层构造简单倾角小，为近水平煤层，因地表沟壑发育，5-2煤、4-2煤、3-1煤及2-2煤均有烧变现象。其中4-2煤平均厚度约3.63m，沟谷中其烧变岩发育高度约15～20m。该矿井田中部的4-2煤烧变岩与水库直接接触，4-2煤下面5-2煤为未烧变的完整煤层。4-2煤烧变岩受水库水补给富水性强，下距5-2煤约75m，5-2煤厚度约6m，5-2煤工作面回采后导水裂隙带会发育至4-2煤烧变岩，4-2煤火烧区烧变岩中的水对下部5-2煤工作面安全的威胁很大。
为了5-2煤工作面安全回采，需要在其顶板4-2煤烧变岩中做一道帷幕，通过注浆将烧变岩补给水源切断，将水库水阻拦在帷幕之外。根据工作面布置和地形地质条件，帷幕为直线型帷幕。由于地形地质条件的特殊性，该帷幕一头为4-2煤烧变岩的直接露头，一头为火烧区与4-2实煤体边界的烧变岩隐伏露头。
参见图2和图3，帷幕注浆工作区的地层自工作面所回采的5-2煤开始往上依次为：5-2煤12、5-2煤煤层顶板13、烧变岩14、烧变岩顶板新鲜基岩15、基岩风化带16、土层17、风积沙18，烧变岩14含水层中有自然水位19。
本发明提供的一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法，具体包括下述步骤：
1、通过野外踏勘，确定工作区烧变岩直接露头1，之后采用磁法勘探，在工作区内圈定火烧区与实煤体11之间的火烧区边界线3；
2、参见图1和图3，根据矿井采掘面与烧变岩14、水库5之间的空间关系，确定烧变岩帷幕线的平面位置和垂向位置。
帷幕线为线型，帷幕线平面上横跨烧变岩直接露头1与实煤体11边界处的烧变岩隐伏露头4，将水库5隔在帷幕线以外，帷幕线离开工作面岩层移动角在地面位置影响范围以外，内排帷幕孔7距离工作面切眼6外侧约50m。帷幕孔垂向上自上而下穿过烧变岩14进入烧变岩底板的工作面顶板岩层13中5m以上。
3、帷幕线在火烧区边界3处要向实煤体11方向延伸，延伸距离超过边界线50m，在烧变岩直接露头1方向帷幕线要布置到沟谷2边缘。
4、沿着帷幕线布置内排帷幕钻孔7和外排帷幕钻孔8，同排帷幕注浆孔之间的孔间距为10m，两排帷幕之间的排间距为8.66m，两排帷幕相邻钻孔的孔位错开交错布置，按正三角形方式布置。
5、参见图1，在火烧区边界3实煤体11一侧50m范围内施工烧变岩与实煤体边界处钻孔，钻孔布置方法同烧变岩区域，精确探明烧变岩在帷幕线上的边界。在边界处烧变岩区域内加密布置注浆孔，在两排帷幕钻孔之间的烧变岩段布置2个帷幕内钻孔21，钻孔布置在两排帷幕孔三角形的中心。在帷幕线内排7和外排8外侧按10m排间距错开呈三角形共布置3个帷幕外钻孔22。
6、在烧变岩14与实煤体11处的隐伏露头4约70m段，采用水泥-粉煤灰混合浆进行注浆，水泥与粉煤灰重量比1:2，水泥与粉煤灰总重量与水的重量比为1:1，即水泥、粉煤灰、水的重量比为1:2:3。
注浆中单孔吃浆量在500t以内钻孔升压达到注浆结束标准，采用不间歇的连续注浆法。单孔吃浆量超过500t未升压达到注浆结束标准，注浆时采用间歇式注浆法，注入30分钟停注30分钟，如此循环往复，直至达到注浆终止标准。
7、在烧变岩直接露头1处边缘50m段，采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆。水玻璃波美度为35°Bé，注浆前加4倍体积的水进行稀释，然后和水泥浆按体积1:1注入钻孔中。出现跑浆后立即停注60分钟，之后再继续注浆。如此循环往复，直至达到注浆终止压力。
8、在烧变岩隐伏露头区10和烧变岩直接露头区9之间的中部区域，采用水泥单液浆进行注浆，水灰比为1:1。
同步骤6，吃浆量不超过500t采用连续注浆方法，吃浆量超过500t未起压达标采用间歇式注浆方法，直至注浆施工达到注浆结束标准。
9、按照烧变岩地质条件采用分区注浆方法，烧变岩帷幕线不同区段按不同注浆材料及工艺完成注浆后，整个烧变岩帷幕注浆工程结束。
Claims (3)
1.一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法，其特征在于：依次包括下述步骤：
1)圈定火烧区与实煤体之间的边界线；
2)确定烧变岩帷幕线的平面位置和垂向位置，帷幕线为线状，帷幕线平面上横跨烧变岩直接露头与实煤体边界处的隐伏露头，将烧变岩补给水源隔在帷幕线以外，帷幕线垂向上自上而下穿过完整烧变岩进入烧变岩底板新鲜基岩以下5m；
3)帷幕线在火烧区边界处要向实煤体方向延伸，延伸距离超过边界线50m以上，在烧变岩直接露头方向帷幕线要布置到沟谷边缘；
4)在帷幕线上布置两排帷幕注浆孔，两排帷幕钻孔的孔位交错布置；同排帷幕注浆孔之间的孔间距为10～15m，两排帷幕之间的排间距为8.66～12.99m，两排帷幕相邻钻孔的孔位错开，按正三角形方式布置；
5)在火烧区边界线实煤体一侧50m范围内施工烧变岩与实煤体边界处钻孔，钻孔布置方法同烧变岩区域，精确探明烧变岩在帷幕线上的边界，同时在边界处烧变岩区域内加密布置注浆孔，在两排帷幕钻孔之间的烧变岩段增加2～3个帷幕内钻孔(21)，钻孔布置在两排帷幕孔三角形的中心，孔间距10～15m，在帷幕线外以8.66～12.99m排间距，按与帷幕钻孔呈正三角形每侧布置1～2个帷幕外钻孔(22)；
6)在烧变岩与实煤体处的隐伏露头60～80m段，采用水泥-粉煤灰混合浆进行注浆：水泥与粉煤灰重量比1:1～1:2，水泥与粉煤灰总重量与水的重量比为1:1，即水泥、粉煤灰、水的重量比为：1:1:2～1:2:3；
7)在烧变岩直接露头处边缘40～60m段，采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆：水玻璃波美度为35～40°Bé，注浆前加3～4倍体积的水进行稀释，然后和水泥浆按体积1:1从孔口混合注入钻孔中，出现跑浆后立即停注30～60分钟，之后再继续注浆，如此循环往复，直至达到注浆终止压力；
8)烧变岩隐伏露头区和烧变岩直接露头区之间的中部区域，采用水泥单液浆进行注浆，水灰比为0.8:1～1:1，直至达到注浆终止压力；本区域两排帷幕注浆孔的总体施工顺序是先注内排孔，再注外排孔；
9)采用分区注浆方法，不同区段按不同注浆材料及工艺完成注浆后，整个烧变岩帷幕注浆工程结束。
2.如权利要求1所述的一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法，其特征在于：所述步骤6)或8)中，单孔吃浆量在500t以内未升压达到注浆结束标准，采用连续注浆法。
3.如权利要求1所述的一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法，其特征在于：所述步骤6)或8)中，单孔吃浆量超过500t，注浆时采用间歇式注浆法，注入30～40分钟停注30～20分钟，如此循环往复，直至达到注浆终止压力。
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