CN108825264B - 一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井防治水技术领域，具体涉及一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法。本发明要解决现有帷幕注浆中存在的钻探工程量大、钻探费用高、钻孔不能在烧变岩中连续钻进、效果检查孔可能有漏点、钻场占地多等问题。提供的方法，主要包括下述步骤：（1）布置帷幕线；（2）在帷幕线上等间距布置一排垂直孔；（3）采用孔口封闭注浆工艺，按照钻孔序次对烧变岩含水层进行注浆，（4）帷幕线上所有垂直孔完成钻探和注浆后，布置1~N个近水平定向钻孔，所述定向钻孔的水平段布置1~N层。本发明具有下述优势：钻场占地少，钻探工程量小，钻探工程成本低，钻场选择多，帷幕检查及补充注浆的效果好。

Description

一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法

技术领域

本发明属于矿井防治水技术领域，具体涉及一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法。

背景技术

我国西北地区煤层烧变岩比较发育，如新疆和陕北的部分矿区，由于煤层露头浅，地表沟谷发育，因此煤层自燃后存在烧变岩现象。煤层燃烧顶板垮塌后，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、河流或其他含水层时，烧变岩裂隙会充水，并成为强含水层。煤系地层一般为多煤层，若近水平煤层的上层煤烧变后下方仍有可采煤层进行采掘活动，烧变岩有可能成为充水水源，威胁矿井安全和正常生产。此时要阻止烧变岩水进入到矿井采掘系统，可在烧变岩含水层中布置一条帷幕线，对烧变岩进行帷幕注浆，将烧变岩的补给水源隔开在帷幕以外。

目前烧变岩中帷幕注浆的方法是在地面布置两排帷幕孔，钻孔为垂直孔，采用常规回转钻探方法成孔并通过垂直孔进行注浆。目前这种帷幕注浆方法的缺点是：双排帷幕钻探工程量大，钻探费用高；钻孔以垂直间断式与烧变岩层位接触，不能在烧变岩层位中连续钻进，帷幕效果检查可能有漏点；垂直孔在烧变岩上部地层的无效进尺多；钻场钻孔施工用地面积大。

发明内容

本发明提供一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法，解决现有帷幕注浆中存在的钻探工程量大、钻探费用高、钻孔不能在烧变岩中连续钻进、效果检查孔可能有漏点、钻场占地多等问题。

为达到本发明的目的，本发明提供的技术方案为：一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法，依次包括下述步骤：

1、根据烧变岩补给水源与矿井采掘面的空间关系，在地面布置一条直线型帷幕线，从平面上将矿井采掘面与补给水源隔开。

2、在帷幕线上等间距布置一排钻孔，钻孔为垂直孔，钻孔注浆套管进入到烧变岩顶部新鲜基岩中，裸孔段孔深钻至烧变岩底板以下新鲜基岩中。

3、采用孔口封闭注浆工艺，按照钻孔序次对烧变岩含水层进行注浆，注浆材料采用水泥单液浆、水泥-粉煤灰混合浆及水泥-水玻璃双液浆等，注浆终止压力为4MPa，注浆终止泵量≤60l/min，稳压时间≥30min。

4、帷幕线上所有垂直孔完成钻探和注浆后，布置1～N个近水平定向钻孔，定向钻孔开孔位置可在帷幕线延长线上或偏出帷幕线与其垂直距离为5～10m，相邻两个定向孔之间既可以面对面钻探也可以朝一个方向钻探，所述定向钻孔的水平段布置1～N层，定向钻孔的水平段平面投影在帷幕线上，覆盖帷幕全长并超出帷幕线两端孔位各5m；每层水平段位于该层烧变岩底部平均标高以上2～3m，同层各定向钻孔相邻水平段的重合搭接长度不小于5m，定向钻孔注浆套管进入到烧变岩上部新鲜基岩中。

5、定向钻孔的水平段钻进过程中对垂直孔注浆效果进行检验，并进行补充注浆。补充注浆采用孔口封闭前进式分段注浆法，注浆材料为水泥浆，注浆终止标准同步骤3，直至水平段全部完成钻探和注浆。

上述步骤4，帷幕线长度小于等于500m，布置1个定向钻孔。

上述步骤4，帷幕线长度超过500m，则每500m设置一个定向钻孔，超出部分增设一个。

上述步骤4，若垂向上烧变岩的厚度小于15～20m，所述定向钻孔的水平段为一层。

上述步骤4，若烧变岩厚度为15～20m的两到三倍，所述定向钻孔的水平段为双层或三层，定向钻孔的第二层和第三层采用分支井技术，从原定向孔的造斜段中侧钻分出各分支孔的水平段。

本发明在现有钻探技术的基础上，提出了单排垂直孔加定向水平孔的帷幕注浆方法，在帷幕墙体厚度能满足水压的前提下，本方法的优点如下：

1)钻场占地少，钻场选择多

采用常规的双排帷幕法，还需要再施工整整一排帷幕垂直孔，垂直孔钻孔数量为几十甚至上百个，钻场占地面积大，采用本发明方法，只需要几个定向钻孔即可完成全部效果检查及补充注浆工作，比较之下，本发明钻场占地面积远远少于垂直孔。采用方法，定向钻孔的开孔位置可以不放在帷幕线上，可在帷幕左右两侧一定范围布置钻场，能够避开恶劣地形、树木花草及人工构筑物，钻场的选择余地多。

2)钻探工程量小

取垂直孔间距为10m，烧变岩厚度为20m，垂直孔的深度为80m，定向钻孔在烧变岩中钻进10m，垂直孔要施工80m深，且80m钻孔中每个钻孔都需要下孔口管，虽近定向钻孔有一段造斜段，但造斜段长度远小于稳斜后的水平段长度，因此即使定向钻孔加上造斜段，钻探工程量也远远小于垂直孔。

3)钻孔有效进尺段比例高

垂直孔除了在烧变岩层位中的垂直段外，其余绝大部分在烧变岩顶部岩层中，而定向钻孔除了开孔和造斜段，钻孔绝大部分在烧变岩中连续钻进，钻孔有效进尺段长，有效进尺段比例高，且烧变岩埋深越大，有效进尺段比例越高。

4)钻探工程成本低

由于垂直孔的钻探工程量远大于定向钻孔，虽定向钻孔的每延米单位成本高于普通垂直孔，但总体比较，定向钻孔的施工成本要低于垂直孔。随着定向钻探技术的不断发展，定向钻孔的施工成本将越来越低，两者之间的差距会越来越大。

5)帷幕检查及补充注浆的效果好

常规的双排帷幕是垂直钻探和垂直注浆方式，第一排帷幕完成后，钻孔之间可能会出现浆液未扩散到、未搭接好的漏水间隙，定向钻孔在单排垂直孔的基础上，从水平维度揭露烧变岩，能连续多回次在烧变岩层位中水平段进，后续水平段钻进中能不断对前序水平段的注浆效果进行检查并补充注浆，比起垂直孔以垂直间断式与烧变岩层位接触，本发明帷幕检查及补充注浆的效果好。

附图说明

图1是烧变岩帷幕注浆工程钻孔平面示意图；

图2是烧变岩帷幕注浆工程沿帷幕线方向剖面示意图；

图3是烧变岩帷幕注浆工程垂直帷幕线方向剖面示意图；

图4是烧变岩帷幕工程定向水平孔结构示意图。

图中，1.工作面，2.水库，3.垂直孔，4.定向钻孔钻场，5.定向钻孔，6.定向钻孔一开孔口管，7.定向钻孔二开套管，8.定向钻孔三开裸孔段，9.定向钻孔造斜段，10.定向钻孔水平段，11.工作面煤层，12.工作面煤层顶板，13.烧变岩底板新鲜基岩，14.烧变岩，15.烧变岩顶板新鲜基岩，16.基岩风化带，17.土层，18.风积沙，19.烧变岩含水层水位，21.工作面切眼，22.工作面巷道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

陕北矿区某矿为侏罗系延安组煤层，地质构造简单，煤层倾角小，为近水平煤层，因地表沟壑发育埋深浅，井田内多层煤均有烧变现象。主采煤层中4^-2煤平均厚度约3.63m，井田中部4^-2煤烧变后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。根据烧变岩露头观测，4^-2煤烧变岩平均厚度约15～20m，受水库水补给富水性强。4^-2煤底板下距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煤烧变岩中做一道注浆帷幕，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，帷幕为直线形帷幕。

参见 图2、3、4，注浆工作区的地层自工作面所回采的5^-2煤往上依次为：5^-2煤11、5^-2煤煤层顶板12、烧变岩底板新鲜基岩13、4^-2煤烧变岩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含水层中的有水位19。

本发明提供的一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法，具体包括下述步骤：

1、参见图1，根据4^-2煤烧变岩14的补给水源水库2与矿井工作面1之间的空间关系，在地面布置一条直线型帷幕线，将工作面1与水库2隔开。

2、在帷幕线上按10m间距布置一排垂直孔3，钻孔3开口孔径为Φ153㎜，套管管径为Φ127×6㎜，注浆套管要求进入到烧变岩顶部新鲜基岩15中，钻孔裸孔段孔径Φ108㎜，孔深至烧变岩14底板以下新鲜基岩13中5m。钻探中使用普通车载或台式钻机，采用常规钻进方法完成垂直孔3的钻探作业。

3、施工垂直孔3，对烧变岩含水层14进行钻探和注浆，垂直孔3施工时采用跳孔穿插的分序次注浆方法，序次共分为三序次，先隔3个孔位注一序次孔，一序次孔完成后中间隔 1个孔位穿插钻注二序孔，二序次孔完成后再中间穿插钻注三序次孔。

垂直孔3注浆方法为孔口封闭注浆，注浆材料采用水泥单液浆、水泥-粉煤灰混合浆及水泥-水玻璃双液浆等，注浆终止压力为4MPa，注浆终止泵量≤60l/min，稳压时间≥30min。

4、帷幕线上所有垂直孔3完成钻探和注浆后，帷幕线长度为800m，在钻场4上布置2个定向钻孔5，烧变岩的厚度为15～20m，所述定向钻孔水平段10布置1层，定向钻孔5的水平段10平面投影在帷幕线上，覆盖帷幕全段并超出帷幕外端孔位5m，上述2个定向钻孔 5的水平段10重合搭接长度为6m。垂向上水平段10位于烧变岩底板平均高程以上2～3m处。

帷幕线两端的钻场既可以在帷幕线延长线上，也可以在帷幕线延长线的两侧，帷幕中部的钻场必须在距离帷幕线的垂直距离5～10m处，以使钻场中的造斜段能避开已施工垂直孔段的套管顺利进入烧变岩层位中。相邻两个定向孔之间既可以面对面钻探也可以朝一个方向钻探。

本实施例给出的示意图是帷幕线两端某一侧钻场在帷幕线延长线上、中部的钻场在距离帷幕线的垂直距离5～10m处且相邻两个定向孔之间朝一个方向施工的情况。

采用煤矿坑道定向钻机施工定向钻孔5，钻孔5的钻孔结构为一开孔径Φ193㎜，一开套管6为Φ168×6㎜，穿过风积沙18和土层17进入基岩风化带16；二开孔径Φ146㎜，二开套管7为Φ127×6㎜，穿过基岩风化带16进入烧变岩14顶部新鲜基岩15中，三开孔径Φ98㎜，三开定向造斜段9穿过新鲜基岩15钻进至烧变岩14中，三开裸孔段8的水平段10在烧变岩14底板平均高程2～3m处。

5、定向钻孔5的水平段10钻进过程中对垂直孔3注浆效果进行检验，并对垂直孔3所形成的注浆帷幕进行补充注浆。若钻进至烧变岩14中后冲洗液无消耗无漏失，则垂直孔3帷幕效果良好，若钻进至烧变岩14中后冲洗液消耗和漏失较大则需要补充注浆。定向钻孔5揭露烧变岩14中的水平段10后，采用前进式分段注浆方法，若冲洗液漏失量≥5m³/h，则起钻进行注浆；若冲洗液漏失量＜5m³/h，则钻孔水平段10每50～100m进行一次注浆，直至水平段10全部完成注浆。

近水平定向钻孔5补充注浆时注浆材料为水泥浆，注浆终止压力、注浆终止泵量和稳压时间等注浆终止参数同步3。

Claims (1)

1.一种浅埋近水平烧变岩含水层的帷幕注浆方法，依次包括下述步骤：

(1)根据烧变岩补给水源与矿井采掘面的空间关系，在地面布置一条直线型帷幕线，从平面上将矿井采掘面与补给水源隔开；

(2)在帷幕线上等间距布置一排钻孔，钻孔为垂直孔，钻孔注浆套管进入到烧变岩顶部新鲜基岩中，裸孔段孔深钻至烧变岩底板以下新鲜基岩中；

(3)采用孔口封闭注浆工艺，按照钻孔序次对烧变岩含水层进行注浆，注浆材料采用水泥单液浆、水泥-粉煤灰混合浆及水泥-水玻璃双液浆，注浆终止压力为4MPa，注浆终止泵量≤60l/min，稳压时间≥30min；

(4)帷幕线上所有垂直孔完成钻探和注浆后，布置1～N个近水平定向钻孔，定向钻孔开孔位置在帷幕线延长线上或偏出帷幕线与其垂直距离5～10m，相邻两个定向孔之间面对面钻探或朝一个方向钻探，所述定向钻孔的水平段布置1～N层，定向钻孔的水平段平面投影在帷幕线上，覆盖帷幕全长并超出帷幕线两端孔位各5m；每层水平段位于该层烧变岩底部平均标高以上3m，同层各定向钻孔相邻水平段的重合搭接长度不小于5m，定向钻孔注浆套管进入到烧变岩上部新鲜基岩中；

(5)定向钻孔的水平段钻进过程中对垂直孔注浆效果进行检验，并进行补充注浆；补充注浆采用孔口封闭前进式分段注浆法，直至水平段全部完成钻探和注浆；

所述步骤(4)，帷幕线长度小于等于500m，布置1个定向钻孔；

所述步骤(4)，帷幕线长度超过500m，则每500m设置一个定向钻孔，超出部分增设一个；

所述步骤(4)，垂向上烧变岩的厚度小于20m，所述定向钻孔的水平段为一层；

所述步骤(4)，烧变岩厚度为15～20m的两到三倍，所述定向钻孔的水平段为双层或三层，定向钻孔的第二层和第三层采用分支井技术，从原定向孔的造斜段中侧钻分出各分支孔的水平段。

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