CN114233338A - 一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，包括如下步骤；S1：获取拟改造区域的煤层相关松散含水层的特征信息，所述特征信息包括坐标位置、组分、深度位置以及层高；S2：根据相关松散含水层的特征信息，设计松散含水层的挤压劈裂注浆骨架，本发明以计算机建模为基础，拟通过注浆法设计构建松散含水层的挤压劈裂注浆骨架，支撑煤层相关的松散地层，使得松散含水层改造成弱富水性隔水层，有利于后续相关煤层的开采，安全性和经济性高；本发明进一步在注浆作业同时进行抽水作业，注浆压力与抽水压力相适应，抽水过程中造成松散含水层间隙负压有利于注浆的同时便于检查观测注浆情况。
Description
技术领域
本发明涉及含水层改造技术领域，具体是一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺。
背景技术
目前煤矿资源开发越来越多，不可避免造成资源相对贫乏，而传统的煤矿区内松散含 水层下煤柱压煤量大，通过近年来的大量试采研究发现部分松散含水层富水性弱，渗流条 件差，可以通过注浆改造的方法将松散含水层变为有效隔水层或者接近疏干的Ⅲ类水体， 留设防塌安全煤(岩)柱开采，在确保安全的前提下，解放浅部松散含水层的煤柱资源；
近些年来出现了一些注浆工艺，然而大多注浆工艺只适用特点条件下的含水层改造， 不利于推广，而且注浆效果和经济性不理想，发明人长期从事煤矿开采研究，根据大量的 注浆改造实践，总结经验并创造性地提出了一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，保障 安全性的前提下，提高经济效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：对松散含水层下煤柱压煤量大的煤矿资源，进行注浆 改造，保障安全性的前提下，提高经济效益。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，包括如下步骤，
S1：获取拟改造区域的煤层相关松散含水层的特征信息，所述特征信息包括坐标位置、 组分、深度位置以及层高；
S2：根据相关松散含水层的特征信息，设计松散含水层的挤压劈裂注浆骨架，并模拟 计算基于水岩耦合作用下松散含水层注浆组分、区域位置和以及注浆量；
S3：钻孔、制备注浆料以及注浆作业，并跟踪检测以及调整，直至注浆完成；
S4：松散含水层注浆改造效果检验与评价。
本发明以计算机建模为基础，拟通过注浆法设计构建松散含水层的挤压劈裂注浆骨 架，支撑煤层相关的松散地层，使得松散含水层改造成弱富水性隔水层，有利于后续相关 煤层的开采，安全性和经济性高；
作为本发明的进一步技术方案：
所述S1包括如下步骤：
S101、勘探钻孔取芯；S102、取芯岩性分析获得相关松散含水层的特征信息。
作为本发明的再进一步技术方案：
所述S2包括如下步骤：
S201、根据相关松散含水层的特征信息进行松散含水层建模；
S202、松散含水层建模中设计注浆后的挤压劈裂注浆骨架，支撑松散含水层；
S203、模拟计算基于水岩耦合作用下构建挤压劈裂注浆骨架，注浆改造的注浆组分、 位置以及注浆量。
本发明具体应用建模技术，并拟设计注浆后的挤压劈裂注浆骨架，支撑松散含水层， 模拟计算基于水岩耦合作用下构建挤压劈裂注浆骨架所需注浆改造的注浆组分、位置以及 注浆量；
作为本发明的再进一步技术方案：
所述S3中注浆作业同时注浆点附近进行抽水，且注浆压力与抽水压力相适应。
本发明进一步在注浆作业同时进行抽水作业，注浆压力与抽水压力相适应，抽水过程 中造成松散含水层间隙负压有利于注浆的同时，便于检查观测注浆情况；
作为本发明的再进一步技术方案：
所述S3包括如下步骤：
S301、根据S2计算结果，将待改造的松散含水层划分为若干注浆子区域；
S302、在注浆子区域内根据注浆区域位置布置注浆钻孔，在富水区以及边界加密布置；
S303、注浆作业试验以及准备；
S304、注浆作业，并跟踪检测和相应调整，直至注浆完成。
本发明将注浆目标分解，灵活布置注浆钻孔，便于把控注浆质量，在注浆前进行注浆 作业试验以及准备，确保注浆顺利进行，有利于稳步推进构建挤压劈裂注浆骨架；
作为本发明的再进一步技术方案：
S302、注浆区域位置内注浆钻孔的布置方式包括均匀间隔式、中间开花式以及长短腿 错位式；
均匀间隔式为等距离间隔布置注浆钻孔；
中间开花为为中部布置注浆钻孔，在中部注浆钻孔外围以其为圆心布置注浆钻孔，且 中部注浆孔径大于周围注浆钻孔；
长短腿错位式为相关注浆钻孔的钻孔深度高低错位；
本发明根据现场实际灵活设计了均匀间隔式、中间开花式以及长短腿错位式的注浆钻 孔布置方式，均匀间隔式有利于大面积稳固注浆改造，中间开花式以及长短腿错位式使得 注浆料得到充分利用，经济性好；
作为本发明的再进一步技术方案：
所述S303、所述注浆作业试验包括注前压水试验和水文观测，所述注浆作业准备包括 注浆料制备、稀料试注以及抽水准备
注浆作业试验有利于注浆作业前的注浆分析，掌握注浆经验，便于注浆顺利推进，有 利于提高注浆改造效果。
作为本发明的再进一步技术方案：
所述S304、注浆作业中，注浆钻孔进行注浆的同时该注浆点附近抽水并间隔进行取样 检测，抽水井借用注浆钻孔。
本发明根据现场实际情况，在不方便进行抽水钻井时，利于附近的注浆钻孔进行抽水， 有利于在松散含水层内部形成负压，便于后续注浆的顺利推进，实现松散含水层内部动态 平衡，有利于松散含水层的结构稳定性，进而提高注浆改造后挤压劈裂注浆骨架的稳定性。
作为本发明的再进一步技术方案：
所述S304、注浆作业中出现注浆钻孔之间窜浆时，采用窜浆处置方案，窜浆处置方案 包括被动间隔注浆方案以及主动阻隔注浆方案；
所述被动间隔注浆方案是在注浆钻孔之间窜浆时采取分区、分时段注浆作业以及注浆 与钻孔错开；
所述主动阻隔注浆方案包括混凝土阻隔方案以及钢板桩阻隔方案
混凝土阻隔方案是采用在窜浆注浆钻孔之间钻孔，并注入适量混凝土；
钢板桩阻隔方案是采用在窜浆注浆钻孔之间压入钢板桩。
本发明在注浆过程中，遇到注浆钻孔之间窜浆时采取的处置措施，一方面便于应急处 理窜浆造成的经济性损失，另一方面便于在松散含水层内阻隔，使得注浆顺利推进，阻隔 同时实现注浆部分连通，使得松散含水层改造具备整体性。
作为本发明的再进一步技术方案：
在含水层边界或挤压劈裂注浆骨架节点位置进行主动阻隔注浆方案，有效节约注浆 料，提高经济性和安全性。
作为本发明的再进一步技术方案：
所述注浆料为水泥基粉煤灰化学浆液；所述水泥基粉煤灰化学浆液包括水泥、水、粉 煤灰以及辅料组分；所述辅料组分包括着色剂、固化剂、膨胀剂、导水剂以及早强剂；着色剂包括靓蓝以及品红；所述固化剂包括水玻璃、消石灰、烧碱以及熟石膏；所述早强剂 包括氯化钠、氯化钙、氯化铝和氯化锂；所述导水剂包括气相二氧化硅、纳米二氧化钛以 及活性氧化铝粉；所述膨胀剂为复合高分子组合物，膨胀剂包括聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲 基丙烯酰胺以及丙烯腈一种或多种组合物。
注浆料以水泥和粉煤灰为主料，辅料组分包括着色剂、固化剂、膨胀剂、导水剂以及 早强剂，提高注浆效果；
作为本发明的再进一步技术方案：
S4中松散含水层注浆改造效果检验与评价包括钻孔取芯成分对比分析、水位观测、压 水试验、抽水试验以及地面变形监测与分析；
钻孔取芯成分对比分析包括注浆前后挤压劈裂注浆骨架上节点位置取样对比以及
松散含水层内挤压劈裂注浆骨架外检测点取样对比。
S4中松散含水层注浆改造效果评价是根据上述松散含水层注浆改造效果检验建模，对 含水层改造为隔水层后的富水性评价与采动等级划分、煤层的覆岩类型力学测试以及改造 后煤岩柱类型的确定与安全测试。
本发明在注浆结束后对松散含水层注浆改造效果检验与评价，有利于指导后续相关煤 层的开采。
与现有技术相比，本发明具有以下几个方面的有益效果：
1、本发明提供一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，本发明以计算机建模为基础， 拟通过注浆法设计构建松散含水层的挤压劈裂注浆骨架，支撑煤层相关的松散地层，使得 松散含水层改造成弱富水性隔水层，有利于后续相关煤层的开采，安全性和经济性高；
2、本发明进一步在注浆作业同时进行抽水作业，注浆压力与抽水压力相适应，抽水 过程中造成松散含水层间隙负压有利于注浆的同时，便于检查观测注浆情况；
3、本发明根据现场实际灵活设计了均匀间隔式、中间开花式以及长短腿错位式的注 浆钻孔布置方式，均匀间隔式有利于大面积稳固注浆改造，中间开花式以及长短腿错位式 使得注浆料得到充分利用，经济性好；
4、本发明进行注浆作业试验有利于注浆作业前的注浆分析，掌握注浆经验，便于注 浆顺利推进，有利于提高注浆改造效果；
5、本发明根据现场实际情况，在不方便进行抽水钻井时，利于附近的注浆钻孔进行 抽水，有利于在松散含水层内部形成负压，便于后续注浆的顺利推进，实现松散含水层内 部动态平衡，有利于松散含水层的结构稳定性，进而提高注浆改造后挤压劈裂注浆骨架的 稳定性。
6、本发明在注浆过程中，遇到注浆钻孔之间窜浆时采取的处置措施，一方面便于应 急处理窜浆造成的经济性损失，另一方面便于在松散含水层内阻隔，使得注浆顺利推进， 阻隔同时实现注浆部分连通，使得松散含水层改造具备整体性；在含水层边界或挤压劈裂 注浆骨架节点位置进行主动阻隔注浆方案，有效节约注浆料，提高经济性和安全性；
7、本发明注浆料以水泥和粉煤灰为主料，辅料组分包括着色剂、固化剂、膨胀剂、导水剂以及早强剂，经济效益好且满足注浆效果，另外本发明在注浆结束后对松散含水层注浆改造效果检验与评价，有利于指导后续相关煤层的开采。
附图说明
图1为一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺中流程示意图；
图2为一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺实施例一中注浆制作的流程示意图；
图3为一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺实施例二中注浆制作的流程示意图；
图4为一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺实施例二中注浆制作的流程示意图；
图5为1010区段地面位置图；
图6为1010区段地面周边附属物分布图；
图7为1010区段周边范围地质平面图；
图8为1010区段水文地质剖面图(ⅠⅠ＇线)；
图9为1010区段水文地质剖面图(ⅡⅡ＇线)；
图10为1010区段水文地质剖面图(ⅢⅢ＇线)；
图11为1010区段水文地质剖面图(ⅣⅣ＇)；
图12为1010区段水文地质剖面图(ⅤⅤ＇)；
图13为1010区段周边钻孔分布图；
图14为30-10孔“四含”、风化带结构及岩性示意图；
图15为监测点布置示意图；
图16为场地内监测点竖向位移等值线图；
图17为场地内外监测点竖向位移等值线图；
图18为场地内监测点竖向位移曲线；
图19为东线监测点竖向累计位移曲线；
图20为北线监测点竖向累计位移曲线；
图21为南线监测点竖向累计位移曲线；
图22为西线监测点竖向累计位移曲线；
图23为周期性地表变形量与注浆量关系曲线；
图24-1至24-3为J4孔253m～254m岩芯中的层状和脉状水泥图片；
图25为B1孔岩芯中的柱状水泥粉煤灰图片；
图26为B1孔岩芯中的碎块状水泥图片；
图27-1至27-2为B2孔岩芯中的碎块状水泥图片；
图28为J4孔“四含”+基岩抽水试验水位水量历时曲线；
图29为B1孔“四含”抽水试验水位水量历时曲线；
图30为B1孔“四含”+基岩风化带含水层抽水试验水位水量历时曲线；
图31为水J15孔“四含”水位历时曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-31，本发明以五沟煤矿一采区(以下简称1010区段)松散含水层注浆改造为例：
五沟煤矿煤炭资源匮乏，而松散含水层下煤柱压煤量大，通过近年来的大量试采研究 发现松散含水层的富水性弱，渗流条件差，拟通过注浆改造将松散含水层变为有效隔水层 或者接近疏干的Ⅲ类水体，留设防塌安全煤(岩)柱开采，在确保安全的前提下，解放浅 部松散含水层下的煤柱资源，选取五沟煤矿一采区进行松散含水层注浆改造试验；
该项目的松散含水层注浆改造施工工艺，包括如下步骤，
S1：获取拟改造区域的煤层相关松散含水层的特征信息，所述特征信息包括坐标位置、 组分、深度位置以及层高；
所述S1包括如下步骤：S101、勘探钻孔取芯；S102、取芯岩性分析获得相关松散含水层的特征信息；根据勘探钻孔取芯以及岩性分析获得；五沟煤矿一采区改造区域的煤层相关松散含水层的特征信息；
勘探取芯分析显示五沟煤矿相关含水层自上而下可划分为四个含水层(组)，简称“四 含”；
(1)第一含水层(组)
一般自地表垂深3～5m起，底板埋深15.85～49.20m左右，平均30.10m，含水砂层总厚3.25～21.70m，平均12.60m。岩性以浅黄色、土黄色粉砂、粘土质砂、细砂为主，夹1～ 4层粘土或砂质粘土。砂层结构松散，成分以石英、长石为主，次为云母，具水平层理， 粘土中含砂姜及铁锰质结核。垂深20m左右普遍发育有一层灰黑色富含腐植质的粘土或砂 质粘土，厚约1～1.5m，含螺蚌化石或碎片，近地表0.50m为褐黄色耕植土壤。
据相邻任楼矿45-4孔抽水试验资料：静止水位标高24.12m，S＝10.79m，Q＝5.20L/s， q＝0.482L/(s·m)，k＝3.09m/d，水化学类型HCO3-Na·Mg型，矿化度为0.535g/L。
水样分析资料：水化学类型为HCO3-Ca·Na型或HCO3-Na型、HCO3-Na·Ca型，矿化度0.368～1.030g/L，PH值7.30～8.30，全硬度11.69～16.85德国度，水质较好。
由区域水文资料表明，一含分布稳定，水质较好，富水性较强，开采条件简单。区内灌溉机井多开凿于此层内，水量30～50m3/h。一含水可作为五沟煤矿工业和生活饮用水的水源。
该组上部为潜水，下部水具弱承压性，为一复合型潜水～弱承压含水层(组)。地下水主要补给来源为大气降水渗入，其次为侧向径流补给。一含水的排泄除蒸发和人工开采外，上部潜水经常排泄于河流。
(2)第二含水层(组)
底板埋深47.05～91.00m，平均71.21m。含水砂层厚1.85～25.30m，平均9.85m。岩性以土黄色、浅肉红色细砂、粉砂为主，夹2～3层粘土或砂质粘土。砂层结构松散，成 分以石英、长石为主，次为云母，分选性较好。五沟煤矿南部由于受童亭古潜山的控制， 处于河间阶地的沉积环境，岩性以粘土、砂质粘土为主，该砂层不太发育，分布不稳定， 厚度变化大且薄。局部地段仅有相应的层位，无明显的含水砂层存在。
据相邻矿井资料，二含水质较好，各项指标均能满足生活饮用水标准，可以作为供水 水源。局部因砂层厚度较小，富水性较弱。
本组为一孔隙型复合承压含水层，砂层发育分布不均，富水性也相对强弱不一。以层 间水平径流补给为主，在局部地带接受一含的越流补给，水位变化基本上与一含升降同步， 并滞后于一含。
(3)第三含水层(组)
底板埋深127.95～179.95m，平均158.99m。含水砂层厚1～65.60m，平均38.00m。岩性以土黄色、浅肉红色、棕红色、灰白色细砂、粉砂、中砂、粘土质砂为主，夹棕黄色、 浅肉红色及灰绿色粘土或砂质粘土3～5层，砂层结构松散，主要矿物成分为石英，次为 长石及云母片，分选性较差。本组中部有一层厚层粘土将含水层分为上、下两部；上部局 部含有1～3层透镜状钙质胶结的砂岩，厚1～3m，较坚硬，局部有溶蚀现象；上部砂层 单层厚度大，富水性较强。下部砂层不太发育，单层厚度较小，质不纯，含泥质量增高， 富水性较弱。
本组属孔隙类承压含水层，富水性中等，受区域水平径流补给。据相邻界沟矿13-6孔 和任楼5-25孔抽水资料，q＝0.546～0.274L/s·m，k＝1.6～1.85m/d，含水较丰富。三含上部 水质尚好，在一、二含水量不足时，三含上部水可以作为生活饮用水水源。三含下部水质 较差，不宜做生活饮用水水源。
(4)第四含水层(组)
底板埋深255.00～289.83m，平均272.88m。含水砂层厚度3.25～41.45m，平均18.18m。 “四含”沉积厚度受古地形控制。矿内30线以南的中部地段古冲沟地形低洼处，“四含”沉积 厚度较大，砂砾颗粒较粗。30线以北及东西两侧“四含”沉积厚度较小，“四含”厚度由北向 南、由东西两侧向中部逐渐增厚，富水性也由北向南、由东西两侧向中部逐渐增强。
五沟煤矿新生松散层自上而下可分为三个隔水层(组)，简称“三隔”；
(1)第一隔水层(组)
底板埋深33.50～75.20m，平均46.30m。隔水层厚4.60～30m，平均12.67m。岩性由土黄色、棕黄色及少量棕红色粘土或砂质粘土夹0～3层砂或粘土质砂组成，富含钙质或 铁锰质结核。粘土或砂质粘土质纯致密，可塑性较强。该层分布较稳定，一般隔水性能较 好，但在局部地带隔水层较薄，使其具有弱透水性。
(2)第二隔水层(组)
底板埋深66.85～113.35m，平均89.60m。隔水层厚度4.50～47.70m，平均16.70m。岩性由土黄色、棕黄色、浅棕红色及少量灰绿色粘土、砂质粘土夹1～2层薄层砂层组成。 隔水层一般塑性好，膨胀性强，结构致密，分布较稳定，隔水性能一般较好，但局部隔水 层薄弱地带隔水性能较弱，二、三含之间存在一定的水力联系。
(3)第三隔水层(组)
第三隔水层底板埋深213.35～277.65m，平均234.89m。隔水层厚度41.95～98.18m， 平均67.17m。岩性以灰绿色、棕黄色、棕红色砂质粘土、粘土及灰白色钙质粘土、泥灰岩 为主，夹砂层或粘土质砂0～5层。在深度170～190m处局部地段为厚层砂。上部粘土、砂质粘土可塑性好，膨胀性强，塑性指数Ip为11.30～27.80，膨胀量为0.02～3.705，自由膨胀率为19～110。下部灰白色、乳白色钙质粘土，泥灰岩呈半固结状，可塑性较差，为 湖滨回水湾静水环境沉积。在该层(组)粘土类可塑性好，膨胀性强，厚度大，分布稳定， 隔水性良好，是区域及煤矿内重要的隔水层(组)。由于它的存在，使其以上各含水层地 下水及地表水、大气降水与其下的“四含”水、煤系水失去水力联系。
1010区段位于五沟煤矿西南，其中心距工广1972m、五沟新街1438m，地势平坦，无大的河流经过。东距淮六路(省道)约700m，南部一条“通村”水泥路和一条灌溉沟渠(最 深1.8m)斜穿而过，交通便利(见图5)。
1010区段状似梯形，面积约37123m2，边界四个拐点编号分别为A、B、C、D(见图 6)，具体坐标见表1。
表1五沟煤矿一采区1010区段地面拐点坐标
| 拐点编号 | X(m) | Y(m) | Z(m) |
| A | 3712452.43 | 39464814.70 | +27.04 |
| B | 3712485.25 | 39464881.99 | +27.00 |
| C | 3712768.24 | 39464934.36 | +26.70 |
| D | 3712660.41 | 39464713.26 | +24.00 |
1010区段西部边界靠近一处面积约4082m2葡萄园；拐点D及1010区段内面积约1371m2范围处于人工池塘(深度约3m)里；东部边界距田间土路11～53m；拐点B与一 面积约2349m2的养殖场大棚相距66m；拐点C向北68m是杨树林，其余为基本农田和灌 溉沟渠(见图6)，场地宽阔。
1010区段地质及水文地质情况
1)1010区段地质概况
1010区段位于DF38(产状：∠70°，H＝0～5m)和F14-6(产状：∠70°，H＝3～6m) 两条中型正断层和煤层风化带之间，次生构造可能发育。地层为整体由西北向东南逐渐加 深的单斜构造形态，地层倾角9°(见图7、图8、图9、图10、图11、图12)，下伏10 煤层可采储量22.6万吨。
2)1010区段“四含”及风化带情况
1010区段中心500m范围内共有勘探钻孔6个，其位置及与1010区段间距见图13。
根据6个勘探钻孔资料知，1010区段“四含”底界埋深264.41～275.18m，平均270.33m， “四含”厚度25.30～47.88m，平均32.80m；含水砂层厚度4.80～30.74m，平均14.42m。其 上部“三隔”厚度大于36～62.35m，平均厚度大于47.84m(见表2)。
据1016-4(3)孔和水15孔(“四含”水位观测孔)抽水试验资料知，钻孔单位涌水量(q91)分别为0.0474L/(s.m)和0.0194L/(s.m)，渗透系数(K)分别为0.316m/d和0.093m/d，确定该区域“四含”含水层为弱富水性。
表2五沟煤矿一采区1010区段周边钻孔“三隔”、“四含”参数表
距离1010区段最近的30-10勘探孔“四含”厚27.27m，风化带厚12.42m，岩性见图14。
水15孔“四含”岩性资料如下：
1)“四含”层位土样颗分试验结果显示，粘粒占12～73％，粉细砂粒含量15～35％，中粗砂粒占15～30％，砾石占2～34％，“四含”颗粒组成不均匀，级配中等～良好；
2)底砾层系坡积与网状河流交互相沉积，主要由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂、中砂及粘土质砂等组成，颗粒成份以石英、长石为主，间夹砂质粘土及亚粘土，系多层复合 结构；
3)“四含”粘性土常呈透镜状，穿插在砂层之中，约占砂层全厚的20～25％左右，一般表现为下粗上细的特点，可分为三种类型：即粉细沙为主结构类型、砂砾层为主结构类型和粘性土为主结构类型。
4)“四含”主要接受侧向区域迳流补给，水平渗透性强，垂直渗透能力次之。
S2：我司根据相关松散含水层的特征信息，设计松散含水层的挤压劈裂注浆骨架，并 模拟计算基于水-岩耦合作用下松散含水层注浆组分、区域位置和以及注浆量；
我单位于2020年7月编写完成并提交《五沟煤矿一采区“四含”注浆改造试验工程设计》、《五沟煤矿一采区“四含”注浆改造试验工程施工组织设计》，项目设计43个 钻孔，钻探工程量11335m，钻孔测斜11335m，目标层取芯228m，预计注水泥32000t(P.O42.5 水泥)，治理“四含”面积37123m2；项目自2020年9月1日正式开工，项目实施过程中 分别于2020年10月10日和2021年1月7日进行两次设计变更，并邀请相关专家对变更 方案进行了评定，同意后实施。变更后，设计钻孔45孔(含3个机动钻孔)，预计注浆 量80000t，其中水泥61000t，粉煤灰19000t，总工期220天。
S3：钻孔、制备注浆料以及注浆作业，并跟踪检测以及调整，直至注浆完成；
注浆综述：
本项目工程建设一座临时注浆站，具备500t储灰能力；注浆共投入TBW-390 泵14台套，均运行良好；项目自2020年9月1日正式开工，项目于2021年3 月10日完成现场钻探及注浆施工，历时191天。完成钻孔42个，累计完成钻探 进尺11790.03m(其中一开10408m，二开1382.03m)，取芯243.03m，扫孔336 次，测斜11790.03m，压水试验44次，累计下入套管365.880t，注浆料采用水泥 基粉煤灰化学浆液，注浆主料70267t(其中水泥57742t，煤灰12525t)。完成钻 孔，各孔工程量详见表3。
表3完成钻孔工程量表
S4：松散含水层注浆改造效果检验与评价。
五沟煤矿一采区“四含”注浆改造试验工程，地表岩移观测布设高程基准点6个，场地外东、西、南、北4条线线状布置地面变形监测点101个，场地内布设观测点26个。 监测点布置见图15。
1)场地内地面变形监测
2020年10月22日进行首期全面观测，截至2021年3月20日完成13期全面观测， 累计变化值大于100mm的观测点有16个，累计抬升变化量大于150mm的7个，累计抬 升变化量大于200mm的3个，观测点变形量从大到小依次为J7(225.0mm)、J15(221.5mm)、 Z14(207.8mm)、J6(179.6mm)、Z20(176.9mm)、J8(173.8mm)、Z9(172.9mm)。 地内变形量均表现为抬升，分析表明中部以Z13、Z14、Z18、Z19、Z22、Z23所围椭圆状 (长轴约100m短轴约50m)区域抬升约200mm以上，较边部为明显，这也与坚持中间开 花治理思路相符。场地内监测点竖向位移结果见图16、图18。
2)场地外地面变形监测
2020年8月25日开始进行首期全面观测，地表变形监测周期内注浆情况见表4，
表4地表变形监测周期内注浆情况表
| 测量周期 | 测量日期 | 周期内注浆孔 | 注浆量/t | 备注 |
| 第1周朝 | 9月8日 | Z3、Z4、J1 | 980 | |
| 第2周期 | 9月16日 | Z3、Z4、Z5、Z6、J5 | 3464 | |
| 第3周期 | 9月24日 | Z1、Z3、Z4、Z5、Z6、Z10、Z11、J5 | 4679 | |
| 第4周期 | 9月29日 | Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z10、Z11、J3、J5 | 2204 | |
| 第5周期 | 10月9日 | Z1、Z2、Z3、Z5、Z6、Z10、Z11、J3、J5 | 4526 | |
| 第6周期 | 10月15日 | Z2、Z3、Z5、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z14、J1、J3、J5、J8 | 3351 | |
| 第7周期 | 10月24日 | Z8、Z9、Z10、Z11、J1、J2、J3、J6、J7、J8 | 3352 | |
| 第8周期 | 10月31日 | Z8、Z9、Z10、Z14、J2、J3、J6、J7、J8 | 2434 | |
| 第9周期 | 11月11日 | Z9、Z13、Z14、Z18、Z19、J1、J2、J3、J6、J7、J8、J10、J11、J15 | 7324 | |
| 第10周期 | 11月21日 | Z8、Z9、Z13、Z14、Z18、Z19、J1、J2、J3、J6、J7、J8、J10、J11、J15 | 4830 | |
| 第11周期 | 12月1日 | Z7、Z8、Z9、Z13、Z14、Z15、Z18、Z19、Z22、J1、J2、J3、J5、J6、J7、J8、J9、J10、J11、J12、J15 | 4838 | |
| 第12周期 | 12月10日 | Z1、Z2、Z4、Z7、Z8、Z12、Z13、Z14、Z15、Z18、Z19、Z22、J2、J5、J9、J10、J11、J12、J14、J15 | 5982 | |
| 第13周期 | 12月22日 | Z2、Z4、Z6、Z7、Z12、Z13、Z15、Z18、Z19、Z20、Z22、J9、J10、J11、J12、J14 | 4380 | |
| 第14周期 | 1月4日 | Z6、Z7、Z12、Z18、Z20、Z21、Z22、Z25、J12、J14 | 3410 | |
| 第15周期 | 1月14日 | Z18、Z20、Z21、Z22、Z23、J4、J10、J11、J12、J17、J18、B1 | 2719 | |
| 第16周期 | 1月24日 | Z20、Z21、Z23、Z24、Z25、J4、J12、J17、J18、B1 | 3428 | |
| 第17周期 | 2月5日 | Z20、Z21、Z23、Z24、Z25、J10、J11、J17、J18、B1 | 5707 | |
| 第18周期 | 2月20日 | B2 | 496 | |
| 第19周期 | 3月5日 | Z24、J5、J17、B2 | 5326 | |
| 第20周期 | 3月20日 | B2 | 1492 |
截至2021年3月20日完成20次测量，东线变形比较明显，东线最大抬升点(E1) 变形量160.5mm，北线最大抬升点(N1)变形量79.4mm，南线最大抬升点(S1)变形量 73.5mm，西线最大抬升点(W1)变形量63.1mm。抬升最远影响范围为东线E10(距注浆钻 孔施工区东侧边界约300m)，西线W12(距注浆钻孔施工区西侧边界约355m)，南线 S10(距注浆钻孔施工区南侧边界约290m)，北线N12(距注浆钻孔施工区北侧边界约 305m)；场地外变形监测分析结果表明地表抬升影响范围约300m，300m之外监测数据结 果显示地表变形表现为略有下沉，北部塌陷区下沉较为明显，最大下沉变形为东侧最远监 测点N21(约48mm)；另西线最大下沉变形监测点为W17(约64mm)，初步分析采煤 活动有关。
场地外4线监测结果见图17、图19、图20、图21和图22。
注浆工程自2019年9月6日开始，至2021年3月10日结束，历经6个月，测量周 期20次。本次分析将注浆影响地表变形周期按照月度划分为6个周期，每个周期起止时 间见表5。
表5地表变形监测周期划分
本次场地外地表岩移总共进行了20期次检测，在对场地外东、西、南、北线最具有代表性的E1、W1、S1、N1监测点在每个监测周期内地表岩移变化量进行统计并绘制周期 性地表变形量与该周期内注浆量关系曲线，根据关系曲线图分析可知，在前6个周期(10 月15日)北线和东线开始变形，北线和东线变形主要集中在第6周期至第13周期(12月 22日)；南线和西线从第8周期(10月31日)开始抬升，这与场地内先期北部开始注浆 随后逐渐向中部及南部施工注浆相关。(1)从北线周期变形量可看出，其与周期性注浆 量正相关，当注浆量大时，地表上升变形量则大，且北部注浆在第14周期结束后从第15 周期(1月14日)开始北部整体表现为地表下沉。(2)南部从第5周期(10月9日)后 开始有抬升，且在第9周期注浆量最大时变形量也达到最高值，该周期以中部注浆为主， 说明浆液明显的向南部扩散。(3)场地东部从开始注浆一直抬升，初期抬升较缓，第9 期(11月11日)至第13期(12月22日)中期注浆量较大时抬升量也相应较大，17期(2 月5日)之后出现地表下沉现象，该周期内场地内只有B2有少量注浆，除东线之外其他 各线监测数据也表明地表有下沉现象，分析认为主要是由于前期注浆地层受压，周期内无 注浆地层压力释放所致。
检验取芯钻孔岩芯参数及注浆分析
本工程设计注浆后检查取芯孔3个(J4、B1、B2)，2021年1月1日J4开工，至2021 年3月10日B2完工。另，J11孔基岩风氧化带12月25日进行了取芯。
1)检查取芯孔
设计3个检查孔通过钻孔取芯和水文地质试验对注浆改造效果进行检查。在注后取芯 检查孔，钻探下延揭露的“四含”及基岩段岩屑中时有钻遇水泥的情况，主要存在于“四 含”层位。注后取芯检查孔岩芯中发现注浆水泥(图24-1至24-3、图25、图26、图27-1 至27-2)，水泥以层状水泥块、脉状水泥、水泥柱、水泥碎块等形式存在，局部断面也见 水泥充填，胶结完好，充填密实，强度较大，说明前期注浆效果比较好。
根据3个注后取芯检查孔施工情况可知：J4、B1、B2孔取芯率分别为63％、69％、69％， 注浆前Z12、Z20、Z22孔取芯率49％、58％、65％，取芯率来看注后取芯检查孔高于注前 取芯孔。与注前取芯孔样品测试结果相比，结果显示：真密度略有增大，含水率略有减小， 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度略有增大，整体上看各项指标无明显变化。
2)基岩风氧化带取芯。为检验基岩风氧化带注浆后岩层强度，特选择J11钻孔对基岩 风氧化带进行取芯。
12月25日完成对基岩风氧化带的取芯至280m，并已送样进行样品强度检测，检测结 果见表6。结果显示，取样段基岩风氧化带抗压强度范围为3.03～11.10MPa，取样段上部较 小，中部较大，底部又变小，但底部大于上部。
与注前3个取芯孔(Z12、Z20、Z22孔)抗压强度相比，远大于注前取芯孔基岩段的抗压强度1.96～2.18MPa。这也表明，受注浆治理影响，基岩风氧化带强度增强约2～5倍。
表6 J11孔基岩风氧化带取芯试样
简易水文观测及抽水试验结果分析
压水试验
据42个已完工钻孔的压水试验资料知，钻孔透水率(吕荣值)注前取芯孔Z20孔、Z22孔吕荣值分别为21.43Lu，22.68Lu；据注浆后钻孔的压水试验资料知，吕荣值为0.27 ～1.06Lu，平均0.39Lu，说明该治理区域注后比注前明显要小。根据岩体吸水量计算了解 岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验。统计结果见表7。
表7压水试验结果统计表
抽水试验
工程施工中，为检查注浆治理效果，对治理前Z12孔，治理后J4、B1孔治理段进行了简易抽水试验，从中得出试验段水文地质参数，B2起钻后水位就在孔口，长期观测候水位不动，未作抽水试验。抽水试验成果统计见表8。
表8钻孔水文地质参数计算一览表
据注浆前试抽水及注浆后检查孔的抽水试验资料知：经注浆治理，砂层失去了流动性， 注浆治理后含水层富水性极弱，说明注浆治理达到了预期效果。现将Z12、J4、B1孔的抽 水情况详述如下：
1)Z12孔抽水试验
本孔对“四含”含水层段进行抽水试验，抽水段为244.00～269.00m。2020年10月3日13:00～2020年10月3日15:00，置换泥浆结束，置换后水位埋深11.54m，10月4日 10:00开始下泵，下泵前水位埋深17.16m，12:40下至199.96m开始做试抽水试验，因抽出 水中含砂量太大(大于50％)，易造成塌孔埋泵，经现场研究不再进行抽水试验，19:00 起钻，观测水位，水位记录见表9。
表9抽水后水位记录
| 测量时间 | 水位埋深(m) | 测量时间 | 水位埋深(m) | 备注 |
| 10月5日，0:00 | 165.20 | 2:00 | 164.00 | |
| 4:00 | 163.19 | 6:00 | 162.50 | |
| 8:00 | 161.72 | 10:00 | 160.95 | |
| 12:00 | 160.30 | 14:00 | 159.90 | |
| 16:00 | 159.25 | 18:00 | 158.85 | |
| 20:00 | 158.46 | 23:00 | 158.03 |
2)J4孔抽水试验
本孔对“四含”含水层段(250.00～264.00m)及“四含”+基岩风化带含水层(250.00～ 274.00m)段分别进行了抽水试验。
(1)“四含”含水层段抽水试验
2021年1月15日至16日对“四含”含水层段进行了抽水试验，抽水泵下深140.00m，1月15日16:00开泵抽水，并对水位、水量进行观测。随着抽水试验进行，水位持续下降 至泵体附近，抽不出水，经项目部现场研究决定，起泵观测水位。起泵前最大动水位埋深130.00m，1月16日8：00时水位埋深126.42m，17：00水位恢复至埋深122.10m。
水文地质成果：该孔“四含”抽前水位埋深10.60m，标高+16.60m(孔口标高+27.20m)； 最大动水位埋深140.00m，抽后24小时水位上升了17.90m，恢复至122.10m。
(2)J4孔“四含”+基岩风化带抽水试验
1月20日10:13至1月21日10:43进行了抽水，共做1个降深，抽水试验过程中严格按照抽水试验规程中要求测量水位、水量(水位水量历时曲线见图7-16)。
抽水试验求参：抽水层段250.00～274.00m，其中250.00～269.85m为“四含”含水层， 砾石、粗砂、细砂层厚度共8.25m，粘土质砂层厚度共6.73m(粘土质砂有效厚度取层厚的1/3)；269.85～274.00m为基岩风化带,岩性为强风化泥岩，含水层有效厚度按10.49m。
根据对“四含”+基岩风化带抽水试验，得出含水层水文地质参数见表10。
表10钻孔水文地质参数计算一览表
水文地质成果：该孔“四含”+基岩抽前静止水位埋深20.13m，标高+7.07m；该孔“四含”含水层水文地质参数为：q＝0.0000075L/s·m，K＝0.0069m/d，R＝75.30m。
3)B1孔抽水试验
本孔对“四含”含水层段(244.00～264.00m)及“四含”+基岩风化带含水层(244.00～ 279.00m)段分别进行了抽水试验。
(1)“四含”含水层段抽水试验
2021年1月24日至25日对“四含”含水层段进行了抽水试验，抽水泵下至孔内142.34m，1月24日16:30开泵抽水，最大动水位埋深107.71m，抽水试验过程中测得严 格按照抽水试验规程中要求测量水位、水量(水位水量历时曲线见图29)。
抽水试验求参：抽水层段244.00～264.00m，中砂、细砂、粉砂层厚度共6.29m，粘土质砂层厚度共6.92m(粘土质砂有效厚度取层厚的1/3)，含水层有效厚度按8.60m。
根据对B1孔“四含”抽水试验，得出含水层水文地质参数见表11。
表11钻孔水文地质参数计算一览表
水文地质成果：该孔“四含”抽前水位埋深54.77m，水位标高-27.17m；该孔“四含”含水层水文地质参数为：q＝0.000076L/s·m，K＝0.0006m/d，R＝12.97m。
(2)“四含”+基岩抽水试验：
2月1日12:50至2月2日15:50进行了抽水，共做1个降深，抽水试验过程中严格 按照抽水试验规程中要求测量水位、水量(水位水量历时曲线见图30)。
抽水试验求参：抽水层段244.00～279.00m，中砂、细砂、粉砂层厚度共6.29m，细粒砂岩厚4.20m，粘土质砂层厚度共11.72m(粘土质砂有效厚度取层厚的1/3)，含水层 有效厚度按14.40m。
根据对“四含”+基岩抽水试验，得出含水层水文地质参数见表12。
表12钻孔水文地质参数计算一览表
水文地质成果：该孔“四含”+基岩含水层抽前水位埋深25.80m，标高+1.80m；该孔
“四含”含水层水文地质参数为：q＝0.000013L/s·m，K＝0.0001m/d，R＝5.47m。
水位观测
初步分析认为，受注浆影响，治理区周边“四含”观测孔水位有不同程度的上升，治理区西南侧水15孔(据治理区边界约355m)“四含”注浆前～治理后水位历时曲线，该 孔起始水位-55.36m，上升至治理结束水位-42.45m，水位上升12.91m。见图7-16。另水7 孔“四含”水位-121.76m上升至-119.17m，上升2.59m；水13孔“四含”水位-114.40m上 升至-109.92m，上升4.48m。
结论
本工程自2020年9月1日正式开工至2021年3月10日现场钻探、注浆施工结束， 历时191天。完成钻孔42孔，累计完成钻探进尺11790.03m(其中一开10408m，二开 1382.03m)，取芯243.03m，扫孔336次，测斜11790.03m，压水试验44次，累计下入套 管365.880t，总注浆70267t(其中水泥57742t，煤灰12525t)。
1)Z12、Z20、Z22作为注前取芯孔，进行了取芯判层，查明“四含”及风化带界面，为后续钻孔设计提供依据；
2)通过Z3、Z4孔分段试注浆试验进一步查明治理区内“四含”、风化带的可注性；
3)通过Z1进一步查明了治理区内煤层与“四含”间层间距最薄的位置基岩厚度及10 煤层埋深。
4)地内变形量均表现为抬升，以中部最为明显，抬升约200mm以上；场地外明显可见抬升影响范围约100～150m，抬升最远影响范围约290～350m。从周期性变形幅度分析，施工前3个月因注浆量大，变形幅度较大；施工后期，注浆钻孔数量较小，2月份变形幅 度最小。
5)在注后取芯检查孔，钻探下延揭露的“四含”及基岩段岩屑中时有钻遇水泥的情况，主要存在于“四含”层位。注后取芯检查孔岩芯中发现注浆水泥，水泥以层状水泥块、 脉状水泥、水泥柱、水泥碎块等形式存在，局部断面也见水泥充填，胶结完好，充填密实， 强度较大，说明前期注浆效果比较好。
6)据钻孔的压水试验资料知，钻孔透水率(吕荣值)注前取芯孔Z20孔、Z22孔吕荣值分别为21.43Lu，22.68Lu；据注浆后钻孔的压水试验资料知，吕荣值为0.27～1.06Lu， 说明该治理区域注后比注前明显要小。
7)据注浆前试抽水及注浆后检查孔的抽水试验资料知：经注浆治理，砂层失去了流 动性，注浆治理后含水层富水性极弱，说明注浆治理达到了预期效果。
综合以上，本次工程开展顺利，在计划时间内完成了既定工作量，通过各方面数据分 析，工程达到了预期治理效果。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地 连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相 连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理 解上述术语在本发明中的具体含义。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在 本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各 种变化。
Claims (10)
1.一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，包括如下步骤，
S1：获取拟改造区域的煤层相关松散含水层的特征信息，所述特征信息包括坐标位置、组分、深度位置以及层高；
S2：根据相关松散含水层的特征信息，设计松散含水层的挤压劈裂注浆骨架，并模拟计算基于水岩耦合作用下松散含水层注浆组分、区域位置和以及注浆量；
S3：钻孔、制备注浆料以及注浆作业，并跟踪检测以及调整，直至注浆完成；
S4：松散含水层注浆改造效果检验与评价。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，所述S2包括如下步骤：
S201、根据相关松散含水层的特征信息进行松散含水层建模；
S202、松散含水层建模中设计注浆后的挤压劈裂注浆骨架，支撑松散含水层；
S203、模拟计算基于水岩耦合作用下构建挤压劈裂注浆骨架，注浆改造的注浆组分、位置以及注浆量。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，所述S3中注浆作业同时注浆点附近进行抽水，且注浆压力与抽水压力相适应。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，所述S3包括如下步骤：
S301、根据S2计算结果，将待改造的松散含水层划分为若干注浆子区域；
S302、在注浆子区域内根据注浆区域位置布置注浆钻孔，在富水区以及边界加密布置；
S303、注浆作业试验以及准备；
S304、注浆作业，并跟踪检测和相应调整，直至注浆完成。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，
S302、注浆区域位置内注浆钻孔的布置方式包括均匀间隔式、中间开花式以及长短腿错位式；
均匀间隔式为等距离间隔布置注浆钻孔；
中间开花为为中部布置注浆钻孔，在中部注浆钻孔外围以其为圆心布置注浆钻孔，且中部注浆孔径大于周围注浆钻孔；
长短腿错位式为相关注浆钻孔的钻孔深度高低错位。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，
所述S303、所述注浆作业试验包括注前压水试验和水文观测，所述注浆作业准备包括注浆料制备、稀料试注以及抽水准备。
7.根据权利要求6所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，
所述S304、注浆作业中，注浆钻孔进行注浆的同时该注浆点附近抽水并间隔进行取样检测，抽水井借用注浆钻孔。
8.根据权利要求7所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，所述S304、注浆作业中出现注浆钻孔之间窜浆时，采用窜浆处置方案，窜浆处置方案包括被动间隔注浆方案以及主动阻隔注浆方案；
所述被动间隔注浆方案是在注浆钻孔之间窜浆时采取分区、分时段注浆作业以及注浆与钻孔错开；
所述主动阻隔注浆方案包括混凝土阻隔方案以及钢板桩阻隔方案；
混凝土阻隔方案是采用在窜浆注浆钻孔之间钻孔，并注入适量混凝土；
钢板桩阻隔方案是采用在窜浆注浆钻孔之间压入钢板桩；
含水层边界或挤压劈裂注浆骨架节点位置采用主动阻隔注浆方案。
9.根据权利要求8所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，所述注浆料为水泥基粉煤灰化学浆液；所述水泥基粉煤灰化学浆液包括水泥、水、粉煤灰以及辅料组分；所述辅料组分包括着色剂、固化剂、膨胀剂、导水剂以及早强剂；着色剂包括靓蓝以及品红；所述固化剂包括水玻璃、消石灰、烧碱以及熟石膏；所述早强剂包括氯化钠、氯化钙、氯化铝和氯化锂；所述导水剂包括气相二氧化硅、纳米二氧化钛以及活性氧化铝粉；所述膨胀剂为复合高分子组合物，膨胀剂包括聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺以及丙烯腈一种或多种组合物。
10.根据权利要求9所述的一种煤矿松散含水层注浆改造施工工艺，其特征在于，S4中松散含水层注浆改造效果检验与评价包括钻孔取芯成分对比分析、水位观测、压水试验、抽水试验以及地面变形监测与分析；
钻孔取芯成分对比分析包括注浆前后挤压劈裂注浆骨架上节点位置取样对比以及
松散含水层内挤压劈裂注浆骨架外检测点取样对比；
S4中松散含水层注浆改造效果评价是根据上述松散含水层注浆改造效果检验建模，对含水层改造为隔水层后的富水性评价与采动等级划分、煤层的覆岩类型力学测试以及改造后煤岩柱类型的确定与安全测试。
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|---|---|---|---|---|
| CN114562328A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-05-31 | 中国矿业大学 | 基岩顶界松散层注浆充填控制地表沉降方法 |
| CN115385596A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-11-25 | 山东大学 | 一种用于劈裂挤密注浆的防泌水注浆材料及其制备方法 |
-
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|---|---|---|---|---|
| CN114562328A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-05-31 | 中国矿业大学 | 基岩顶界松散层注浆充填控制地表沉降方法 |
| CN114562328B (zh) * | 2022-04-02 | 2022-12-02 | 中国矿业大学 | 基岩顶界松散层注浆充填控制地表沉降方法 |
| CN115385596A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-11-25 | 山东大学 | 一种用于劈裂挤密注浆的防泌水注浆材料及其制备方法 |
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