粘土水泥浆在龙泉矿堵水工程中的应用研究

第44卷第1期2021年1月
煤炭与化工
Coal and Chemical Industry
Vol.44No.l
Jan.2021
地测与水害防治
粘土水泥浆在龙泉矿堵水工程中的应用研究
赵利涛
(河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台054000)
摘要：煤矿水害是影响矿井安全生产的重要灾害之一。

以太原娄烦龙泉煤矿4301工作面水害防治工程为背景，通过注浆技术进行堵水，科学合理使用粘土水泥浆，采取合理的钻探施工方案。

实践表明，粘土水泥浆堵水效果明显，4301工作面底板出水量180m3/h,堵水工程结束时工作面剩余水量32m3/h,减少148m3/h,堵水率82%,达到了预期目的，成功实现了高承压动水条件下注浆堵水，保障了工作面的安全回采。

关键词：粘土水泥浆；注浆技术；合理配比；底板出水
中图分类号：TD74文献标识码：B文章编号：2095-5979(2021)01-0043-03 Study on the application of clay-cement slurry in water
plugging project of Longquan Mine
Zhao Litao
(Hebei Coal Scientific Research Institute Corporation Ltd,Xingtai054000,China) Abstract:Water damage in coal mines is one of the important disasters affecting the safe production of mines.The water damage prevention and control project of4301working fece of Taiyuan Loufan Longquan Mine was taken as the background,water plugging was carried out by grouting technology,clay cement sluny was used scientifically and reasonably,and a reasonable drilling construction plan was adopted.Practice showed that the clay cement slurry plugging effect was obvious,the water output from the bottom plate of4301working face was180m3/h,the remaining water in the working face at the end of the plugging project was32m3/h,reducing148m3/h,the plugging rate was82%,which achieved the expected purpose,successfully realized the slurry plugging under the high pressure dynamic water condition,and ensured the safe recovery of the working foce.
Key words:clay-cement slurry;grouting technology;reasonable ratio;water burst of the floor
0引言
矿井水文地质条件是影响矿井安全高效生产的重要条件之一。

我国北方煤系地层下部灰岩岩溶发育，裂隙分布，且强含水，在采动过程中底板破坏，极易形成导水通道，发生突水。

为了煤矿的安全高效生产，通过对底板进行注浆改造，可以改善底板岩体强度，使本来的强含水层变成弱含水层或者隔水层，该方法既降低了成本，又保护了地下水环境。

近些年来注浆技术快速发展，注浆材料呈现出多样化，由最初的单液水泥浆液发展到水泥水玻璃浆液，再到其它化学浆液，又发展形成了水泥粘土浆液。

以太原娄烦龙泉煤矿4301工作面为工程背景，针对煤层底板的水文地质特征及裂隙发育特征，对突水原因进行分析，科学合理使用粘土水泥浆,根据浆液在高压动水条件下的扩散规律，合理选择钻孔位置、注浆材料和注浆工艺，达到快速封堵导水通道的目的。

1工程概况
太原煤气化龙泉能源发展有限公司位于娄烦县城北10km处，新舍科-上龙泉-下静游村一带,
责任编辑：张彤DOI：10.19286/i.2021.01.010
作者简介：赵利涛(1986—)，男，河北邢台人，工程师。

引用格式：赵利涛.粘土水泥浆在龙泉矿堵水工程中的应用研究[J].煤炭与化工，2021,44(1)：43-45.
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2021年第1期煤炭与化工第44卷
设计生产能力为400万t/a。

矿井主采4号、7号、9号煤层，4号煤层平均厚度6.47m,7号煤层平均厚度1-1m,9号煤层平均厚度11.68m,主要煤种为气煤、肥煤，属于优质电煤和炼焦配煤，4号煤层受底板水害威胁。

4301工作面是4号煤三采区第一个工作面，工作面走向长1200m,可采长度为715m,倾向宽250叫底板标高+525—+625m,地面标高+1186.2—+1300.7m,底板承受太灰水压达高5.4-6.4MPa,据最近OW2钻孔水位标高1078m,工作面切巷底板标高520m,底板压力在5.53MPa,4301工作面底板隔水层承受奥陶系灰岩水压6.14~7.04MPa。

工作面回采后初次来压即发生底板涌水，最大值190m3/h,最后稳定在180m3/h o
2注浆堵水机理及目的
2.1注浆堵水机理
对岩体进行注浆的目的主要是堵水和加固，注浆技术发展的初期主要采用水泥浆液，随着注浆技术的发展及其对注浆材料的研究，注浆材料逐渐呈现多样化，此次注浆采用粘土水泥浆。

粘土是一种抗蚀性材料，采用粘土水泥浆可以降低水泥消耗量，具有显著的经济性，改革了注浆工艺，提高了施工效率。

粘土水泥浆是由粘土浆、水泥、水玻璃组成的悬浊液，稳定性高、流动渗透性好，粘性、塑性、弹性三态变化规律，粘土水泥浆三态变化是其成功堵水的内因，在粘性状态下浆液具有良好的悬浮稳定性、流动性和扩散性；塑性强度增加可防止浆液沿单一裂隙超扩散，防止地下水渗透、稀释;弹性状态保证形成密实的堵水帷幕。

2.2注浆工程目的
结合4301工作面地质条件，通臥量、水压、水质注浆前后变化数据分析，认为出水通道为隐伏导水裂隙带，出水原因为回采导致底板破坏，底板裂隙与隐伏导水裂隙带导通。

出水水源为太原组K3、L3、12、L1含水层组、9煤底板K1、本溪灰岩含水层、奥陶系灰岩含水层多种水源参与的混合水源。

此次底板水害探查治理钻探注浆工程的目的为快速封堵4301工作面出水点，减少工作面涌水,满足工作面恢复生产的条件。

根据治理目的，此次工程主要任务是快速封堵涌水点，尽快减少或消除工作面底板涌水，减水率达到80%以上。

3工程实践
3.1钻探施工方案设计
依据4301工作面现场地质条件，结合注浆堵水机理及注浆工程目的，对钻探施工方案进行设计。

工程为高压动水注浆堵水，钻孔布置在采空区出水区域附近，受采空底板破坏、矿压超前破坏和出水动压破坏多重影响，还要考虑钻孔后期高压注浆时的安全施工，必须对钻孔结构进行科学合理设计，保证钻探注浆工程安全实施，避免发生次生灾害。

最终确定施工钻孔个数为15个，其中辅运巷1号钻场2个钻孔，2号钻场4个钻孔；胶带巷3号钻场4个钻孔，4号钻场5个钻孔，设计总进尺2514m,4301工作面设计钻孔布置如图1所示。

图14301工作面设计钻孔布置
Fig.14301woridng fece design drilling layout
3.2注浆工艺
3.2.1粘土水泥浆的制作
先按照制纯粘土浆的工艺流程把粘土制成精浆储存在精浆池。

制浆时，把粘土精浆、水按设计的重量比送入高速制浆机，把水泥也按照设计的重量比送入高速制浆机。

配料完成后系统自动制浆，2~3min即可，将制好的粘土水泥浆送入储浆池。

3.2.2注浆方式
此次殘采用下行幽，注浆改造工程应分序次施工，按照先疏后密、中间插补、相邻钻孔不得同时施工、同时注浆的原则方案。

一般分3个序次，每个序次按总工程量的30%控制，剩余10%按检查孔使用。

在实体煤区域底板较完整块段施工的钻孔，注浆终压采用底板岩溶含水层静水压力的1.5倍，注浆结束泵量规定为5 mVh,即当泵量为5 mVh左右时达到上述注浆结束压力，视为达到注浆结束标准。

结束注浆，注水泥进行封孔。

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赵利涛：粘土水泥浆在龙泉矿堵水工程中的应用研究2021年第1期
4注浆效果评价
4.1单孔注浆效果分析
采用吨水干料值来量化分析单孔注浆效果，钻
孔的吨水干料值即单孔注浆量和单孔涌水量的比
值，_般认为这个比值越大，注浆效果越好。

从表
1可以看出，2-0、4-2、4-6钻孔注浆吨水干料值 均在10以上，反应出这几个钻孔在注浆堵水中效 果相对较好，在堵水中起到的作用也相对较大。

表1 4301工作面注浆堵水钻孔吨水干料值计算
Table 1 Calculation of tons of water dry material value of
grouting water plugging hole on 4301 working face
钻孔名称
终孔水量伽缶）
注干料值/t 吨水干料值
1-13228.4110.91-5
26
163.409 6.32-070
2 896.78641.4
2-41518.345
1.22-5
26.426.496 1.03-0 6.228.475
4.6
3-122
31.632 1.43-2
3324.2430.7
4-23&1
466.90712.34-6
13.4
236.307
17.6
4.2整体注浆堵水效果分析评价
在现场施工过程中，最终施工钻孔个数为15
个，实际总进尺2 547 m,累计注浆17 668.13 m\
总干料3 926.611 t,其中水泥2 212.052 t 、粘土 1 714.559 t o 分3次进行注浆，最后井下注水泥It 封孔。

根据矿地测部门提供的工作面排水资料，4301
工作面底板涌水量在堵水前一周平均182.14 m 3/h, 到2018年8月19 0, 4301工作面底板水量在32
m 3/h,注浆堵水率82%,如图2所示。

达到了预期 目的，4301工作面于2018年9月12日恢复生产。

-008060402000806040200
2 11111(1・8)
*系墀
日期
图2 4301工作面周涌水量注浆堵水变化曲线
Fig. 2 Variation curve of grouting water plugging with
weekly water inflow at 4301 working face
5结论
（1） 粘土水泥浆粘性、塑性、弹性三态变化 是其成功堵水的内因，为提高堵水效果，需要依据
现场地质条件，结合注浆堵水机理及注浆工程目
的，对钻探施工方案进行设计。

（2） 采用粘土水泥浆对4301工作面进行注浆 治理，单孔注浆效果良好，整体注浆堵水效果明
显，最终工作面底板水量在32 m 3/h,注浆堵水率 82%,达到了预期目标，保障了工作面的安全回 采，为类似工作面的堵水工程提供了借鉴。

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