动水条件下特松软煤层大型突水的封堵技术

n煤矿安全n动水条件下特松软煤层大型突水的封堵技术翟二安1李松营1,2张森3曹焕举1刘林波4仝建设1刘正绍4(11义马煤业(集团)有限责任公司,河南省义马市,472300;21中国地质大学,湖北省武汉市,430074;31郑州祥隆地质公司,河南省新密市,452371;41华兴矿业公司,河南省渑池市,472400)摘要介绍了义马煤业(集团)曹窑东井为封堵27080采煤工作面大型奥灰突水,在动水条件下,克服煤层松软、突水点和导水通道位置不清等困难,综合采取在地面向巷道打钻,利用钻孔投料、注浆,在井下施工篦子和隔离闸墙等立体堵水技术的具体实践。

关键词动水条件特松软煤层注浆突水中图分类号T D745126文献标识码BThe Technology of Grouting Large Scale Water Bursting under Water-flowing Condition in Special Loose and Soft C oal SeamZai er.an1,Li So ng ying1,2,Zhang Sen3,Cao H uanju1,Liu Linbo4,To ng Jianshe1,Liu Zhenshao4(11Y ima Coal I ndustr y(Gr oup)Corpo ratio n L td1,Yima,H enan472300,China;21China U niversit y of G eosciences,W uhan,H ubei430074,China;31Zhengzhou Xianglong Geolog y Company,X inmi,H enan452371,China;41Xinhua M ining Company1M ianchi,H enan472400,China)Abstract Int roduce Caoy ao Eastern M ine to blocking the lar ge scale O rdov ician kar st water inrush that occurr ed at 27080mining face in Cao yao Eastern M ine,under water flow ing conditio n,w ith solving the difficulties including special lo ose and soft coal seam,unclea r po sitio n of water inrush,thr ee-dimensional techno log ies of blocking wat er wer e adopted synthetically such like drilling holes tow ard laneway at surface,thro wing sand and detritus,and injec-ting cement slurr y by these ho les,and co nstr ucting of separ ating lock g ate and gr id1A fter half year,the w ater in-rush w ere contro lled tho roug hly1Key words w ater-flow ing co ndition,specia l lo ose and soft co al seam,g ro uting,w ater bursting1矿井与工作面概况义马煤业(集团)有限责任公司曹窑东井位于陕渑煤田中部,设计生产能力30万t/a。

开采二叠系山西组二1煤,该煤层特别松软,硬度系数小于015。

煤层顶板为砂、泥岩互层,顶板砂岩水和底板太原组薄层灰岩水是矿井的主要充水因素。

奥陶系灰岩溶、裂隙承压含水层距煤层平均50m,富水性极不均匀,与寒灰含水层水力联系密切,存在突水危险,对矿井安全构成威胁,常年水位约538m。

根据现有区域奥灰与寒灰混合抽水试验,单位涌水量q max=255193m3/h#m,渗透系数K max= 169147m/d。

年均正常矿井涌水量211m3/h。

水文地质条件属中等偏复杂类型。

27080工作面位于曹窑东井27采区下山西翼,走向长度125m,倾向长度88m,煤层厚度118~ 519m,平均317m,储量5169万t。

其上、下两相邻工作面均未开采(如图1所示)。

工作面标高275~310m,地面标高680~702m,采深380~ 405m。

在掘进中没有发现断层等地质构造。

煤层100中国煤炭第34卷第8期2008年8月倾角8~18b,平均13b。

根据堵水钻孔查证,该工作面煤层距奥灰顶面4315~67133m,底板裂隙发育、较破碎。

工作面突水前已回采45m,采出原煤215万t 。

图127080工作面平面位置示意图2突水过程2006年12月23日,曹窑东井27080工作面在采空区发生大量涌水,12时,涌水量增至121 m3/h,22时,增至270m3/h,至26日2时达到峰值1693m3/h,随后涌水量稳定在1400m3/h左右。

累计突水点外泄水量约210万m3。

3突水原因简析经水质分析,本次突水的水质类型为重碳酸钙型水;突水后,井下距突水点约430m的奥灰观测孔水位持续下降,从+538m持续下降至+494 m,累计降幅达44m;突水点最大涌水量达1693 m3/h,稳定水量达1400m3/h,其他含水层没有如此之大的突水能力,因此,可以判定奥灰含水层为本次突水提供了突水水源。

27080工作面底板承受的水压平均为215MPa,高水压为突水提供了动力条件。

采掘活动是本次突水的诱发因素,并提供了突水空间。

工作面在采掘活动中没有发现断裂构造,突水部位处于采空区,属于滞后突水。

因此,可以推断,底板隔水层的薄弱破碎区段在水压和矿压联合/撕裂0作用下,使得下部奥灰水原始导升裂隙层与上部采后裂隙连通后形成了本次突水的导水通道。

4堵水方案的选择从技术角度分析,本次堵水在静水条件下和动水条件下均可进行。

前者要求放弃矿井排水,让矿井水位上升到与奥灰含水层水位一致,突水点不再向外涌水后,再进行封堵;后者要求控制矿井水位,在突水点继续向外涌水、矿井不断向外排水的同时进行封堵。

静水封堵技术难度小,堵水材料消耗少,容易取得成功;动水封堵技术难度大,堵水材料消耗多,治理周期长。

由于曹窑与曹窑东井两矿的生产采区全部集中在二水平(+300m),且两井由二水平贯通大巷连接,静水封堵将造成两井被淹,直接损失达215亿元以上,并为两井日后的恢复工作造成很大困难。

因此,经综合比较,决定采用动水封堵突水技术。

5堵水技术本次堵水采用井上、下立体模式进行:在地面打钻投料、注浆,既对工作面上、下巷进行封堵充填,又对巷道顶、底板进行注浆减渗;同时,在两井贯通大巷建筑两井隔离闸墙,在27区的轨道下山和带式输送机下山分别施工挡骨料篦子,以减少堵水材料损失。

511井上工程井上工程主要包括打钻、投料、注浆等。

本次打钻使用T685W S钻机,定向钻进,共施工6个钻孔,全部打中以设计位置为靶心半径015m的预定靶域。

然后,通过钻孔投料、注浆,在上、下截流,对下巷充填增阻,对巷顶、底注浆减渗。

堵水初期,先投入细粒骨料,以中、粗粒沙子为主,随着巷道水流速度加快,再逐步增加粒级,变为米石(2~5mm)、5~10mm、10~20m m、20~40mm的碎石,预计大粒径骨料将把巷道填满时,再减小粒级,换投小粒径骨料。

当注入沙子也易堵孔、突水点外泄水量在100m3/h以下时,以间歇性注水泥浆为主;突水点外泄水量下降到50m3/h后,改为全部注水泥浆,工艺流程如图2所示。

图2注浆工艺流程图51111上、下巷截流若直接封堵突水点和导水通道,由于其具体位101动水条件下特松软煤层大型突水的封堵技术置不清,就需要打更多的钻孔,消耗更多的材料,治理周期延长;而上、下巷位置和条件清楚,易于采用先进的测量和定向钻进技术,可以准确打中预定靶域,然后通过钻孔投料、注浆,在上、下巷分别形成截流堵水段。

本次堵水,先期在上、下巷共设计施工4个钻孔(见图1)。

根据巷道条件,将上巷的2个钻孔分别布置在距带式输送机下山80 m、95m处,下巷受环形水仓限制,2个钻孔分别布置在距带式输送机下山15m、30m处。

通过投料、注浆,经综合分析和验证,2007年4月中旬上巷截流成功,2007年6月中旬下巷截流成功。

51112补孔增阻2007年4月中旬上巷截流成功后,下巷2个钻孔因距下山巷道较近难以形成阻水段,下巷成为突水点涌水的主要外泄通道;加之煤层松软,导致篦子失效,造成水情8次反复,突水点外泄水量降到300m3/h以下后,又多次增加到600m3/h以上。

根据条件变化,适时调整了堵水方案,4月下旬又在工作面中部和下拐头分别补打了5#、6#钻孔。

通过1#、2#、5#和6#4个钻孔联合投料和注浆,延长了下巷的阻水区段,工作面外泄水量迅速减少,在6月2日开始减到了50m3/h以下,水情不再反复。

51113巷顶、底注浆在堵水后期,所有钻孔下延至底板C3灰岩或O2灰岩,并进行了反复间歇性注浆。

通过顶、底板岩石段的注浆充填,封堵了巷道围岩的渗水裂隙,强化了堵水效果。

512井下工程井下工程主要是在27区下山施工了4道挡骨料篦子,在两井贯通大巷快速施工了防水隔离闸墙。

51211下山巷道施工挡骨料篦子为控制骨料扩散范围,减少堵水材料消耗,提高堵水功效,并为排水创造条件,堵水初期在27区带式输送机下山和轨道下山分别施工了第一道挡骨料篦子。

由于煤层松软,堵水中期第一道篦子经水流冲刷后失效,造成水情反复,骨料随水位上移,沙子进入泵体后损坏水泵,导致排水告急。

2007年4月27日至5月3日,又分别在2条下山中部施工了第二道道挡骨料篦子(见图1)。

第二次施工篦子时,为避免涌水刷邦而造成篦子失效,巷道两邦开槽深度达到1m,在篦子与煤体中间填塞了大量海带。

第二道篦子结实牢靠,为避免再次失效,起到了关键的挡料作用。

51212两井隔离闸墙义煤集团以料石、沙和波雷因等为材料在两井贯通大巷快速建筑了抗压能力在215MPa以上的防水隔离闸墙,控制了水灾范围,减少了堵水材料消耗。

之后,恢复了曹窑煤矿的正常生产。

6堵水效果本次堵水在动水条件下进行,将矿井水位控制在+380m以下,共投入骨料9892m3,注入水泥15250t,使用三乙醇胺等添加剂33t。

至2007年6月28日,堵水工程全部圆满结束,取得如下成果:突水点外泄水量已不足30m3/h,堵水率达98%以上;矿井已开始全面恢复生产。