注浆技术在华北奥灰水害防治中的应用与发展

我国华北型煤田水文地质条件复杂,随着深部资源的大规模开发,煤层底板奥灰突水概率增加,奥灰水害成为华北型煤田深部开采的严重安全威胁。应用注浆技术能够快速封堵突水通道,消除潜在水患,在华北奥灰水害防控方面具有明显优势;历经工作面注浆、井下定向孔注浆和地面定向孔注浆,装备进步推动华北型煤田奥灰水害注浆防治技术持续发展。本文分析了注浆技术在华北型煤田奥灰水害防治中的发展历程,结合奥灰水害超前治理工程案例,分析了实践中地面定向孔注浆技术遇到的问题,指出了区域水害防治地面定向孔注浆技术发展方向。本文对华北型煤田深部开采底板奥灰水害防治具有重要参考意义。     

深部带压开采黏土基底板注浆材料改性研究

煤炭深部带压开采常规注浆防水材料难以满足工程需求,为此开展底板注浆防治水材料改性研究。以澄合二矿为研究背景,分析了深部带压开采的特征及配套浆液改性方向。对黏土基注浆材料采用高能磁场、高矿化度矿井水改性,通过室内对比实验研究了改性黏土基注浆材料关键指标变化规律。并通过工程检验其可行性。研究结果表明:深部带压开采需要扩散性更好、抗压强度更高、价格低廉、环境友好的注浆材料;高能磁场联合高矿化度矿井水改性的黏土基浆液抗压强度最大提高32.56%,黏度最大降低13.73%;工程应用降低工作面涌水量约50%,费用降低约20%,每年减少矿井水排放约4万m3。研究成果为深部带压开采提供了新的材料。     

邢东煤矿深部区域奥灰水害探查治理技术

为解决深部区域煤层开采的奥灰水害问题,以邢东煤矿-980 m水平内多个工作面底板探查治理工程为例,通过对矿井及工作面地质、水文地质条件进行分析,确定工作面回采期间的主要充水水源、充水通道及探查治理层位,结合钻探探查和注浆治理工程,通过工程效果检验,完成了研究区奥灰水害的有效防治。结果表明:研究区开采期间的主要充水威胁来源于煤层底板奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层水,主要充水通道为断层构造带。通过钻探工程探查,施工了1个地面主孔,40个地下近水平分支孔,根据伽马测井、水位观测和水温观测等钻探效果检验,确定本次探查到1个隐伏陷落柱(X8)、以及F_(23)等个别导水断层构造。经注浆工程治理,认为煤层底板奥灰岩溶裂隙发育程度不均一、注浆量与多指标相关性差,注浆条件较为复杂;经注浆终压、单位吸水率和现场实际揭露,注浆效果良好。通过本次奥灰水害探查治理工程,确保了矿井深部采区的安全生产。     

汾源矿5~#煤底板奥灰原始导高测试与研究

以汾源矿5#煤底板施工注浆钻孔资料为基础,分析了汾源矿奥灰原始导高发育情况及其对煤层开采的影响,得出汾源矿奥灰上马家沟组顶面存在9.1~49.25 m的原始导高;5-101首采面部分区域奥灰原始导高可发育至底板破坏带以上,首采工作面回采存在一定的奥灰突水危险,对5-101工作面进行底板隔水层注浆加固及含水层改造可起到防治水作用,并且对发育有奥灰原始导高的矿井防治水工作也有一定的指导意义。     

深部煤层开采高承压奥灰水害防治关键技术

以峰峰矿区为背景,针对深部煤层开采亟待解决的奥灰水威胁问题,提出了针对深部煤层开采高承压奥灰水害防治的关键技术。利用定向水平井群技术对煤层底板隔水层的薄弱地带及水文异常区等进行注浆加固,封堵潜在的导水通道,增强底板完整性;同时将奥灰顶部一定范围的岩层改造为相对隔水层,将奥灰含水层的作用点向下移,增加了有效隔水层的厚度,可以解放大量原始状态下不可采的煤炭资源。该技术在峰峰矿区大采深矿井推广应用后,防止了奥灰水害事故的发生,保证了矿井安全生产。     

深部矿井奥灰水害防治技术

通过分析峰峰集团防治水现状,对比目前奥灰水害防治技术,针对深部矿井开采奥灰水害情况,提出时间与空间相结合的地面区域超前治理技术。该技术利用地面水平多分支钻进技术对煤层底板隔水层的裂隙进行探查并进行注浆加固补强,切断奥灰含水层与上部含水层的水力联系,进而增强隔水层阻水性能。     

煤层底板奥灰水害治理方案研究

针对古书院矿15#煤三盘区首采工作面面临的底板奥灰水害威胁问题,提出了采用疏水降压和底板注浆改造两种治理方案,从经济和技术角度进行对比,最终得出疏水降压适用于该矿井低水压但隔水层较薄条件下的奥灰水害治理,为矿井奥灰水害治理提供依据,同时对相似条件下底板奥灰水害防治具有参考意义。     

承压水体上保水采煤注浆材料及技术

针对薄隔水层低承压灰岩含水层涌入工作面造成黄河生态湿地水位下降问题,采用数值模拟、现场实测、数理统计等手段综合剖析采动底板破坏带发育规律,并基于室内实验及注浆工业化试验研究了底板黄土高效注浆关键技术。应用结果显示,在底板破坏深度以下注入改性的黄土基浆液可降低矿井涌水量90%以上,其中,黄土基浆液主要由除砂后黄土加入奥灰水中快速搅拌而制得,高强度开采未造成半干旱地区生态湿地进一步退化,生态效益显著。     

矿井奥灰水带压开采技术分析及防治水措施

针对奥陶系灰岩含水层富水性强、水压大、水位高等问题,分析了矿井奥灰水带压开采及防治水技术以及井田水文地质条件,确定10、11、13号煤层矿井水文地质类型为中等。研究了奥灰含水层富水特征及煤层底板隔水性能,在正常块段工作面掘进过程中受到底板奥灰水的威胁小,是相对安全的;但在构造破坏地带,因断层、陷落柱等具有导水性,在承压区内有可能发生突水,并提出了导水构造、巷道掘进、工作面、底板注浆加固及改造等防水措施。研究为后续矿井安全开采提供了技术支持。     

某煤矿10~#煤层底板奥灰突水防治探讨

某煤矿10#煤层底板标高为370~620 m,奥灰水位为517.88~520.96 m,低于奥灰岩溶水水位标高,奥灰含水层富水性强、水量大,属于强径流区。10#煤层底距奥灰界面平均距离只有34.81 m,奥灰岩溶水成为煤层底板突水的主要水源。介绍了底板突水的几个通道,分析了对应底板突水的几种防治水措施,最后采用回采工作面斜长缩小、隔水岩段隔水层加固与含水层改造、地面帷幕注浆截流与井田内疏水降压联合工作的防水措施,最终实现煤层在承压下的安全开采。     

高矿化度矿井水磁化配浆及在巷道过断层中的应用

为保障构造复杂区大巷安全快速掘进,超前对断层及其破碎带进行注浆加固。通过室内实验研究了高能磁和高矿化度矿井水对黏土、水泥浆液性能的影响。依据钻孔探测结果采用分类注浆技术,对断层及其破碎带进行了实践加固。结果表明：通过高能磁和高矿化度矿井水对浆液改性,可以提高黏土浆液的抗渗性约1个数量级,缩短水泥浆液初凝时间43min,提高水泥试块抗压强度30.8%-31.1%。对断层破碎区以改性水泥浆液注浆加固为主,对断层相对完整区以改性黏土浆液注浆封堵为主,对断层-巷道交汇区以化学浆液注浆为主的分类注浆技术有效保障了大巷安全快速通过断层。研究成果为构造复杂矿区巷道过断层提供了借鉴。     

煤矿灰岩层水平井注浆技术研究

通过煤矿底板灰岩含水层水平井注浆加固治理,可较好地解决煤矿底板防治水难题。为了提高水平井注浆加固灰岩含水层的效果,以界沟煤矿东一下采区水平井为研究对象,根据灰岩含水层渗透性特征,确定了扩散半径、浆液类型及配比。结合水平孔钻进情况,运用破壁和清水洗井技术,进行压水试验和静压升压注浆加固治理;确定了注浆压力、终止流量、注浆数量;在注浆顺序、装备选型、水平注浆、效果验证等关键技术进行了研究应用。结果表明,治理区采用扩散半径27 m,灰岩采用水泥浆单浆液;清除泥皮,清水洗井,选配高速制浆和智能化注浆装备,进行孔口分段式注浆,递增升压至10 MPa,注浆量提升至0.8 t/m,有效提升加固治理效果。     

岩溶矿床帷幕注浆截流新技术

岩溶矿床地下水害的防治一直是矿山防治水界的一个难题,而传统的帷幕注浆技术存在堵水率低、投资高、针对性不强等问题。以新桥矿为例,总结了我院在帷幕注浆截流技术方面取得的新进展,包括运用数值模拟技术对帷幕进行优化设计及动态指导、采用超声波透视技术探查导水通道并指导布孔、大量使用改性粘土浆控制浆液扩散。     

砂层渗透注浆加固效果模型试验研究

渗透注浆是煤矿井筒穿越砂层段防渗加固的重要手段之一,为研究砂层渗透注浆加固效果,研发了一套砂层渗透注浆模型试验装置,该装置具备多个试样同时注浆、不拆模测试注浆试样渗透系数等功能;以抗压强度、变形模量、渗透系数作为评价砂层渗透注浆加固效果的性能指标,选取砂层粒径级配、黏性土含量、浆液水灰比、注浆压力4个因素作为渗透注浆效果的影响因素,开展了砂层渗透注浆加固效果正交试验,获得了影响砂层渗透注浆效果的主控因素以及不同条件下砂层注浆加固体的变形破坏特征。研究结果表明:砂层经渗透注浆加固后,3 d抗压强度可达到0.5~8.5 MPa,3 d变形模量可达到35~750 MPa,1 d渗透系数可达到10-6~10-7 cm/s数量级;浆液水灰比是控制砂层注浆加固效果的主控因素,随着浆液水灰比的增加,砂层注浆加固体抗压强度、变形模量及抗渗性能均显著降低;砂层注浆加固体破坏模式受浆液水灰比影响显著,低水灰比(W/C=0.8左右)对应整体破坏模式,高水灰比时(W/C=1.6左右)水泥浆液析水效应对加固体破坏过程产生影响,使其呈现出局部破坏模式,在砂层渗透注浆加固工程中应尽可能选用低水灰比的水泥浆液。     

斜井穿越风积砂层水砂突涌注浆治理研究

陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井筒表层广泛分布厚层风积砂,由于短时间内载重运输车的重复碾压,导致斜井底板破裂,发生水砂突涌灾害,严重威胁矿井安全。针对金鸡滩煤矿副斜井水砂突涌灾害治理难题,工程前期采用水泥注浆治理,起到了很好的固砂减水效果,但是并未完全封堵涌水通道;后期通过补注化学浆液,成功封堵了残存涌水通道。结合工程实践与模型试验,分析了斜井底板破裂原因、注浆治理效果及不同种类浆液的固砂堵水机理。现场治理效果与模型试验结果表明,水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主;化学浆液以劈裂和渗透堵水为主,在封堵残存涌水通道上更具优势,因此两种类型浆液配合使用效果更佳。本文研究结果可为该类水砂突涌灾害注浆治理提供试验依据和参考。在充分分析现场工程现象的基础上结合现场模型试验,对水泥浆液和化学注浆的扩散特点以及固砂堵水机理进行了研究。结果表明水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主,并不能完全封堵涌水通道;化学浆液以劈裂和渗透堵水为主,在封堵残存涌水通道上更具优势。并提出了两种类型浆液配合使用效果更佳的观点。     

钻井废弃泥浆用作注浆材料的研究

采用X射线衍射仪和激光粒度仪分析朱集西煤矿矸石井钻井泥浆和注浆用黏土浆,显示钻井泥浆的膨胀性黏土矿物含量相对黏土浆高,且黏土颗粒粒径小;通过钻井泥浆对水泥水化历程影响的研究和由钻井泥浆配成的钻井液水泥浆的黏度、塑性强度等性能的研究,证明朱集西煤矿钻井废弃泥浆可代替黏土浆用作注浆材料。     

改性粘土浆的基础理论研究

探讨了改性粘土浆加促进剂前后的流变性能和浆液固结机理。认为浆液剪切稀释作用有利于注浆工程,改性粘土浆塑性强度主要受原浆浓度、促进剂和结构剂用量的影响,其流变性能和结石体的墙水性能明显优于水泥浆。     

多分支水平井注浆技术在防治灰岩水害中的研究与应用

采用多分支水平井注浆技术能较好地解决煤层底板高承压奥灰水突水问题，不同地区水文地质条件有所差异，需对其关键技术进行优化。以界沟煤矿东一10号煤层下太灰含水层为研究对象，系统阐述了多分支水平井注浆防水的技术原理和工艺流程，对比了水泥浆液、水泥—水玻璃浆液等性能，优选出注浆液；计算确定出水平井分支长度、分支间距、注入压力、注浆量等注浆关键参数，对现场应用效果进行了评价。结果表明:以水泥浆为注浆材料，水平分支长度在800 m左右，分支间距50 m，注入终压10 MPa，预测注浆量62 635 t；通过注浆成功封堵含水层，使三灰含水层及以上成为有效隔水层，为东一10号煤层开采提供了安全保障。