CN104847379B - 一种奥灰顶部注浆加固工作面底板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井奥灰含水层注浆改造技术领域，涉及一种奥灰顶部注浆加固工作面底板的方法,在分析奥灰顶部注浆可行性基础上，分析下组煤受奥灰水威胁工作面，确定奥灰顶部注浆改造工作面底板区域；从突水系数出发，确定奥灰顶部注浆深度，并分析下组煤层奥灰顶部注浆情况，对各煤层注浆改造工作做出具体要求；然后采用注浆斜孔三级套管的设计，在工作面上均匀布置钻孔的原则，确保奥灰顶部含水层注浆有效性和针对性；最后采用多种方法联合评价注浆效果；能够及时划分受奥灰水威胁区域，确定奥灰顶部注浆厚度，通过注浆加固工作面底板，保证受奥灰水威胁工作面安全开采，提高资源枯竭矿井的产量，延长矿井服务年限。

Description

一种奥灰顶部注浆加固工作面底板的方法

技术领域：

本发明属于矿井奥灰含水层注浆改造技术领域，涉及一种奥灰顶部注浆改造工作面底板的工艺，特别是一种奥灰顶部注浆加固工作面底板的方法。

背景技术：

随着近年来华北型煤田开采深度的增加，矿山压力、奥灰含水层的水压也在显著增加，奥灰突水系数已超过临界值，奥灰直接突水的威胁愈来愈大，奥灰突水的危害单纯靠预防不能确保安全，必须开展对奥灰积极治理技术的研究，才能确保深部矿井受奥灰水威胁煤炭储量的安全开采。

针对煤矿底板岩溶水的治理主要经历以下发展过程：(1)煤田大规模工业放水试验技术，以肥城煤田为代表，先后分两期在煤田东、西部矿区实施了多矿井地面与井下联合进行的大规模工业放水试验和综合勘探试验，为矿井的水文地质条件划分提供了依据。经过放水实验研究查明区域性水文地质条件；(2)矿区薄层灰岩注浆改造技术，薄层灰岩注浆技术是从地面打孔，地面注水泥浆开始的，再到井下打孔，井下注水泥浆，最后发展到井下打孔，地面注粘土水泥浆的过程，实现了矿井水以预防为主到积极治理的跨越发展，该技术在华北型煤田得到了推广和应用；(3)突水机理研究研究，以《薄隔水层底板突水机理及预测》为代表的底板突水机理的研究。“以岩移运动为中心的”实用矿山理论出发，深入研究采场断层在矿山压力作用下活化机理；提出了开采煤层底板“下四带”划分理论，分析煤层底板隔水层原始导高形成机制，提出岩石的应力溶蚀机理；根据采场底板应力分布特征，研究岩石裂隙对底板高峰应力传播角的影响；提出了突水概率指数法预测底板突水的新方法，开发了底板突水预测预报应用软件；(4)奥灰顶部注浆改造技术探索阶段，在薄层灰岩注浆改造技术基础上，结合深部奥灰高水压、岩溶裂隙发育不均一性等特征，通过现场试验与理论研究结合，探索性对奥灰顶部进行注浆改造工作面底板。

目前，“五灰以治为主，奥灰以防为主”的防治水指导思想已不能够满足矿区深部安全生产的需要，必须对奥灰进行主动治理。因此，寻求一种基于奥灰顶部注浆技术加固工作面底板的方法，在矿区深部严重受奥灰水威胁实际情况下，在国内外防治水研究成果基础上，尤其在薄层灰岩注浆改造经验基础上，通过多年的实践探索，理论联系实践，形成奥灰顶部注浆改造工作面底板的方法，利用该方法能够及时划分受奥灰水威胁区域，确定奥灰顶部注浆厚度，通过一系列注浆改造工作面底板工作环节，最终保证受奥灰水威胁工作面安全开采，提高资源枯竭矿井的产量，延长矿井服务年限。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种基于奥灰顶部注浆技术加固工作面底板的方法，首先在分析奥灰顶部注浆可行性基础上，分析下组煤受奥灰水威胁工作面，确定奥灰顶部注浆改造工作面底板区域；从突水系数出发，确定奥灰顶部注浆深度，并分析下组煤层奥灰顶部注浆情况，对各煤层注浆改造工作做出具体要求；然后采用注浆斜孔三级套管的设计，在工作面上均匀布置钻孔的原则，确保奥灰顶部含水层注浆有效性和针对性；最后采用先进的注浆改造工艺及多种方法联合评价注浆效果等一系列工作，以保证奥灰顶部注浆加固工作面底板的质量问题，确保工作面能安全回采。

为了实现上述目的，本发明具体包括以下步骤：

(1)、分析奥灰顶部注浆的可行性：奥灰含水层是具有层控性、构控性和韵律性的多层段含水层，各含水层段具有相对独立性和相互联系性；其中奥灰顶部上段0～20m为相对弱含水层段，其中0～10m范围为相对隔水层段，形成奥灰顶部注浆改造所需的盖层；奥灰顶部中段20～40m是相对强含水层段，为奥灰顶部注浆改造的目的层段；奥灰顶部下段40～150m是厚度为90m的相对弱含水层段，为奥灰顶部注浆改造目的层段所需的底层；

(2)、确定奥灰顶部注浆加固工作面底板的区域：对具备下列条件之一的工作面底板进行改造：(a)根据《煤矿防治水规定》：底板受构造破坏地段工作面奥灰突水系数超过0.06MPa/m，正常地段工作面奥灰突水系数超过0.1MPa/m；(b)工作面奥灰突水系数不超过《煤矿防治水规定》，但处于富水区和强迳流带内，综合分析有奥灰突水危险的；(c)通过现有的物探、钻探、巷探或抽/放水试验，检测到工作面底板存在构造破碎带、导水裂缝带、隔水层变薄带、陷落柱、奥灰水补给薄层灰岩的垂向通道异常带，底板隔水层不能抵抗薄层灰岩和奥灰含水层的实际水压值的；

(3)、确定奥灰顶部注浆深度：将注浆改造前后奥灰水头压强p₁、p₂的公式：

$p_1=\frac{H+h+M_1}{100}---\left(1\right)$

带入突水系数公式中:

$T=\frac{P}{M}---\left(3\right)$

得到奥灰顶部注浆改造深度M_改的计算公式：

其中，公式(1)和(2)中H为工作面标高，m；h为奥灰水位标高，m；M₁为改造前底板隔水层厚度，m；M_改为奥灰顶部改造深度(即改造后增加隔水层厚度)，m；式(4)中T₁为改造前突水系数，MPa/m；T₂为改造后突水系数，MPa/m；式中，T₁为加固前的工作面奥灰突水系数，单位为MPa/m；T₂为加固后的工作面奥灰突水系数，单位为MPa/m；M₁为加固前工作面底板隔水层厚度，单位为m；再利用公式(4)，结合工作面奥灰突水系数及临界标高分别计算下组煤各煤层工作面底板奥灰顶部注浆深度；从第一层煤开始，当第一层煤开采完成后，使用现有双端封堵侧漏装置现场测量第一层煤底板破坏深度，为开采第二层煤提供注浆改造数据，以此类推，至最后一层煤结束；

(4)、注浆钻孔：注浆钻孔的倾角在25～35度之间变化，在同一地点不同走向采用“多次开孔”的原则，减少钻机的移动带来的不便，使用现有的“三级套管”结构进行注浆钻孔，确保奥灰顶部注浆的有效性；钻孔揭露及穿过五灰含水层时，要测定五灰含水层的水压、水量并对该含水层进行注浆，防止五灰含水层对奥灰顶部注浆造成影响；

(5)、注浆：在地面通过注浆站将粘土水泥浆制作完成后，通过井下运输管道将粘土水泥浆运送到相应注浆加固的工作面，通过注浆泵对施工好的钻孔进行井下注浆加固工作面底板工作，在注浆过程中采用注浆工作面分次序、单孔分段注浆、单段连续注浆与间歇注浆相结合的方法，注浆工作面采用先疏后密、中间补插的方法，单个注浆钻孔先对五灰进行注浆，再延伸到奥灰顶部注浆，一个孔段进行连续注浆，发现井下跑浆时间歇注浆；注浆压力为注浆含水层水压的2～5倍；注浆泵量根据含水层岩溶裂隙的发育程度确定；注浆浆液密度为1.12～1.18g/cm³；

(6)注浆效果检测及评价：采用现有钻探或矿井地球物理检测法对注浆效果检测，对构造复杂的区域做出重点检测；注浆效果检测完成后，利用现有钻探法检查孔水量大小的变化对注浆效果评价，同时利用矿井地球物理成果图，对比注浆前后物性变化并做出注浆效果评价。

本发明与现有技术相比，能够及时划分受奥灰水威胁区域，确定奥灰顶部注浆厚度，通过注浆加固工作面底板，保证受奥灰水威胁工作面安全开采，提高资源枯竭矿井的产量，延长矿井服务年限。

附图说明：

图1为本发明奥灰顶部岩层富水性剖面图。

图2为本发明奥灰顶部注浆钻孔设计剖面图。

图3为本发明某矿8804工作面钻孔设计平面图。

图4为本发明某矿注浆前101002工作面底板奥灰顶部电阻率切片图。

图5为本发明某矿注浆后101002工作面底板奥灰顶部电阻率切片图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例对某矿区的奥灰顶部注浆改造工作面，其具体过程为：

(1)、奥灰顶部注浆的可行性分析：奥灰含水层并不是传统认为的一个含水层，而是具有层控性、构控性、韵律性等特征的多层段含水层，各含水层段具有相对独立性和相互联系性，奥灰顶部主要指中奥陶系灰岩峰峰组上段,峰峰组上段厚度154.68m，根据1986年西安煤科院研究结果及实际探查情况，共分三个层段，如图1所示：

奥灰顶部上段(0～20m)为相对弱含水层段，其中0～10m范围为相对隔水层段，形成奥灰顶部注浆改造所需的“盖层”；奥灰顶部中段(20～40m)是相对强含水层段，为奥灰顶部注浆改造最佳目的层段；奥灰顶部下段(40～150m)范围为厚度约90m的相对弱含水层段，为奥灰顶部注浆改造目的层段所需的“底层”，综上分析，奥灰顶部具备注浆改造的良好地质环境条件，为奥灰顶部逐渐提供了物性条件。

(2)、奥灰顶部注浆改造工作面底板区域确定：

奥灰顶部注浆改造技术要在一定的条件下才能使用，在该矿区—般具备下列条件之一的可采用奥灰顶部注浆改造工作面底板：

(a)《煤矿防治水规定》底板受构造破坏地段工作面奥灰突水系数超过0.06MPa/m，正常地段工作面奥灰突水系数超过0.1MPa/m；

(b)工作面奥灰突水系数虽不超过《煤矿防治水规定》，但处于富水区及强迳流带内，综合分析有奥灰突水危险的；

(c)通过物探、钻探、巷探、抽(放)水试验等手段，查明工作面底板存在构造破碎带、导水裂缝带、隔水层变薄带、陷落柱、奥灰水补给薄层灰岩的垂向通道等异常带，底板隔水层不能抵抗薄层灰岩和奥灰含水层的实际水压值的；

具备以上条件的工作面，奥灰顶部注浆改造时，奥灰注浆改造钻孔在穿过底板薄层灰岩(徐家庄灰岩)时先对徐家庄灰岩进行注浆改造，然后将钻孔延深至奥灰顶部进行奥灰顶部注浆改造。

(3)、奥灰顶部注浆改造深度确定：

将注浆改造前后奥灰水头压强p₁、p₂的公式：

$p_1=\frac{H+h+M_1}{100}---\left(1\right)$

带入突水系数公式中:

$T=\frac{P}{M}---\left(3\right)$

得到奥灰顶部注浆改造深度M_改的计算公式：

其中，公式(1)和(2)中H为工作面标高，m；h为奥灰水位标高，m；M₁为改造前底板隔水层厚度，m；M_改为奥灰顶部改造深度(即改造后增加隔水层厚度)，m；式(4)中T₁为改造前突水系数，MPa/m；T₂为改造后突水系数，MPa/m；利用公式(4)分别分析7、8、9、10层煤的奥灰底部注浆深度，根据工作面奥灰突水系数及临界标高计算表(表1)，7煤T＝0.06MPa/m时临界标高-420m，T＝0.08MPa/m时临界标高-600m，T＝0.1MPa/m时临界标高-800m。

该矿区最大开采深度-450m左右，开发标高处于安全范围内，考虑矿区7煤的隔水层厚度大，开采深度奥灰突水系数小于0.08MPa/m，且奥灰顶部注浆改造孔深度大，施工难度大等特点，因此对7煤不实施奥灰顶部注浆改造，主要实施五灰注浆改造和疏水降压防治水措施。

根据工作面奥灰突水系数及临界标高计算表(表1)，8煤T＝0.06MPa/m时临界标高-235m，T＝0.08MPa/m时临界标高-340m，T＝0.1MPa/m时临界标高-450m，根据以上临界标高可分为三段进行注浆改造，在在-230～-340m范围，由公式(4)得注浆深度为22.4m；-340～-450m注浆深度为44.8m；8层煤工作面奥灰突水系数大于0.1(MPa/m)时，奥灰顶部需注浆改造深度需根据实际突水系数大小计算确定；

考虑9、10煤层间距小，类似于分层开采，因此，奥灰顶部注浆改造深度按10层煤计算，由公式(4)得出10煤在-140～-220m注浆厚度为22.4m；-220～-300m范围内注浆厚度为31.36m；9、10层煤工作面奥灰突水系数大于0.1(MPa/m)时，奥灰顶部需注浆改造深度需根据实际突水系数大小计算确定。

表1：工作面奥灰突水系数及临界标高计算表

当上层煤开采完成后，需要使用双端封堵侧漏装置现场测量上煤层(以8煤为例)底板破坏深度，为开采下层煤(以9层煤为例)提供注浆数据，如果8层煤底板破坏深度没有到达奥灰顶部，则只需要在下层煤进行8层煤注浆孔总数20％的检查孔进一步注浆加固工作面底板，如果8层煤的底板破坏深度达到奥灰顶部注浆处，则需要奥8层煤注浆改造的程序进行注浆改造工作面底板。

(4)注浆钻孔设计及施工:

(a)钻孔设计倾角要求:为提高钻孔利用率，采用“分段注浆”的方式，不仅可以对五灰含水层进行注浆，而且还能对奥灰的含水层进行注浆，尽可能的穿越工作面底板下奥灰含水层，因此根据工作面底板标高到奥灰顶部含水层的距离h与注浆钻孔在回采工作面上投影L的比值即为注浆钻孔的角度的正切值。由于工作面底板到奥灰含水层的距离固定，注浆钻孔在回采工作面上的投影在一定范围内变化，要求在25～35度变化范围；为了节省移动钻机的劳动力，在同一钻机地点进行“多次开孔”。工作面奥灰顶部注浆钻孔的设计如图2所示，从8804工作面运输顺槽像轨道顺槽方向打钻孔，在8804轨道运输顺槽同一钻机点，施工8804奥灰5、6、7三个不同走向的注浆钻孔；

(b)注浆钻孔套管及施工要求:钻孔结构如图3所示，开孔直径为146mm,套管Ф127mm，长5m；二级结构Ф108mm，套管35m，钻至11煤层以下5m位置；三级结构Ф89mm，套管70m，钻至奥灰层位1m位置；终孔结构Ф73mm。预计该处五灰水压3.7MPa；奥灰水压4.5MPa，止水套管按规定需20m，一、二、三级套管长度均满足要求；为满足高压注浆需要，钻孔水门安设在末级套管上，各级套管法兰盘要叠加后与水门连接，水门的最大抗压能力要与注浆终孔压力相匹配；下套管时钻孔深度要比预计下套管深度深0.5m,下入套管后采用新鲜的P.O42.5水泥制作成水灰比为0.8:1～1:1(比重为1.4～1.6)纯水泥浆进行封孔，个别矿井为提高凝固时间，采取添加水玻璃措施，纯水泥浆凝固时间不低于72小时后扫孔进行耐压试验，耐压试验的压力不低于最大注浆压力加1MPa，五灰含水层注浆改造结束72小时后，方可扫孔进入五灰层位，如五灰水量大于5m³/h,要再进行注浆加固。

(5)、注浆改造工艺：

在地面通过注浆站将粘土水泥浆制作完成后，通过井下运输管道将粘土水泥浆运送到相应注浆改造的工作面，通过注浆泵对施工好的钻孔进行井下注浆改造工作面底板工作。在注浆过程中采用注浆工作面分次序、单孔分段注浆、单段连续注浆与间歇注浆相结合的方法：注浆工作面采用先疏后密、中间补插的方法，单个注浆钻孔先对五灰进行注浆改造，再延伸到奥灰顶部注浆改造，一个孔段进行连续注浆，发现井下跑浆时可间歇注浆；注浆压力一般选择注浆含水层水压的2～5倍；注浆泵量根据含水层岩溶裂隙的发育程度确定泵量；注浆浆液密度一般采用1.12～1.18g/cm³。为了增加浆液扩散距离，提高注浆效果，单孔终孔的标准需要高压力、小泵量、稀浆液。

以某矿8804工作面注浆改造工作面底板(图2)为例，共施工31个注浆钻孔，其中面外施工钻孔9个钻孔，面内施工22个钻孔。8804工作面注浆方法采用的是分段分序次的方式，其中第一序次施工钻孔9个，第二序次施工钻孔8个，检查孔5个。单个注浆钻孔以第一序次的8804工作面奥22钻孔注浆情况统计表(表2)为例说明。奥22钻孔孔口标高-362.2m，孔深152m，倾角26度，其中在揭露五灰含水层时水压时钻孔水压是1.5Mpa，涌水量是10m³/h，大于5m³/h，需要对五灰含水层进行注浆，注浆总量223.5m³，浆液密度1.12～1.15g/cm³，使用粘土53.6t，水泥27.7t，注浆过程中注浆压力在3～4MPa，注浆泵量100～120L/min，注浆时间37个小时。五灰注浆完成后，延伸钻孔至奥灰含水层，奥灰水压为3.6Mpa，水量是70m³/h，注浆过程中，注浆压力在8～10MPa,注浆总量247.9m³，粘土55.9t，水泥38.9t浆液密1.14～1.17g/cm³，注浆泵量是110～120L/min，在注浆过程中出现跑浆现象，因此采用间歇式注浆，注浆时间为53小时，终孔压力11.5MPa。

表2:奥22注浆钻孔统计表

(6)、注浆效果检测及评价：

①注浆效果检测：采用钻探检测法或物探检测法对注浆效果进行检测

a)钻探检测法：钻探检查孔布置在分析注浆质量差、构造薄弱带、物探异常带或注浆孔稀疏的地段，检查孔的数量不少于注浆孔的20％，主要监测内容为单孔水量和裂隙充填情况，有条件的可采用井下钻孔窥视仪观察岩体裂隙中浆液的结石、充填情况；

b)物探检测法：主要利用采用井下三维电法、瞬变电磁等矿井物探方法对工作面内底板注浆改造前后进行精细探查，通过对比注浆前后岩层电阻率的变化，分析工作面底板岩层注浆改造情况。

②评价方法：

a)注浆改造前后水量比较法：检查孔水量达到以下规定时，采煤工作面方能进行开采：-300m以浅检查孔水量不大于20m³/h；-300m以深检查孔水量不大于10m³/h。以8804工作面注浆检查钻孔统计表见(表3)(斜杠前为注浆前数据，斜杠后为注浆后数据)，共施工5个检查钻孔，标高都在-300m以下，因此大于10m³/h，需要对奥灰含水层进行注浆改造。奥5和奥18处注浆效果不好，需进行进一步注浆改造加固工作面底板，经注浆加固后满足要求。

表3:检查孔情况统计表

b)物探对比法：通过对工作面注浆改造前后物探成果对比分析，结果如图4、5所示，对比注浆前后电阻率切片可知，切片左部低阻区域明显减少，原来电阻率值变大，且低阻区域范围的形状发生了改变；右边的高阻区域发生了变化，部分地层电阻率值相对注浆前变小，说明经相干注浆后改变原来地层电阻率值，整体地层电阻率变大，局部地层电阻率值变小；电阻率值变化的原因是直流电法测量的是视电阻率值，并不是地层的真实电阻率，视电阻率是地层富水规律的整体反映，因此对于局部富水区域要进行进一步注浆，以保证工作面安全生产。

Claims (1)

1.一种奥灰顶部注浆加固工作面底板的方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)、分析奥灰顶部注浆的可行性：奥灰含水层是具有层控性、构控性和韵律性的多层段含水层，各含水层段具有相对独立性和相互联系性；其中奥灰顶部上段0～20m为相对弱含水层段，其中0～10m范围为相对隔水层段，形成奥灰顶部注浆改造所需的盖层；奥灰顶部中段20～40m是相对强含水层段，为奥灰顶部注浆改造的目的层段；奥灰顶部下段40～150m是厚度为90m的相对弱含水层段，为奥灰顶部注浆改造目的层段所需的底层；

(2)、确定奥灰顶部注浆加固工作面底板的区域：对具备下列条件之一的工作面底板进行改造：(a)根据《煤矿防治水规定》：底板受构造破坏地段工作面奥灰突水系数超过0.06MPa/m，正常地段工作面奥灰突水系数超过0.1MPa/m；(b)工作面奥灰突水系数不超过《煤矿防治水规定》，但处于富水区和强迳流带内，综合分析有奥灰突水危险的；(c)通过现有的物探、钻探、巷探或抽/放水试验，检测到工作面底板存在构造破碎带、导水裂缝带、隔水层变薄带、陷落柱、奥灰水补给薄层灰岩的垂向通道异常带，底板隔水层不能抵抗薄层灰岩和奥灰含水层的实际水压值的；

(3)、确定奥灰顶部注浆改造深度：将注浆改造前后奥灰水头压强p₁、p₂的公式：

$p_1=\frac{H+h+M_1}{100}---\left(1\right)$

带入突水系数公式中:

$T=\frac{P}{M}---\left(3\right)$

得到奥灰顶部注浆改造深度M_改的计算公式：

其中，公式(1)和(2)中H为工作面标高，单位为m；h为奥灰水位标高，单位为m；M₁为改造前底板隔水层厚度，单位为m；M_改为奥灰顶部改造深度，单位为m；式(4)中T₁为改造前突水系数，单位为MPa/m；T₂为改造后突水系数，单位为MPa/m；再利用公式(4)，结合工作面奥灰突水系数及临界标高分别计算各煤层工作面底板奥灰顶部注浆深度；从第一层煤开始，当第一层煤开采完成后，使用现有双端封堵侧漏装置现场测量第一层煤底板破坏深度，为开采第二层煤提供注浆改造数据，以此类推，至最后一层煤结束；

(4)、注浆钻孔：注浆钻孔的倾角在25～35度之间变化，在同一地点不同走向采用“多次开孔”的原则，减少钻机的移动带来的不便，使用现有的“三级套管”结构进行注浆钻孔，确保奥灰顶部注浆的有效性；钻孔揭露及穿过五灰含水层时，要测定五灰含水层的水压、水量并对该含水层进行注浆，防止五灰含水层对奥灰顶部注浆造成影响；

(5)、注浆：在地面通过注浆站将粘土水泥浆制作完成后，通过井下运输管道将粘土水泥浆运送到相应注浆加固的工作面，通过注浆泵对施工好的钻孔进行井下注浆加固工作面底板工作，在注浆过程中采用注浆工作面分次序、单孔分段注浆、单段连续注浆与间歇注浆相结合的方法，注浆工作面采用先疏后密、中间补插的方法，单个注浆钻孔先对五灰进行注浆，再延伸到奥灰顶部注浆，一个孔段进行连续注浆，发现井下跑浆时间歇注浆；注浆压力为注浆含水层水压的2～5倍；注浆泵量根据含水层岩溶裂隙的发育程度确定；注浆浆液密度为1.12～1.18g/cm³；

(6)注浆效果检测及评价：采用现有钻探或矿井地球物理检测法对注浆效果检测，对构造复杂的区域做出重点检测；注浆效果检测完成后，利用现有钻探法检查孔水量大小的变化对注浆效果评价，同时利用矿井地球物理成果图，对比注浆前后物性变化并做出注浆效果评价。