底砾含水层特大突水灾害的封盖治理技术

底砾含水层特大突水灾害的封盖治底砾含水层特大突水灾害的封盖治 理技术理技术 1 问题的提出 2001 年 11 月 24 日 皖北煤电集团公司祁东煤矿东翼 420m 水 平试采 3222 倾斜长壁工作面 在推进 48m 时 发生了第四系 底部砾石含水层 1570m3 h 特大突水淹井灾害 给国家和企业 造成了巨大的经济损失 根据 四含 水文长观孔水位观测 突 水后水温变化特点 水质化验资料和防水煤岩柱构成 分析出 水水源为第四系底 四含 水 导水通道可能为采动裂隙沟通风 化网络裂隙 或工作面中部存在有垂向导水裂缝带 使四含水 下泻所致 2 工作面概况 首采的 3222 工作面位于一平二采区 起止标高为 420 540m 长 800m 宽 150m 为倾斜条带综采工作面 煤岩柱高度 63 73m 煤层厚度平均 2 5m 平均倾角 10 左右 第四系松散层厚 370m 其底界标高为 358m 32 煤 层直接顶为泥岩 厚度 1 83 2 41m 老顶为砂岩 厚 0 89 10 41m 底板岩性为粉细砂岩为主 厚度 28 82m 底板 岩性粉细砂岩 厚度约 15m 左右 3 突水灾害的封盖治理 3 1 治理目标与技术难点 治理目标是要把 四含 水进入煤系地层和工作面的主要导水通 道予以彻底封堵 消除隐患 保障安全生产 经分析认为上述 导水通道大体有两种 一是 四含 与基岩直接接触部位的风化 网络裂隙渗透补给通道 二是存在于上部基岩段中 不规则的 垂向导水通道 包括构造裂等 及其与采动冒裂带的延伸与结 合 其治理的主要技术难点是 1 如何正确分析判断突水来水通道的隐伏部位和如何通过少 量钻孔进行有效 有控制的注浆封堵 2 如何正确确定冒裂带的上部边界和通过少量钻孔实现对采 空区和冒裂带充分的充填灌注 并使固体的硬度达到最适宜的 程度 3 如何尽可能扩大本次注浆的有效充填范围 并使各孔之间 的 注入体 实现有效的连接和尽可能地向周边地区延展 以改 善其相邻采区 工作面的生产条件 尽可能防止浆液的无效扩 散 4 如何通过浆液配比的调控 使早期注入的浆体 中期注入 的浆体以及晚期注入的浆体 通过加压脱水大体上达到同期凝 结的目的 并使注浆压力和单位时间注入量等达到可随机调整 控制使每一次注浆的有效性和合理性得到提高 5 根据注浆的特点和专门要求 在注浆的配套设备和工艺 技术方面必须克服和解决以下难点 粘土水泥浆的日造浆 注浆能力不小于 300m3 d 纯高稠度水泥浆的造浆能力不小 于 25m3 h 单孔最大注浆能力不小于 800l min 最小注入量不 大于 80l min 整个造浆注浆系统具有连续配制浆液和能高压 20mpa 压注比重高达 1 9 的高稠度浆的能力 3 2 封水层厚度的计算 封水层由所投砂石子和其后注入水泥浆胶结形成的压浆混凝土 构成 起到止水 加盖 的作用 必须有一定的厚度和强度才能 阻隔上部 四含水 的涌入 见图 1 图 1 3222 工作面治理工程布置平剖面图 据推突水时的水压为 4 6mpa 按抗剪强度校核其厚度 b2 为 b2 d 4 t 1 式中 b2 混凝土封水层的厚度 d 封水层的直径 取 30m 静水压力 mpa t 抗剪强度 mpa 取 200 混凝土的 1 5 由上述校核公式算得 b2 8 7m 3 3 充填固结段注浆压力的计算与注浆材料的配方选择 采空区 冒裂带得到基本充填之后 必须经过 加压 脱水 而 使已注入的粘土泥浆固结使之达到必要的强度和保持一定的 可 塑性 通过分析与反复试验 各孔的注浆压力 y 为 y h a 2 y 注浆压力 mpa 浆液密度 kg m3 h 受注点深度 m a 孔口压力 mpa 经反复试验取 2 7 4 4mpa 见表 1 和表 2 充填固结段的堵水材料必须具有胶凝封水的特性和有一定的塑 性 在地层岩移沿未稳定的条件下 胶凝后的浆液不致由于岩 层的移动而受破坏 失去隔水性能 因此浆液在胶凝后仍应具 有一定的塑性 能随着岩移的变形而变形 不破坏其隔水性能 经反复论证 决定选用粘土水泥复合浆液 这种浆液每立方米 胶凝材料中粘土约占体积的 80 水泥约 10 其它为改性添 加剂 浆液的成本较单纯的水泥浆液要低廉 是适合于大空间 注浆使用的浆液 注浆工艺如图 2 表 1 3222 工作面突水灾害治理工程上部基岩封水注浆情况简表 表 2 3222 工作面采空区 冒裂带加压脱水注浆达标情况简表 图 2 注浆工艺系统图 4 堵水质量评价 本项工程共注入粘土泥浆 41717 4m3 各项技术指标均已达到 堵水设计 的要求 多个钻孔取芯检查和孔内水位 放水量 的检测证实 可以认定 治理已取得了成功 主要依据如下 1 3222 工作面采出空间和闸内巷道的容积 以及由此引发 的采动冒裂带可供导水 存水的总容积不足 2 万 m3 而实际注 入的浆液总量为 4 17 万 m3 以最大的缩小 压实系数 70 计 算 其固化后的总体积至少应有 3 0 万 m3 这从数量上表明 不仅上述储水导水空间可以得到充分的充填 而且还有足够的 富余能力去充填基岩冒裂带以上的层间裂隙并向两侧岩体充填 扩散 2 各孔充填注浆的最终注浆压力 单位时间注入量和闭浆稳 压时间等均已严格达到 堵水设计 的要求 而用升压的条件 和过程明确 清楚 5 治理效果 祁东煤矿底砾含水层突水灾害堵水治理工程历时 2 个多月 共 施工钻孔 8 个 采用静水注浆技