荣康回风立井工作面预注浆安全技术措施

作者:安全管理网  来源:安全管理网 点击:  评论:  更新日期:2016年11月20日
一、工程概况
根据荣康回风井工作面现场涌水量16m⊃;/h以及预计最大涌水量25m⊃;/h,我项目部与矿方共同研究决定对荣康回风立井工作面进行注浆施工,为了保证井筒175m至235m安全施工特制定本措施。
1)含水层
根据井田地层岩性的组合特征、含水介质的岩性、地下水赋存条件及水力特征,井田内地下水类型包括碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类裂隙水及松散岩类孔隙水。其相应的含水层主要有:
1、碳酸盐岩类裂隙岩溶水
井田内碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水层主要为奥陶系中统马家沟组与峰峰组灰岩。其中,峰峰组及马家沟组石灰岩是本井田煤系地层下伏的主要含水层,且本井田煤层属带压开采,是本井田矿井生产的主要威胁。奥陶系石灰岩出露于井田外东南部,露头所见溶洞,裂隙比较发育,所见奥灰岩性为致密块状质较纯,裂隙被方解石充填。据1996年9月至1997年1月由144队在辛置煤矿井下施工的307号水文钻孔O2f抽水试验,单位涌水量1.1028-1.4236L/s·m,水质类型SO4-K+·Na·Mg型,富水性强。水位标高518.75m。ZK203号钻孔抽水试验单位涌水量1.015L/s·m,水位标高516.29m,由于推断本井田水位标高约为515-525m左右。因此,井田内该类型地下水属富水性强的溶隙含水层。
2、碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层
井田内碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水层主要指石炭系上统太原组砂岩与灰岩含水层,其中K3、K2灰岩为主要含水层。岩性为深灰色致密坚硬石灰岩,其中K2石灰岩为主要含水层,为9号煤层直接充水含水层,裂隙溶隙较发育,据1996年9月至1997年1月由144队辛置煤矿井下施工的307号水文钻孔,太原组抽水试验单位涌水量为0.5769-0.6801L/s·m,水位标高500m,水质类型SO4·HCO3-K+·Na·Ca·Mg型,富水性中等。2010年施工的ZK203号钻孔太原组抽水试验单位涌水量为0.041L/s·m,富水性弱。因此,井田内该类型地下水为富水性弱-中等的溶隙含水层。
3、碎屑岩类裂隙水含水层
井田内碎屑岩类裂隙水含水层主要包括二叠系上石盒子组、下石盒子组及山西组地层中的砂岩含水层,其中,这些地层中分布的厚度较大的上石盒子组K12、K10,下石盒子组K9、K8砂岩及山西组中的K7砂岩为最主要的含水层。
1)山西组(K7)砂岩裂隙含水层
细粒砂岩、细粒石英砂岩为主,灰白色、灰色,裂隙不甚发育,富水性弱,裂隙含水组浅部一般以风化裂隙潜水为主,K7砂岩含水层为2号煤层主要含水层,随埋深的增加,裂隙发育减弱。ZK203号钻孔抽水试验单位涌水量为0.024L/s·m,因此,该层属弱富水裂隙含水层。
2)下石盒子组砂岩裂隙含水层
岩性为灰白色、浅黄灰色,厚层状,局部变为薄层状,裂隙发育较差。K8砂岩为2号煤层的顶板,成为煤层直接充水含水层,该层受地形影响,受大气降水及地表水补给差异性较大,泉流量在0.02-0.05L/s,该层属富水性中等的裂隙含水层。
3)上石盒子组砂岩裂隙含水层
岩性为黄绿色,厚层状,中、细粒砂岩,裂隙不发育,为较弱含水层。
4)基岩风化壳含水层
由于风化水蚀作用的强弱,裂隙的深度因地而异,风化深度30-50m,含水性变化大,据邻近水井的调查资料,水量不大,能满足居民和牲畜饮用。水位标高变化较大,水质类型:重碳酸氯化—钙镁型水,为较弱含水层。
4、松散岩类孔隙水含水层
井田内松散岩类孔隙水含水层主要是黄土梁峁区的第四系中上更新统孔隙含水层及分布在部分较大沟谷中的第四系全新统含水层。
1)第四系中上更新统松散含水层
主要分布在山间沟谷地带,第四系松散层最大厚度约为100m,其中下部分布的砂砾石层为其主要含水层,其中的亚砂土层也有一定的含水性。其下部的第三系粘土层或二叠系上石盒子组泥岩为主要隔水层。井田内该类型地下水多为上层滞水,地下水位变化较大,在沟谷边往往出露成泉。
2)隔水层
井田内主要的隔水层有石炭系本溪组隔水层和石炭系太原组、二叠系山西组隔水层,现分述如下:
1、石炭系中统本溪组隔水层
井田内最下部11号煤层至奥灰水含水层之间的隔水层,是由铝质泥岩、粉砂岩、泥岩、石英砂岩等致密岩层组成,厚度约28.03m,具有良好的隔水性能,系奥陶系中统岩溶水与太原组砂岩裂隙水间的良好隔水层。其分布稳定,延续性好,具区域隔水作用。通常情况下,垂直方向使11号煤层以上含水层与奥灰岩溶水不发生水力联系。
2、石炭系太原组、二叠系山西组隔水层
由石炭系太原组、二叠系山西组泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩及煤层等组成隔水层,分布于各层砂岩和石灰岩含水层之间,构成平行复合结构,起层间隔水作用,单层厚度为数米至数十米。该隔水层的存在是相邻含水层间水力联系程度弱的主要因素,也是含水层垂向上的隔水边界。井田内太原组隔水层一般厚80m左右,在无断层贯通情况下,太原组石灰岩溶隙将不会影响上组煤的开采;下石盒子组泥岩、粉砂岩隔水层一般厚90m左右,致密岩层对地表水及潜水起隔水作用。
回风井175m至235m含水层列表

 

深度(m)
厚度(m)
岩性
176
6
中粒砂岩
192.3——199.5
7.2
粉砂岩
199.5——204.9
5.3
粉砂岩
205.4——208.3
2.9
粉砂岩
209.1——214.8
5.7
粉砂岩
214.8——217.6
2.8
中粒砂岩
217.6——228
10.4
粉砂岩
228——230.5
2.5
中粒砂岩
233.8——234.6
0.8
中粒砂岩
   回风立井175m至235m共计9层含水层。
三、施工方案
根据含水层的赋存特点,该井筒计划分1个注浆段进行工作面预注浆堵水。含水层采用1米混凝土止浆帽,防止含水层涌水在水头压力作用下从底部岩石裂隙涌出,造成淹井事故。
立井工作面预注浆的段高,主要考虑钻机能力和含水层厚度。此次注浆段高,经综合考虑确定如下:
1、注浆段高划分
注浆段垂深175m至235m,段高60m;
合计工作面注浆总长度60m。
2.布孔方式
为使注浆孔更多地揭露裂隙,提高注浆效果,决定将钻孔布置为径向斜孔,钻机应尽量靠近井壁,开孔中心到井壁距离为500mm,终孔位置在井筒掘进半径外2m处,采用同心圆等距布孔,一圈布孔6个,孔间距2.1m,终孔半径4.9m。(见附图)。
3.注浆孔角度
主要根据裂隙的方向及其分布情况来确定,要保证注浆孔与裂隙相交。要有足够的浆液扩散半径来保证止水效果。为此,应布置径向斜孔超出井帮一定距离,倾斜孔在径向的倾角a可用下式计算:
a= arctan[(S+A)/H]=arctan(3/60)=2.9°
式中:S—孔底超出井筒荒径的距离,取2米。
H—注浆段高。
A—孔口距井筒荒径的距离,1米。
此时,每个注浆孔均按两种角度布置。一是切线角,一般为110~1300,二是径向倾角。
4.注浆方式
采用下行压入式注浆的方法。一次钻孔,钻孔成型后进行注浆。第一个钻孔注浆的同时按钻孔顺序施工下一个钻孔。
1、浆液扩散半径
实际上,浆液的扩散是不规则的。由于在注浆施工过程中,对注浆压力、注入量、浆液浓度等参数可以加以人为控制、调整,对浆液的扩散范围,可以起到一定的控制作用。一般在含水层砂岩裂隙开度在0.5-40mm时,有效扩散半径为6-8m,结合多年井筒工作面预注浆的施工经验,单液水泥浆,扩散半径可按8m计算。如果是微裂隙或孔隙水,注浆难度较大,颗粒性材料可注性差,此时应选择化学浆液注浆,浆液有效扩散半径按4m计算,适当加密注浆孔的间距,增加注浆孔个数。
2、注浆压力
注浆终压为静水压力的的2.0~2.5倍。本次工作面预注浆,揭露砂岩含水层承压水,静水压没实测数据,临时确定注浆终压为10~12Mpa。待含水层揭露后,实测到静水压数据,再定实际注浆终压。
3、浆液注入量
浆液注入量可根据扩散半径(8m)及岩石裂隙率进行粗略计算,仅能作为施工参考。
1)含水层注入量
总注浆段高按60m计算,岩石裂隙率取5%(一般为1~5%)。
Q=AπR2Hηβ/m式中:
Q—总注入量;
R—扩散半径,取8m;
H—注浆段高,按60m计;
η—由于实际揭露岩性裂隙较发育,岩层裂(孔)隙率,取5%;
β—浆液充填系数,取0.85;
m—结石率,取0.85;
A—浆液损失系数,取1.5,(一般A=1.2~1.5)
Q=1.5×3.14×82×60×5%×0.85/0.85=904.3(m3)
以上岩石裂隙率为估计值,施工中应按实际情况调整浆液注入量。
4、浆液配比
注浆首选单液水泥浆,单液浆起始浓度先稀后浓。当涌水量大需要及时封堵时,可采用水泥—水玻璃双液浆。浆液起始浓度的确定,通常根据注浆前压水试验时钻孔的最大吸水量来选择,浆液的起始浓度可根据下表一来确定。
表一 浆液起始浓度

 

钻孔最大吸水量(L/min)
浆液浓度(水:灰)
60~80
2:1
80~150
1.5:1
150~200
1.25:1或1:1
200
1:1或双液
表二 浆液配比表

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