CN109915071B

CN109915071B - 一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺

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Publication number: CN109915071B
Application number: CN201910376017.XA
Authority: CN
Inventors: 刘超; 任培良; 霍槟槟; 王振林; 孙可辉; 冯冲; 刘战伟; 何伟; 陈海洋; 刘佳; 鲁雷; 王荣才; 邵钢厂; 邢征峰; 禹宗志; 柴茂嘉; 苏亚周; 阮杰; 金丙强; 肖光岐
Original assignee: Yima Coal Group Mengjin Coal Mine LLC
Current assignee: Yima Coal Group Mengjin Coal Mine LLC
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2039-05-07
Also published as: CN109915071A

Abstract

本发明涉及一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，属于煤矿领域，所述三步是指注浆时，首先选注粘土浆，其次选注粘土水泥混合浆，最后注水泥浆，顺序逐次递进选取浆液类型，使注浆的岩层由下至上、由远及近依次形成粘土浆充填层、粘土水泥混合浆充填改造段、水泥浆充填加固层三层互叠的隔水层；所述三速是指浆液流速按三个速度进行控制调配，首先选择快速档，而后依次用中速档、慢速档进行注浆。本发明所述注浆加固工艺在钻孔出水后，通过注浆材料的选择、注浆浆液和注浆速度档位的调配及浆液配方控制等一系列具有较强操作性的技术标准，达到快速高效注浆效果，能够有效的注浆改造高水压条件下的底板含水层。

Description

一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺

技术领域

本发明属于煤矿领域，具体地，涉及一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺。

背景技术

长期以来，煤层底板突水一直是严重影响我国煤矿资源安全开釆的一个主要因素，特别是构造区域的断层突水更为严重。例如，华北石炭二叠系煤田是我国重要的产煤区，其下组煤位于含水丰富的奥灰含水层或太原组灰岩含水层以上，在釆矿活动影响下，发生底板突水可能性较大。据统计，有五分之三的煤矿不同程度地受到煤层底板承压水的威胁；仅华北地区受其危害的矿井就有多个，造成五分之二左右的煤炭资源不能正常开釆回收。

注浆技术起源于地下突水工程的特殊需要，从1802年法国使用粘土、石灰加固迪普港的砖石砌体开始，至今已有210年历史，20世纪90年代后期至21世纪初，皖北矿务局、郑煤集团、邢矿集团等相继发生特大突水，通过定向钻进、定点注浆、引流注浆，成功快速封堵了煤矿水害，创造了煤矿突水灾害快速治理的配套技术。虽然国内外煤矿防治水工作在不断地探索前进，根据自身的条件和特点进行了研究和试验，已初步形成一套行之有效的矿井防治水理论、对策、方法、手段和有关的管理制度。但许多老矿区浅部煤炭资源已近枯竭，深层煤炭资源幵采中高地压、高水压开采环境下，矿井水防治已成为严重的工程问题和地质问题。面对复杂的水文地质条件，不少水患因素正在被不断揭露、重新认识、深入研究和解决。目前国内外矿井对复杂的水文地质条件下高压水防治尚未有成熟的技术和经验，不可避免地面临一些问题：矿井一般沿用粘土混合浆匀速注浆法，注浆钻孔全程选用粘土混合浆匀速注浆，注浆过程中存在一些不足，会出现部分钻孔不吃浆的问题。再例如，新安煤田二1煤层主要受底板下奥陶系灰岩含水层威胁，其富水性强，水压高，工作面回采时底板突水可能性大，必须探索高水压条件下的底板含水层改造或底板加固高压注浆技术，同时研究配套的钻探技术，以达到矿井安全生产的目的。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺。本发明所述注浆加固工艺在钻孔出水后，通过注浆材料的选择、注浆浆液和注浆速度档位的调配及浆液配方控制等一系列具有较强操作性的技术标准，达到快速高效注浆效果，能够有效的注浆改造高水压条件下的底板含水层。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，包括注浆前准备工作、钻孔洗孔放水、压水试验、连接钻孔注浆和结束注浆五个步骤；在注浆过程中，选取注浆材料并按照三个步骤进行注浆：首先选注粘土浆，其次选注粘土水泥混合浆，最后注水泥浆，顺序逐次递进选取浆液类型，使注浆的岩层由下至上、由远及近依次形成粘土浆充填层、粘土水泥混合浆充填改造段、水泥浆充填加固层三层互叠的隔水层；浆液类型变换的依据为每种浆液的注浆干料量达到钻孔出水量3倍；

注浆时，注浆浆液流速按三个速度进行控制调配，首先选择快速档，而后依次用中速档、慢速档进行注浆；快速档注浆是针对含水层裂隙发育、通道畅通，吃浆量大的钻孔，以充填为主；中速档和慢速档注浆是针对含水层裂隙不发育、通道不畅通，注不进浆的钻孔；速度变换的依据为注浆孔孔口压力和浆液流速变化情况。

作为对上述方案的进一步优化，所述快速档是指5档或4档，所述中速档是指3档，所述慢速档是指2档；所述5档的流量为15m³/h，所述4档的流量为9.7m³/h，所述3档的流量为6.1m³/h，所述2档的流量为3.5 m³/h。

作为对上述方案的更进一步优化，注粘土浆时，地面注浆从4档开始比重1.4，当干料量达到2倍，地面压力仍没有增加，可使用5档和4档交替注浆，每个档位1个小时，5档井下压力达到10Mpa时换4档；当地面压力1Mpa，干料未达到3倍，井下孔口压力13Mpa，调整3档，3档注浆时，地面压力2Mpa时，干料未达到3倍，3档和2档交替注浆，3档2个小时，2档1个小时；3档注浆时，3档2个小时内不起压，再换4档进行注浆；粘土浆达到三倍后换注粘土水泥混合浆；

注粘土水泥混合浆时，地面注浆从4档开始比重1.16-1.2，当孔口压力到13Mpa时换3档进行注浆，注浆结束；当干料量达到3倍时可换水泥浆；

注水泥浆时，地面注浆从4档开始比重1.11-1.15，直至注浆结束。

作为对上述方案的更进一步优化，所述注浆结束的标准为：①注浆终孔压力≥13MPa及注浆干料量/单孔涌水量≥3；②注浆干料量/单孔涌水量未到达3倍，注浆终孔压力达到15MPa，注浆结束。

作为对上述方案的进一步优化，注浆时要密切关注流量变化，流量异常时可换快速档，换快速档仍异常时，停止注浆冲孔。

作为对上述方案的更进一步优化，所述粘土浆的比重为1.14～1.18，所述粘土水泥混合浆的比重为1.15～1.56，所述水泥浆的比重为1.08～1.71。

有益效果：

矿井开采煤层主要受底板奥灰水威胁，奥灰水水压高达5.4MPa，对矿井开掘和工作面回采造成严重威胁，基于此，本发明创建了注浆工艺关键技术标准，使注浆施工有章可循，从而实现高效注浆，解决钻孔难注浆问题，提高单孔注浆量和钻孔注浆达标率，增强注浆效果，尤其对高水压开放型的奥灰水封堵效果明显，为高效钻进施工打开了新的思路，为工作面的顺利安全高效回采奠定了基础，保障了矿井的安全生产，对煤矿井下防治水工程的施工具有重大意义。

附图说明

图1是本发明所述注浆工艺的流程图。

具体实施方式

为提高注浆效率，克服注浆过程中部分钻孔不吃浆的问题，经试验研究，提出了“三步三速”高效注浆法。

一、“三步三速”高效注浆技术

“三步”是指注浆材料的选取按三个步骤进行，首先选注粘土浆，其次选注粘土水泥混合浆，最后注水泥浆的顺序逐次递进选取浆液类型，使注浆的岩层由下至上依次形成粘土浆充填层，粘土水泥混合浆改造层，水泥浆加固浆层三层互叠的隔水层。浆液类型变换的主要依据为每种浆液的注浆干料量达到钻孔出水量3倍。

“三速”是指注浆浆液流速按三个速度进行控制调配，首先选择快速（5档、4档），而后依次用中速（3档）、慢速（2档）进行注浆。快速注浆主要针对含水层裂隙发育、通道畅通，吃浆量大的钻孔，以充填为主，增加钻孔进浆量，提高注浆速度和注浆效率，缩短注浆时间；中慢速注浆主要针对含水层裂隙不发育、通道不畅通，注不进浆的钻孔，通过高压压裂畅通、扩张裂隙，增加钻孔吃浆量达到注浆效果。档位变换的主要依据为注浆孔孔口压力和浆液流速变化情况。

“三步三速”高效注浆施工过程一般分为五个步骤：注浆前准备工作、钻孔洗孔放水、压（放）水试验、连接钻孔注浆、结束注浆。注浆工艺流程如图1所示。

1、压水试验

在正式注浆前需要进行压水试验，即用注浆泵压入清水通过压水试验了解注浆钻孔的含水性、透水性，据此确定各注浆分段。同时，压入的清水可冲洗岩石裂隙中的泥浆及充塞物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗能力。

另外，利用压水试验结果作为确定注浆参数并估算浆液消耗量的重要依据。

根据井下现场实际情况，一般先压水2个小时后，再将压进去的水放出来，反复2-3次，将孔内隙彻底压开，通道通畅，再进行地面注浆。

2、注浆压力、档位和浆液变换

（1）钻孔注浆原则

由稀到稠，先注粘土浆、再注粘土水泥混合浆，最后注水泥浆。可根据钻孔实际揭露岩溶发育情况调整注浆浆液类型和配比，注浆方法为连续注浆。

（2）注浆序次

钻孔首先注粘土浆，注浆干料达到钻孔涌水量的3倍，且压力、流量稳定无波动，更换粘土水泥混合浆，注粘土水泥浆（干料）为钻孔涌水量的3倍；且压力、流量稳定无波动，更换注纯水泥浆，直至注浆达到设计终压，结束注浆。

（3）注浆钻孔注浆压力和档位变换

粘土浆，地面注浆从4档开始比重1.4，当干料量达到2倍，地面压力仍没有增加，可使用5档和4档交替注浆，每个档位1个小时，5档井下压力达到10Mpa时换4档；当地面压力1Mpa，干料未达到3倍，井下孔口压力13Mpa，调整3档，3档注浆时，地面压力2Mpa时(孔口压力10Mpa)，干料未达到3倍，3档和2档交替注浆，3档2个小时，2档1个小时；3档注浆时，3档2个小时内不起压，再换4档进行注浆。粘土浆达到三倍后换混合浆。

粘土水泥混合浆，地面注浆从4档开始比重1.16-1.2，当孔口压力到13Mpa时换3档进行注浆，注浆结束；当干料量达到3倍时可换水泥浆，水泥浆，地面注浆从4档开始比重1.11-1.15。

注浆结束标准：①注浆终孔压力≥13MPa及注浆干料量/单孔涌水量≥3；②注浆干料量/单孔涌水量未到达3倍，注浆终孔压力达到15MPa，注浆结束。

注浆时要密切关注流量变化，流量异常时可换高档，换高档仍异常时，停止注浆冲孔。

二、“三步三速”高效注浆技术标准

（1）注浆材料的选择标准

普通水泥，颗粒粒径5～85μm，适用裂隙宽度200-300μm，主要适用于溶隙、破碎带注浆加固。

粘土，颗粒粒径5～50μm1，适用裂隙宽50-250μm，主要适用于裂隙型注浆充填改造。

粉煤灰，颗粒粒径50～100μm，适用裂隙宽度150-250μm。主要适用于溶洞、溶隙充填。

（2）浆液更换标准

根据钻孔涌水量确定不同浆液的注浆量,地面注浆泵首先注粘土浆（干料）为钻孔涌水量的3倍；然后改注粘土水泥浆，注粘土水泥浆（干料）为钻孔涌水量的3倍；最后改注纯水泥浆，注纯水泥浆（干料）为钻孔涌水量的3倍；直至孔口注浆压力达小于设计注浆压力0.5MPa时，地面注浆站用3档压水，孔口压力达到设计终压。

探明存在断层、破碎带、陷落柱等开放型涌水通道及注浆一直不起压的钻孔直接注水泥浆。具体钻孔涌水量与注浆量对应表详见表1。

表1：钻孔涌水量与注浆量对应表

（3）注浆档位更换标准

首先选用快速（5档、4档）注浆，当干料量达到2倍，地面压力仍没有增加，可使用5档和4档交替注浆，每个档位1个小时，5档井下压力达到10Mpa时换4档。

其次选用中慢速（3档、2档）注浆，当地面压力1Mpa，干料未达到3倍，井下孔口压力13Mpa，调整3档，3档注浆时，地面压力2Mpa时(孔口压力10Mpa)，干料未达到3倍，3档和2档交替注浆，3档2个小时，2档1个小时；3档注浆时，3档2个小时内不起压，再换4档进行注浆。粘土浆达到三倍后换混合浆。

（4）浆液配比选择标准

①粘土浆，比重可选1.14～1.18，主要用于注浆充填裂隙，钻孔涌水量在0～10m³/h范围采用。

②粘土水泥混合浆，比重可选1.15～1.56，常用比重1.2。

比重1.15～1.22，主要用于裂隙型注浆改造，钻孔涌水量在5～15m³/h范围采用；

比重1.23～1.24，主要用于溶隙型注浆改造，钻孔涌水量在15～30m³/h范围采用；

比重1.25～1.56，主要用于溶洞、陷落柱、堵水、充填注浆，钻孔涌水量在30～50m³/h范围采用。

③水泥浆，比重可选1.08～1.71，常用比重1.11～1.15。

比重1.08～1.15，主要用于裂隙型注浆改造，钻孔涌水量在20～50m³/h范围采用；

比重1.20～1.29，主要用于溶隙型注浆改造，钻孔涌水量在50～100m³/h范围采用；

比重1.36～1.71，主要用于溶洞、陷落柱、堵水、充填注浆，钻孔涌水量在100m³/h以上范围采用。

三、12050工作面底板注浆改造技术应用

通过在12050工作面实施应用“三步三速”高效钻注技术，与普通钻进注浆技术进行对比分析，不管从工程效果和经济效益上，实现了工作的安全高效生产，取得了可观的经济效益，同时，通过实施底板高效注浆技术，控制矿井涌水量，解决因采煤造成水位下降问题，达到保护生态水位，实现保水采煤，生态效益明显。

在底板注浆加固工程中，通过推广“三步三速”高效注浆技术，保证了采煤工作面的安全高效回采，同时实现了矿井的保水采煤和绿色开采。解放了工作面受水害威胁的煤炭资源，减少煤炭资源损失。本公司自2017年4月前采用“三步三速”高速注浆技术，单孔注浆干料量达到3倍钻孔由原来的61.3%提高到目前的76.2%，单孔地面注浆时间由原先的9.2天缩减至目前的5.4天，平均单孔节约时间3.8天，工期提效41.3%，降低了钻探成本，提高生产效率，注浆效果显著提升，从而达到高效加固的目的。

需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，包括注浆前准备工作、钻孔洗孔放水、压水试验、连接钻孔注浆和结束注浆五个步骤；其特征在于：

在注浆过程中，选取注浆材料并按照三个步骤进行注浆：首先选注粘土浆，其次选注粘土水泥混合浆，最后注水泥浆，顺序逐次递进选取浆液类型，使注浆的岩层由下至上、由远及近依次形成粘土浆充填层、粘土水泥混合浆充填改造段、水泥浆充填加固层三层互叠的隔水层；浆液类型变换的依据为每种浆液的注浆干料量达到钻孔出水量3倍；

2.根据权利要求1所述的一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，其特征在于：所述快速档是指5档或4档，所述中速档是指3档，所述慢速档是指2档；所述5档的流量为15m³/h，所述4档的流量为9.7m³/h，所述3档的流量为6.1m³/h，所述2档的流量为3.5 m³/h。

3.根据权利要求2所述的一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，其特征在于：注粘土浆时，地面注浆从4档开始比重1.14，当干料量达到2倍，地面压力仍没有增加，使用5档和4档交替注浆，每个档位1个小时，5档井下压力达到10Mpa时换4档；当地面压力1Mpa，干料未达到3倍，井下孔口压力13Mpa，调整3档，3档注浆时，地面压力2Mpa时，干料未达到3倍，3档和2档交替注浆，3档2个小时，2档1个小时；3档注浆时，3档2个小时内不起压，再换4档进行注浆；粘土浆达到三倍后换注粘土水泥混合浆；

注粘土水泥混合浆时，地面注浆从4档开始比重1.16-1.2，当孔口压力到13Mpa时换3档进行注浆，注浆结束；当干料量达到3倍时换水泥浆；

4.根据权利要求3所述的一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，其特征在于：所述注浆结束的标准为：①注浆终孔压力≥13MPa及注浆干料量/单孔涌水量≥3；②注浆干料量/单孔涌水量未到达3倍，注浆终孔压力达到15MPa，注浆结束。

5.根据权利要求3所述的一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，其特征在于：注浆时要密切关注流量变化，流量异常时可换快速档，换快速档仍异常时，停止注浆冲孔。

6.根据权利要求1或3所述的一种基于三步三速的井下煤层底板注浆加固工艺，其特征在于：所述粘土浆的比重为1.14～1.18，所述粘土水泥混合浆的比重为1.15～1.56，所述水泥浆的比重为1.08～1.71。