煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术研究_王泽峰.pdf

732023 年第 2 期王泽峰：煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术研究王泽峰：煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术研究煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术研究王泽峰（山西金鼎高宝钻探有限责任公司，山西 晋城 048000）摘 要 为保障成庄矿 5314 工作面回采安全，进行了 3 号煤层底板强含水层定向钻进注浆治理实践，对底板奥陶系上部含水层透水性进行了探查，并进行了含水层透水性降低改造。定向钻孔注浆后，5314 工作面底板未发生突水，有效实现了 5314 工作面的安全回采。关键词 底板；含水层；定向钻进；注浆中图分类号 TD745+.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.027Study on Treatment Technology of Directional Drilling and Grouting in Strong Aquifer of Coal Mine FloorWang Zefeng(Shanxi Jinding Gaobao Drilling Co.,Ltd.,Shanxi Jincheng 048000)Abstract:In order to ensure the mining safety of the 5314 working face of Chengzhuang Coal Mine,the directional drilling and grouting treatment practice of the strong aquifer on the floor of the 3#coal seam was carried out,the permeability of the upper Ordovician aquifer on the floor was explored,and the the transformation of aquifer permeability reduction was carried out.After directional drilling and grouting,there was no water inrush from the floor of working face 5314,which effectively realized the safe mining of working face 5314.Key words:floor;aquifer;directional drilling;grouting收稿日期 2022-07-04作者简介 王泽峰（1986），男，山西黎城人，2012 年毕业于中北大学动力机械及工程专业，研究生，助理工程师，研究方向：定向钻机研发。王泽峰：煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术研究王泽峰：煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术研究1 工程概况晋能控股煤业集团成庄矿 5314 工作面位于矿区南翼，开采3号煤层厚度2.18.7 m，平均厚度6.13 m，煤层倾角 05，平均 2。煤层直接底板为砂质泥岩、铝质泥岩及粉砂岩，底板遇水膨胀、破碎，为不稳定底板。为保障回采安全，委托山西金鼎高宝钻探公司对 5314 工作面进行底板强含水层注浆治理。2 定向钻孔注浆技术方案1-62.1 定向钻进装备配套为实现对 5314 工作面底板含水层的富水性探查，探查导水裂隙带的存在及分布情况，加强出水后钻机处理能力以及注浆封孔能力，选配 ZYL-15000D型煤矿用履带式全液压坑道定向钻机及配套机具，如图 1。ZYL-15000D 型钻机技术参数：额定转矩 300015 000 Nm，额定转速 40150 r/min，制动扭矩 1000 Nm，起拔力 300 kN，起拔行程 1200 mm，钻孔深度 1000/600 mm，钻杆直径 89 mm，电机功率 132 kW。配套 89 mm 定向钻具，胎体式金刚石复合片 PDC 钻头，终孔直径可达 100 mm。配套 BLY400/12 泥浆泵车、随钻测量系统、螺杆马达。2.2 定向注浆钻孔布置（1）钻孔平面布置。5314 工作面倾斜长度为985 m，由于煤矿采掘接续紧张，采用精准对穿钻孔技术，即在工作面两头分别布置一个钻场，向中间重合钻进。该精准对穿钻孔技术方式在平面上设计孔深约 550 m，具有节约钻进时间、避免钻杆折断风险、可实现重点区域重叠探查的优点。工作面内孔间距为 40 m，巷道内孔间距 12 m。（2）钻孔空间布置。3 号煤层底板可以探查到断层、裂缝和破碎带等结构，这些发育地带厚度不均，结合钻进安全因素的考虑，确定钻孔开孔倾角为-20。鉴于奥灰岩层顶界面距 3 号煤层底板的距离，设计钻孔轨迹垂深为 3248 m，如图 2。742023 年第 2 期1.电机组件；2.后夹持器总成；3.底盘总成；4.操作台组件；5.随钻测量装置；6.底板锚固油缸；7.夹持器；8.油箱图 1 ZYL-15000D 型钻机结构示意图（mm）图 2 5314 工作面钻孔开孔角度及轨迹距煤层底板深度2.3 钻孔施工及目标层透水性探查2.3.1 钻孔探查施工在 5314 工作面 1 钻场内布置 5 个（1-1 孔、1-2孔、1-3 孔、1-4 孔、1-5 孔）主孔；2 钻场内布置 5个（2-1 孔、2-2 孔、2-3 孔、2-4 孔、2-5 孔）主孔，1 个分支孔（2-2-1 孔，在 2-2 孔 365 m 处开分支）。11个钻孔累计进尺6905 m，孔深最大685 m。2-3孔施工至552 m位置处时出现缩颈、塌孔，下钻遇阻，所以终孔。从 2-2 孔 375 m 位置处开一分支孔 2-2-1，对 2-3 孔未探查到区域进行探查。各钻孔涌水量在 04.25 m3/h，注浆封孔后涌水量为 0。终孔层位奥陶系峰峰组灰岩。5314 工作面钻孔实际施工钻进情况如图 3。图 3 5314 工作面钻孔实际施工钻进示意图2.3.2 目标层透水性探查进行钻孔压水试验，根据岩体透水量计算了解岩体裂隙发育情况和透水性。钻孔到孔底，清孔完成后，泥浆泵分流至孔内进行压水试验，当压力达到 4 MPa，稳压 60 min，流入量不增加，压水试验成功。透水率计算公式如式（1）：q=Q/（PL）（1）式中：q 为透水率，L/（min.m.m）；Q 为流量，L/min；P 为作用于试段内的全压力，MPa；L 为试段长度，m。可计算各钻孔压水试验透水率见表 1。表 1 各钻孔压水试验透水率数据孔号孔内水量/L压入水量/L透水率/（L/min.m.m）孔号孔内水量/L压入水量/L透水率/（L/min.m.m）1-150709500.000 3922-24999900.000 3291-2507011500.000 4052-2-15022900.000 3331-349999500.000 3872-342221800.000 3011-450227500.000 3762-45022900.000 3331-549527500.000 3712-5530511500.000 4202-150221400.000 336从表 1 数据可知，11 个钻孔的单位透水率均小于 0.005 L/（min.m.m），这说明该区域裂隙不发育，具有较好的隔水性，是煤系地层与奥灰水之间的重要隔水层。2.4 钻孔封孔在注浆过程中，必须确定安全的注浆压力，使得浆液达到适合的扩散半径。下钻至孔底后，采用压风将孔内钻屑及清水吹干净，采用泥浆泵对孔口进行封堵，注浆孔口压力达到4 MPa，维持30 min后，结束注浆封孔。各钻孔封堵注入泥浆量见表 2。钻孔封孔注泥浆量与钻孔压水试验压水量表现为正相关关系，但是压风无法将钻孔内钻屑及清水吹干净，从而使得钻孔封孔注泥浆量要小于钻孔压水试验压水量。针对这一情况，必须对钻孔按要求严格执行封堵施工工艺，避免钻孔成为矿井二次导水通道。（下转第 77 页）772023 年第 2 期李 鹏：深部大变形巷道注浆加固技术应用李 鹏：深部大变形巷道注浆加固技术应用止注浆，并关闭阀门。3.4 实际应用效果分析3109 辅助进风巷应力区围岩注浆后，在巷道两帮安装一套围岩监测仪，在顶板上安装一台 YH-300 型数字离层仪，通过 15 d 现场观测分析发现：（1）围岩注浆加固后，在 012 d 范围内顶板出现蠕动变形，顶板下沉量逐渐增加，但增加速率逐渐减小，在 08 d 范围内顶板下沉量为 0.17 m，在 812 d 顶板下沉量为 0.19 m，12 d 后顶板趋于稳定，如图 1。图 1 注浆前后 3109 辅助进风巷顶板变化曲线图（2）巷道两帮注浆后，提高了两帮煤柱支撑强度，降低了应力对煤柱剪切破坏作用，实测两帮煤柱收缩量减小至 0.23 m。4 结语（1）对 3109 辅助进风巷应力区围岩采取注浆加固后，根据现场实际应用效果来看，围岩注浆后围岩胶结稳定性得以提高，实现了破碎围岩二次重组，注浆岩体抗压强度提高至 48 MPa，由此可见注浆技术适用于大应力破碎围岩加固施工。（2）采用注浆加固技术时，注浆钻孔布置参数以及注浆材料选取对注浆效果起着关键性作用。注浆钻孔数量过多，增加了注浆成本费用，且钻孔施工时产生扰动破坏作用，加剧应力区围岩破碎现象；钻孔数量过少围岩注浆不到位，降低注浆效果。【参考文献】1 李强.松软破碎巷道围岩注浆加固技术研究 J.山西冶金，2022，45（03）：287-288+321.2 黄祖军，谢益盛.厚煤层沿空巷道破碎围岩注浆加固技术研究与应用 J.山东煤炭科技，2022，40（05）：95-97+100.3 王洋.回采巷道松软破碎围岩注浆加固与支护技术研究 J.机械管理开发，2022，37（02）：92-94.4 李小军.上社煤矿 15310 大采高工作面围岩注浆加固技术 J.同煤科技，2021（04）：18-20.5 王林日.煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势 J.矿业装备，2021（02）：12-13.表 2 各钻孔封堵注入泥浆量情况表孔号注入泥浆量/L孔号注入泥浆量/L1-253502-249501-254502-2-149501-352502-342501-450502-449501-549502-553502-149503 效果开采前，对 3 煤层底板奥灰含水层突水危险性进行了评价，结论为 5314 工作面底板奥灰含水层具有透水危险性。采用定向钻进注浆技术对 5314工作面底板进行了定向钻进注浆改造，成功地将含水层改造为隔水层，降低了 5314 工作面底板奥灰顶部含水层透水性，增加了 5314 工作面底板保护层厚度，底板突水危险性降低。（上接第 74 页）定向钻孔注浆工程结束后，5314 工作面底板未发生突水，有效实现了 5314 工作面的安全回采。【参考文献】1 戴磊，段李宏.地面定向钻孔超前区域治理底板岩溶水害技术应用J.煤炭工程，2022，54（02）：83-88.2 贺敬平，周景凯，刘培跃.注浆改造顶-底板灰岩含水层技术应用实践研究 J.中国矿山工程，2022，51（01）：67-76.3 郝卫光，童传霞.煤层底板奥灰岩溶水害超前治理技术与应用 J.内蒙古煤炭经济，2022（03）：148-150.4 刘修刚，李俊峰，张强，等.赵固一矿煤层底板灰岩加固多分支水平注浆井轨迹精准控制技术实践 J.煤矿安全，2021，52（11）：100-103.5 廉法宪，高生保，张鸣，等.定向钻进技术在深部薄层灰岩隐伏导水构造探查中的应用 J.中国矿业，2021，30（11）：141-148.6 赵祥龙.煤矿底板强含水层定向钻进注浆治理技术 J.煤炭工程，2021，53（10）：57-60.