煤矿采面底板注浆改造设计.docx

1、煤矿采面底板注浆改造设计第一章 绪 论我矿生产能力60万ta，始建于1958年，1960年10月投产。建有一对竖井和一对斜风井，设计开采二1、二3煤层。目前主要在-200m水平开采二1煤层。我公司于2008年初受矿方委托对12061工作面进行底板注浆改造，一阶段工程已经结束，根据实际钻探情况发现，该工作面水量大水压高，矿压大，水文地质情况极复杂，对安全回采影响极大。2008年12月工作面回采出水，由于矿方排水能力不足，且涌水夹杂着煤淤塞泵房，再次降低排水能力，导致工作面被淹，矿方经过注浆堵水以后，重新开拓新机巷、新切巷，准备注浆加固后继续回采。本次设计根据以往注浆改造情况及时调整，利用新开拓机

2、运巷重新布置钻场、钻孔，对新切眼、中切眼之间已有施工钻孔进行补充设计，对中切眼以外钻孔重新布置。第一节 矿井地质概况一、地层 我矿位于华北地层区豫西分区的嵩萁小区，绝大部分地区的基岩被新生界第四系地层覆盖，仅在矿区西部出露小面积新第三系地层。井田内钻孔揭露地层自老到新依次有：早古生界寒武系上统崮山组(3g)、长山组(3C)、凤山组(3f)，奥陶系中统下马家沟组(O2x)，晚古生界石炭系上统太原组(C3t)，二迭系下统山西组(Pls)、下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)，新生界第四系(Q)。除石千峰组的平顶山砂岩在大武庄零星出露外，基岩皆被第四系掩盖。 二、构

3、造 我矿位于荟萃山风后岭背斜南西翼的中段。构造形念为单斜，地层走向11002900，倾向2000，地层倾角浅部100150，深部250左右，东南部局部大于400。区内地质构造以高角度正断层为主，主要发育北西向、北东向两组断层。北西向断层主要有：魏序正断层(F5)、关庄正断层(F4)、连堂正断层(F19-1)、张堂北正断层(F19-2)、F27、F16、陈庄逆断层(F12)、肖庄证断层(R)、岳庄正断层(h)和黑水河正断层(F2)；北东向断层主要有：龙屯正断层(F14)和桐树张正断层(F7)。此外还发育一组近东西向断层，主要有：F20、殿池李正断层F11)、F26、马厂正断层(F30)和小王庄正

4、断层(F6)。沿地层走向还有小的缓波状起伏。1断裂构造主要特征 断层发育特征：在井田范围内，由钻探、物探及井巷工程控制、揭露的不同规模的断层共发育北西向、北东向和近东西向三组，其中北西向和北东向两组最为发育。断层活动特征：魏庄断层南北两侧分别派生了徐庄背斜、石龙王向斜两个拖褶皱，从裙皱枢纽与断层走向之夹角关系，表明断层北东盘的运动方向系由南东向西北，反映断层具有序行平移的性质，这与区域煤田边界断层襄郏断层平移性质一致，应为同一应力场、同期构造运动的结果。研究区受喜山期伸展应力场作用，褶皱不发育，断层活动表现为强烈的引张，断层带宽，断层角砾岩角砾棱角明显，断层附近地层挤压、揉皱等形迹少见。断层的

5、空间分布特征：在平面上沿主干线断层走向常见分叉现象，发育一系列低序次断层，如魏庄断层(F5)下盘，伴生有F4、F19等次一级断层，伴生断层靠近主干断层处断距较大，离开主干断层即迅速尖灭。断层的分叉现象在剖面上也常出现。2层间滑动区内层问滑动比较强烈，在井巷工程和钻孔岩芯中可见二1煤层和其顶底板附近，滑面、擦痕普遍发育，煤的原生结构遭到破坏，呈粉状、鳞片状，具褶曲流变现象，煤层厚度也遭受不同秤度改造。另外，受派生小型断层和不协调褶曲的控制，局部出现薄煤带或厚煤带。第二节 二1煤层底板主要充水含水层与隔水层一、主要含水层1）、上寒武系白云质灰岩岩溶裂隙承压含水层 该含水层上距主采煤层二1煤层78m

6、，是二l煤层底板间接充水含水层。岩性为灰白色白云质灰岩和白云岩夹薄层泥岩。区内3个钻孔揭露厚度达120.08m1 37.01 m，其余揭露钻孔揭露厚度较小。由于勘探阶段该层段未发生漏水，且位于田外一公里处冉垌村的井2，揭露寒武系20m，水位标高135.35m，水量极小，故推断该含水层段岩溶和裂隙不发育。但是，若遇断层、裂隙，使得多层相互贯通，水量将数十倍增加，是造成矿井灾难性水患的主要因素。2）、上石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙承压含水层 根据其对二1煤层充水条件的差异，可分为上、下两个含水层段：下部石灰岩含水层段：由L1一L6石灰岩组成，L6上距二l煤层42 m，是二l煤层底板间接充水含水层。

7、上部石灰岩含水层段：包括L7一L1l石灰岩，其中的L9石灰岩距二1煤层12 m16 m，是二1底板直接充水含水层。二、主要隔水层1）、太原组铝质泥岩 位于太原组底部，是寒武系白云质灰岩含水层段与太原下部石灰岩含水层段间的隔水层。9个钻孔揭露该层，厚度6.63m17.83m；岩性和厚度都比较稳定，隔水性能良好。2）、太原组中部砂泥岩段由泥岩、砂岩和煤层组成，厚10 m 15 m，层位稳定。是太原组上部和下部石灰岩含水层段间的隔水层。3）、二迭系含煤地层中的泥岩和粉砂岩段均具有一定的厚度，隔水性良好，因此，二迭系砂岩含水层间一般无水力联系。综上所述，我矿地下水为大气成因；垂向主要接受大气降水、地表

8、水和上覆含水层水的渗漏补给，补给量不足；横向主要通过矿区西北部灰岩裸露区接受大气降水或地表水的补给，具近源补给特点，补给量不甚稳定、不甚充足。开二1煤层的主要充水因素是太原组石灰岩富水性弱的裂隙一岩溶承压水，决定矿井突水危险的是寒武系灰岩富水性弱一强的岩溶一裂隙承压水，其中张夏组和崮山组的富水性最强，当寒武系灰岩水和太原组下段灰岩水联合为害时威胁最大。老空区水在局部也是主要矿井充水因素。第三节 矿井充水通道统计分析我矿历次矿井涌(突)水的导水通道，列出表1-2。由表中资料可以知道我矿矿井涌(突)水的导水通道具有下述规律：区域地质构造上，我矿位于荟萃山一风后岭背斜南翼，属山前第四系掩盖区。纵观井

9、田以西的地下水径流区，断裂比较发育，尤以西北的浅井附近为最。使得本来互不相关的若干个含水层发生了水力联系，从而促进了岩溶一裂隙的发育，为地下水的释流和储存提供了良好的空间。如白沙水库西，崮山组中发育有深达百余米的溶洞，浅井一带的落水洞呈串珠状出现，揭露寒武系钻孔，多数出现严重漏水。矿井水患频发，如浅井和长庄煤矿先后被淹。因此，本区导致矿井突水的主要途径是断层、裂隙。因为含水层的富水性受断层、裂隙发育程度的控制，所以，各段的富水性和突水性存在较大差异。第二章 12061新工作面概况我矿二1煤层12061新工作面位于三采区下山东翼第五个工作面，东部200米处为原12061采面采空区，下部为未采动区

10、域，上部13071工作面经底板预注浆改造后安全回采。该新采面机巷位于原12061机巷向上8米处，煤层底板标高在-284.3m-240m之间；12061新风巷扒修原12061风巷，扒修长度为735米，新风巷煤层底板标高在-230.4m-200m之间，新采面走向长697m，倾斜宽126m，倾角1725左右，二1煤层平均厚度4.75m，采用走向长壁后退式采煤法。上风道揭露一落差1.5m高角度断层，其余地段未见有断层构造存在。根据13061工作面底板注浆孔水文资料，上段L7-8灰岩含水层水压0.2-0.8Mpa; 下段灰岩含水层水压1.8-2.4Mpa（水位-40m）；寒灰水位+130m，水压3.6-

11、4.1Mpa。二1煤至L1-3灰岩距离53 m，至寒灰距离在78 m左右。通过对我矿地层和水文地质概况的分析，得出如下基本情况：1、二1煤下灰岩含水层承压水位标高分别为：寒武系静止水位标高：+129m（2010年元月水位记录）；根据13061工作面底板注浆孔水文资料，上段L7-8灰岩含水层水压0.2-0.8Mpa; 下段灰岩含水层水压1.8-2.4Mpa（水位-40m），高水压对回采威胁大。2、从矿务局顶、底板水对二1煤层开采影响的研究中对二1煤底板含水层历次突水水源、通道类型的统计及结论可以看出，区内断层和裂隙是导致底板突水的主要原因（参看表1-2）而且底板裂隙出水占整个矿井出水次数的48%

12、之多。说明预防底板裂隙出水是工作面安全回采的重要任务。 3、从历次突水水源的统计分析认为，断层和裂隙导水主要水源都是二1煤下伏下部灰岩含水层和寒武系灰岩含水层水，这将是我们注浆改造的重点。第三章 我矿12061面底板注浆改造方案工作面注浆堵水以后，矿方重新开掘切巷，本次改造范围是新切巷以外工作面，新机巷共布置9个钻场，其中前7-9#钻场是对以前施工的补充，1-6#钻场改造中切眼至停采线间工作面。根据我矿提供的12061面以往注浆改造成果可以看出，裂隙发育、含水性较强，注浆量大，个别区段垂直沟通寒武系灰岩岩溶含水层。因此可以分析，整个工作面底板裂隙发育，含水性强，因此只有采取合理布孔，全面覆盖，

13、才能有效地对工作面进行改造，达到较好的效果。一、 注浆改造深度的确定按照煤矿防治水规定，受水威胁的工作面，必须采用钻探、物探等方法，查清其水文地质条件。底板受构造破坏块段突水系数大于0.06MPa/m，正常块段突水系数大于0.1MPa/m的，要采取疏水降压或注浆改造等有效措施后方可回采。计算突水系数（参照煤矿防治水规定（2009年12月版）采用下列公式：TsP/MTs：突水系数（MPa/m）；P：隔水层承受的水压（MPa）；M：隔水层厚度（m）；本区寒武系承压水的水位标高为+129m（2010年元月水位），12061工作面最低标高为-284.3m,二1煤距寒武系间距取78m，受到的寒武系灰岩水

14、的压力为4.1Mpa（实测）。根据13061工作面底板注浆孔水文资料，寒灰水位（Cp）导高5 m。底板破坏深度（Dg）理论计算公式与实际出入较大，故此参照平煤集团公司新峰矿务局一矿顶、底板水对二1煤层开采影响的研究中采动破坏的影响深度（按最大峰值计算）约为8-12m，取平均值10m。在正常块段突水系数临界值取0.1MPa/m，构造破坏块段突水临界系数为0.06 MPa/m计算得 M=P+Ts(Cp+Dg)/Ts M=P+Ts(Cp+Dg)/Ts 即：M=4.1+0.1(10+5)/0.1 M=4.1+0.1(10+5)/0.06 =56 (m) =93 (m)在正常块段隔水层安全厚度为56 m

15、，根据本工作面实际情况，考虑到寒武系灰岩上部有一层厚度大约为7.75m的铝质泥岩，为有效隔水层。因此12061面注浆改造的重点 应穿过L1灰岩底板位置，即进入铝质泥岩2-3m即可。但是从以往改造情况来看，工作面水文地质条件复杂，高水压易沿着薄弱带突水，为保证采面回采期间的安全，对该工作面采取全面覆盖改造，重点加固的改造方案，采用93m的终孔位置，注浆改造钻孔进入寒灰15m终孔。二、 注浆改造钻孔布置根据12061工作面井下底板注浆改造的经验，浆液在目的层内的扩散扩散较好，范围在30m 左右,故同一层钻孔间距为50m，部分地段加密布置，可根据实际揭露情况灵活布置检查孔，故本次设计不列出检查孔参数

16、。由于12061工作面面积较大，为保证底板改造的效果，本设计初步共布置9个钻场，47个钻孔。本设计只是针对以前的注浆改造资料确定，所以必须根据实际钻探资料分析后及时调整，适当增减钻孔，以保证均匀布置。中巷以里至新切眼部位已经改造过，音频物探图上可以看出仍存在一些异常低阻区，所以为提高注浆效果，在新机巷重新布置3个钻场，对原有异常区进行补充探查和加固。钻孔施工中可根据实际钻探情况适当增减钻孔，具体钻孔布置见附图：我矿12061工作面底板注浆改造工程设计图。孔号方位（）倾角（）孔深（m）孔号方位（）倾角（）孔深（m）1-1128-481274-625-301141-2111-431204-72-2

17、91161-394-381235-1122-501101-480-361215-2107-421261-560-351115-381-321351-638-331105-464-301242-1125-421405-550-291282-2110-421235-626-311162-3100-371266-1126-471242-478-361206-2101-381202-562-411046-378-351262-635-331106-460-261402-717-321126-537-281243-1120-441327-1109-421203-2111-421267-288-32127

18、3-399-321327-370-361223-484-321337-442-301243-560-351068-1161-60983-627-321128-2126-491153-711-301148-393-351304-1121-441259-1113-461154-2100-321609-268-281324-377-321259-354-261354-462-351109-431-311154-547-29118第四章 施工工艺第一节 钻场设计一、钻场要求：钻场是施工注浆孔的场所，对它的要求是；（1）能满足按设计注浆孔的方位、倾角施工的要求。（2）在完整的煤、岩层中施工，支护牢固可靠

19、，能保证施工人员的安全。（3）能保证自然泄水，自然扩散通风。二、钻场设计：根据矿井的实际情况，12061工作面共布设钻场9个在新机巷内，原则上相邻钻场间隔60m，即自新切眼开始平均每隔60米施工一个钻场，钻场规格不小于长宽高=4m4m3m。钻场的施工要尽量选择在顶板较完整的地段，支护方式以锚网支护为好，也可采用架棚支护。第二节 钻孔施工工艺本次施工采用杭州产SGZ-A井下钻机1台，SGZ-B井下钻机2台，两种钻机动力装置为18.5Kw电动机，最大钻进深度为300m，使用50mm钻杆及各种配套钻头等钻具。一、钻孔结构：一级孔径153mm，深6m-8m左右，下入1465mm水文地质套管，穿过二1煤

20、层底板。管外用水泥全封闭，封闭24小时后进行耐压试验，耐压试验压力不低于4MPa，持续时间不少于30分钟；二级孔径113mm，深至L6灰岩顶板，下入1085mm套管，管外用水泥全封闭，封闭24小时后进行耐压试验，耐压试验压力不低于10MPa，持续时间不少于30分钟。三级孔径91mm或75mm 到终孔。二、钻孔施工技术要求1、施工单位必须严格按照设计标定钻孔的方位、倾角，在施工过程中不得随意改动，如因现场施工条件受限需要变动时，必须经甲乙双方同意后方可变动，同时根据现场变化情况修改单孔设计施工通知单。2、该面钻孔水压较大，为确保施工人员的安全，必须使用防喷冒和孔口钻杆卡持器等防喷反压装置，以免钻

21、具被高压水顶出伤人。3、钻孔孔口套管必须进行耐压试验，耐压试验的压力不小于设计注浆终孔孔口压力，持续耐压时间不少于30分钟，不合格必须重封，合格后在二级管上安装规格为100mm的高压水门，水门的最大抗压能力要与注浆终孔压力相匹配。4、认真做好现场小班记录，记录要符合“及时、准确、完整、清晰”的要求。准确记录各含水层的初始水量、最大水量、稳定水量和水压、岩层层位、名称、换层深度、进入含水层前有无“导高”、进入含水层后岩溶发育程度、位置等简易水文观测记录，以便于收集、分析资料。5、施工过程中要认真执行钻孔防斜措施。6、防止钻孔塌孔及缩径措施：二1煤层底板为泥岩，遇水易变软膨胀，在钻孔施工过程中，可

22、能发生塌孔及钻孔缩径现象，不但给钻孔施工带来很多麻烦，而且打不成孔，也无法进行注浆，这是目前井下钻孔施工的一大技术难题，没有特别有效的措施，只能因地制宜，采取综合性预防措施。（1）尽量不带岩芯管施工。（2）对下套管的孔段要尽量加大孔径。（3）钻头的合金片在镶嵌过程中要尽量靠外，一般要大出标准钻头直径的34mm。（4）钻进冲洗液用水采用钻机配备的灌浆泵供水，不直接用地面供水冲洗，以防增加高压水对孔壁的破坏。（5）在钻孔孔壁比较破碎处，可加压注浆加固后再钻进。（6）必要时，可采用化学泥浆钻进、风力钻进或者二级套管下到L8灰上12m的位置，然后再钻进，打透L8灰。（7）使用能力较大的钻机，加快钻进速

23、度。（8）钻孔施工结束后，应尽快注浆。（9）钻孔没有注浆前，钻机最好不要搬走，以便随时用钻机扫孔后再注浆。（10）钻孔在施工过程中如果困难较大时，可采用自上而下分段注浆的方式。 三、供排、水系统 钻场必须有良好的供电、通风和供排水系统。每部钻供水水量不得小于15m3/h；排水系统必须良好，为预防钻孔出大水，必须保证排水能力不低于200 m3/h，必须有备用排水设备。注浆孔口附近必须设专用直通电话，不得与其它电话串用，以便能及时与地面注浆站联系。第三节 注浆工艺一、注浆系统注浆系统由地面制浆系统、注浆泵、送料孔、井下注浆管路和井下注浆孔组成。地面制浆系统由粘土制浆机、水泥添加器、搅拌机以及其它辅

24、助设施组成。堵水钻孔按技术要求配制一定比重的单液水泥浆，并根据现场堵水需要适时添加水玻璃等速凝材料和骨料；加固钻孔可以按技术要求配制一定比重的粘土水泥浆，同时，根据底板加固需要，可以在地面加入适量的粉煤灰、锯末等细骨料。井下注浆管路选用的606mm高压无缝钢管，并用相匹配的高压快速接头连接，耐压不得低于10MPa，管路应铺设在便于管理和维护的巷道内沿底板铺设，以不影响运输和行人。注浆孔孔口要安设耐震压力表，不低于10MPa。注浆前要对注浆管路进行耐压试验，试验压力不得低于15MPa，持续时间不得低于30分钟，发现漏水及时更换，直到试验合格为止。二、注浆方式一般采用全段连续注浆方式，分孔分序次连

25、续灌注，直到达到终孔压力为止，以最大量进浆，最大范围扩散，最大限度的充填岩溶裂隙为目的。对初始水量大于100m3/h的钻孔，可采取分段注浆，穿透含水层或构造破碎带后最终达到注浆终孔标准。相邻钻孔在含水层段间距小于50m时，不得同时穿透含水层，以免串浆。若发现井下跑浆时可采取间歇注浆，间歇时间一般为24小时。三、注浆材料工作面底板加固以注粘土水泥浆为主，主要由粘土、水泥和水配制形成。1、水泥：对凝胶体起结构成形作用，通常采用425#普通硅酸盐水泥。2、水：洁净的非酸性水。四、注浆参数注浆参数的选择视单孔涌水量、岩溶发育程度以及施工现场情况具体确定，一般情况下参考以下参数：1、浆液的比重：反映了在

26、一定体积的浆液中粘土和水泥的含量，是直接关系到浆液质量的重要参数。一般讲，若注单液水泥浆，则水灰比一般控制在0.8：1至0.6：1之间，即比重1.31.7；特殊条件下可采用添加锯末等骨料进行注浆。详见下表。表2-1 水泥浆比重对比表水灰比 2：11:10.8:10.6:1比重 1.31.51.61.72、浆液的粘度：表示浆液内部分子之间、颗粒之间、分子团之间相互运动时产生的摩擦力的大小，从浆液可泵性和可注性角度来看，粘土浆的粘度为1725秒，粘土水泥浆的粘度在2560秒之间。如果钻孔涌水量小，可调小浆液的粘度，钻孔水量大时，可适当加大浆液的粘度。3、泵量与泵压：泵量是根据含水层岩溶裂隙的发育程

27、度及泵压确定的，正常情况下，裂隙发育、泵压在2MPa以内时，采用全泵量（250L/min）大流量灌注；裂隙发育较差、泵压在2MPa以上时，采用中泵量（80150L/min）；达到终孔压力时用小泵量（4080L/min）。4、单孔注浆结束标准：实践证明，粘土水泥浆注浆压力越大，扩散的范围越大，对裂隙充填的越饱满，形成的结实体强度也就越高，但压力超过一定限度时，容易造成巷道底鼓、跑浆。所以单孔注浆结束标准为：泵量80L/min以下，孔口压力不得低于水压的2.5倍，持续时间为30分钟以上。但当发现巷道底鼓或大量跑浆时，可采用间歇法或调整浆液比重和注浆参数进行封堵。五、注浆技术措施1、注浆期间各工种作

28、业人员要坚守岗位，各负其责，保证注浆各个环节正常运转。对含水层水位和涌水量要加派专人加密观测，观测结果要及时汇报甲方。2、注浆前，首先要对注浆管路进行检查实验、冲洗，确保管路畅通，然后对注浆管路进行耐压试验，试验压力不低于15MPa，持续时间不得低于20分钟，合格后方准注浆。3、每孔注浆前都要观测其水量和水压，并进行单孔放水，放水时间不少于10分钟，以孔内无岩粉、水变清为宜，合上注浆管路后向孔内压水，其目的是扩张裂隙，确定钻孔的吸水量，以便调整注浆参数，提高注浆效果，压入孔内的水量不少于管路总体积的2倍，无异常变化时可以开始注浆。4、注浆过程中，化验记录员要严格浆液配比标准，并根据现场情况及技

29、术人员的要求及时调整浆液的比重等参数，并认真做好记录。5、要严格注浆顺序、注浆方式、注浆结束标准，不经批准，注浆过程中不得擅自改变或随意停止注浆。6、注浆过程中如发现钻孔串浆、堵塞或钻孔进浆量明显较少时，要重新扫孔或补打检查孔注浆。7、注浆过程中要有专人巡视管路，当注浆管路发生故障时，要快速处理，若需较长时间要及时将管路冲洗干净，防止管路堵塞。8、当达到注浆结束标准，关闭孔口阀门卸下孔口高压胶管，及时为注下一个孔做好准备，注浆结束的钻孔24小时内不得打开阀门。注浆结束后，要及时将管路冲洗干净，以免沉淀堵塞管路。9、注浆孔口附近必须设专用直通电话，不得与其他电话串用，以便能及时与地面注浆站联系。

30、10、要求钻机房必须具有足够的通风和瓦斯检测措施。保证人身安全。在巷道外侧低洼处要专门设立水舱，要求工作面要建有容积为300m3的临时水仓，排水能力不小200m3/h。保证足够的排水能力（不小于200m3/h）和出水后施工人员具有畅通安全的撤离通道。六、钻探安全措施1、打钻注浆施工地点避灾路线：钻场及该巷其它工作人员：（1）钻场三采区皮带下山东大巷副井底地面。（2）钻场三采区皮带下山明斜井地面。 2、钻孔突水应急预案（1）在钻进过程中要密切注意，有出水时要记录具体出水位置，并测量出水量。在钻进过程中要密切注意孔内情况，发现钻进异常或涌水异常，要立即停止钻进但不得拔出钻杆，同时通知调度室及地测科。（2）跟班队长第一时间向调度室汇报，矿方及时成立临时现场指挥小组。（3）如果出水量大，排水能力达不到要求时，及时把钻杆拥入钻孔内，关闭阀门。等到加大排水量后再打开阀门，实施提钻。七、单孔注浆结束标准及注浆效果检验单孔注浆结束标准：实践证明，粘土水泥浆注浆压力越大，扩散的范围越大，对裂隙充填的越