深孔模袋注浆技术在地下矿井突水治理中的应用.pdf

第4 4卷第4期 建 井 技 术 V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3年 8月 M I N EC ON S T R U C T I ONT E CHNO L OG YA u g.2 0 2 3深孔模袋注浆技术在地下矿井突水治理中的应用向俊兴1,2,3,李东立4,杨红军1,2,3(1.天地科技股份有限公司,北京 1 0 0 0 1 3;2.北京中煤矿山工程有限公司,北京 1 0 0 0 1 3;3.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 1 0 0 0 1 3;4.彝良驰宏矿业有限公司,云南 昭通 6 5 7 6 0 0)摘 要:滇东北某地下金属矿山4 3 3m标高硐室掘进迎头出现突水,稳定水量约16 5 0m3/h,导致该水平巷道被淹没。在紧急增加水泵强排控制水位的基础上,拟采用钻孔投骨料加注浆的方式封堵过水巷道。因突水量大且水压高,骨料在巷道中堆积至一定高度后难以有效接顶,通过向巷道内投放多个大体积模袋,利用钻杆与自制模袋注浆装置向模袋内注入改性单液水泥浆,固化后可形成结石体,模袋结石体改变了巷道水流场,促进了骨料的有效堆积,最终巷道成功接顶,为后续注浆施工提供了基础。这种类深孔模袋注浆技术,可为后续类似动水注浆封堵工程提供参考。关键词:突水治理;动水;定向钻孔;模袋注浆 中图分类号:T D 2 6 5.4+7;T D 7 4 3 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 2 6 0 2 9(2 0 2 3)0 4 0 0 4 1 0 6A p p l i c a t i o no fd e e ph o l em o l db a gg r o u t i n g t e c h n o l o g y i nw a t e r i n r u s hc o n t r o l i nu n d e r g r o u n dm i n eX I ANGJ u n x i n g1,2,3,L ID o n g l i4,YANG H o n g j u n1,2,3(1.T i a n d iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o mp a n yL i m i t e d,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;2.B e i j i n gC h i n aC o a lM i n eE n g i n e e r i n gC o m p a n yL i m i t e d,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;3.N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fD e e pS h a f tC o n s t r u c t i o n,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;4.Y i L i a n gC h i h o n gM i n i n gC o m p a n yL i m i t e d,Z h a o t o n g 6 5 7 6 0 0,C h i n a)收稿日期:2 0 2 3 0 5 1 3 修回日期:2 0 2 3 0 7 1 9 责任编辑:王 媛 D O I:1 0.1 9 4 5 8/j.c n k i.c n 1 1-2 4 5 6/t d.2 0 2 3.0 4.0 0 7作者简介:向俊兴(1 9 8 6),男,湖南怀化人,工程师。E m a i l:x i a n g j x 3 11 2 6.c o m引用格式:向俊兴,李东立,杨红军.深孔模袋注浆技术在地下矿井突水治理中的应用J.建井技术,2 0 2 3,4 4(4):4 1 4 6.X I AN GJ u n x i n g,L ID o n g l i,YAN GH o n g j u n.A p p l i c a t i o no f d e e ph o l em o l db a gg r o u t i n gt e c h n o l o g y i nw a t e r i n r u s hc o n-t r o l i nu n d e r g r o u n dm i n eJ.M i n eC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(4):4 1 4 6.A b s t r a c t:Aw a t e r i n r u s ho c c u r r e d i nt h eh e a d i n go f e x c a v a t i o no f a4 3 3me l e v a t i o nc h a m b e ro f a nu n-d e r g r o u n dm e t a lm i n ei nn o r t h e a s tY u n n a nP r o v i n c e,a n dt h es t a b l ew a t e rv o l u m ew a sa b o u t16 5 0m3/h,r e s u l t i n g i nt h e f l o o d i n go f t h eh o r i z o n t a l r o a d w a y.O nt h eb a s i so f t h eu r g e n t i n c r e a s i n gw a t e rp u m pd r a i n a g e t oc o n t r o l t h ew a t e r l e v e l,i tw a sp r o p o s e dt ou s et h ew a yo fd r i l l i n gt op u ta g g r e g a t ea n dg r o u t i n g t ob l o c k t h e f l o o d e d r o a d w a y.D u e t o l a r g ew a t e r o u t b u r s t a n dh i g hw a t e r p r e s s u r e,i tw a sd i f f i c u l t f o ra g g r e g a t e t ob ee f f e c t i v e l yr o o f e da f t e r i ta c c u m u l a t e dt oac e r t a i nh e i g h t i nt h er o a d w a y.B yt h r o w i n gm u l t i p l el a r g e v o l u m em o l db a g si n t ot h er o a d w a ya n du s i n gd r i l lp i p ea n ds e l f m a d em o l db a gg r o u t i n gd e v i c e t o i n j e c tm o d i f i e ds i n g l e l i q u i dc e m e n t s l u r r y i n t o t h em o l db a g,a s t o n eb o d yc o u l db e f o r m e da f t e rs o l i d i f i c a t i o n.T h es t o n eb o d yo f t h em o l db a gc h a n g e dt h ew a t e rf l o wf i e l do ft h er o a d w a ya n dp r o m o t e dt h ee f f e c t i v ea c c u m u l a t i o no fa g g r e g a t e,a n df i n a l l yt h er o a d w a yw a ss u c-c e s s f u l l yr o o f e d.I tp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n tg r o u t i n gc o n s t r u c t i o n.T h i sk i n do fd e e p h o l em o l db a gg r o u t i n g t e c h n o l o g yc o u l dp r o v i d e r e f e r e n c e f o r s u b s e q u e n t s i m i l a rd y n a m i cw a t e rg r o u-t i n ga n dp l u g g i n gp r o j e c t s.K e y w o r d s:w a t e r i n r u s hc o n t r o l;d y n a m i cw a t e r;d i r e c t i o n a l d r i l l i n g;m o l db a gg r o u t i n g建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷0 引 言随着浅部矿产资源的迅速消耗,我国矿井开采深度不断增加,破坏隔水层,揭露地层深部承压水引发突水灾害的风险逐渐增大1。矿井突水灾害是影响矿山安全生产的重大灾害之一,往往给矿山的 正 常 生 产 带 来 不 利 影 响,甚 至 造 成 淹井2 3、致人伤亡的严重后果4。断裂构造带往往是矿井突水的主要原因,也是最易产生突水的地点5。对于井下巷道工作面中、小突水点可施工止浆墙或预留止浆岩柱,采用工作面注浆方法进行治理6 7,深立井突水可采用壁后注浆及工作面注浆进行治理8。遇巷道大规模突涌水时易造成淹井,在水压减小或形成静水后,采用先在地面钻孔投料注浆封堵过水巷道,再治理突水构造或水源区域的方法可以快速治理水害9。而大通道高压动水条件下的巷道封堵,当骨料堆积至一定高度后,巷道上部剩余空间的水流速度变快,在高压动水流的快速冲刷作用下,投入巷道中的常规碎石骨料往往被携带至下游流速减缓的较远处,难以快速接顶,目前仍属于世界性难题1 0 1 1。1 工程概况滇东北某地下金属矿山在进行4 3 3m标高硐室掘进时,放炮后硐室迎头出现涌水并迅速增大,将4 3 0 m水平淹没,稳定水量16 5 0 m3/h。经紧急增加排水设备,矿井水位稳定于5 0 8m标高附近。持续一个多月强排水后,涌水量未见明显减小。综合矿山水文地质资料判断硐室迎头揭露了主要构造裂隙遇承压水,水源补给充分,难以短期疏干,决定进行突水专项治理。突水硐室外有2条过水通道,分别为4 3 0m水平主运巷道和竖井联道。主运巷道连通该水平水仓,为主要过水通道,断面形状为3m3m的三心拱。竖井未安装水泵抽水,竖井联道内不存在大流量动水。2条过水通道围岩为稳定坚固的白云岩,矿区地下水静水位在8 6 08 7 0m标高,经研究后决定从上部水平现有巷道附近通过定向钻孔向4 3 0 m水平硐室外过水巷道投注骨料加注浆的方式封堵过水巷道治理本次突水。突水点外过水巷道及投料注浆钻孔布置如图1所示,主运巷道和竖井联道上分 别 设 计5个 和3个 钻 孔,H 3、H 5孔 在6 7 0m水平的钻窝 硐室开孔施 工,其 余 钻 孔 在9 0 0m水平的钻窝硐室开孔施工。各定向钻孔顺利透巷后立即转入投料阶段,随着巷道内骨料堆积高度上升,巷道上部水流速度加快,加之H 1号和H 2号钻孔孔底主运巷道旁有辅助功能硐室影响,骨料在此难以继续有效图1 突水点外过水巷道及投料注浆钻孔布置堆积并接顶。受钻孔最小孔径1 5 2mm的限制,无法向巷道中投放大块岩石,因此决定采用模袋注浆技术,向巷道内投放大体积的浆液,浆液结石体对进行巷道充填,同时改变水流流场促进骨料堆积。2 模袋注浆原理模袋注浆是利用较为柔软易变形且强度较高的保护膜(或布)加工成口袋形状,水可以良好地渗透保护膜(或布),但水泥颗粒难以渗透。通过向口袋中注入一定量的水泥浆液,口袋可以在浆液压力作用下充分变形扩张,水泥浆液在口袋的保护和限制下析水凝结,形成体积较大的结石体,而袋内多余的水分可以透过模袋渗出。模袋注浆技术常用于地下暗河、过水岩溶暗洞、井下高速动水巷道的充填封堵1 2,在市政工程和公路工程的软弱地基处理中也有应用1 3。3 模袋注浆装置设计对于垂直浅孔,模袋可以折叠捆绑后直接垂在钻具下端下入钻孔底部后注浆膨胀。模袋初步24 第4期 向俊兴,等:深孔模袋注浆技术在地下矿井突水治理中的应用设计采用透水不透浆的土工布加工成口袋状后折叠绑扎成条状,上部接口绑在钻杆最下端,直接下入钻孔。在孔深仅2 3 6.8 8m的H 5号孔中进行试验,模袋下放至钻孔最下端5 m长的裸孔段时,被卡住无法继续下入孔底巷道。起钻检查发现模袋与钻杆接口处破损严重,接口以下3 0c m处局部磨损。判断模袋在下放过程中,钻杆底部与钻孔定向段套管壁摩擦造成模袋破损。本项目拟实施模袋注浆的钻孔均为定向孔,在不同水平开孔的钻孔最小透巷深度2 3 6.2 9m,水平位移达2 0m,最大透巷深度4 7 6.4 5 m,水平位移均超1 0m。故必须考虑模袋如何顺利下入定向斜孔孔底巷道,避免被倾斜套管和底部裸孔段孔壁岩石刮擦,造成破损。3.1 整体设计根据钻孔裸孔段1 5 2mm的孔径和现场8 9钻具接头形式,设计模袋注浆装置如图2所示,图2(a)为模袋注浆器,图2(b)为模袋保护套管。模袋注浆器由上部接头、葫芦形接头、注浆管3部分焊接组成,各部分之间用加劲钢板焊接加强;上部接头外径1 2 7mm,葫芦形接头和保护套管外径1 4 6mm,注浆管直径5 0mm;上部接头与8 9钻杆母扣连接,保护套管与葫芦形接头连接,组装完成后保护套管底部长于注浆管2 53 0c m,注浆管长1.51.8m,整个装置总长控制在2.22.5m;模袋加工成细长颈口袋状,长颈套在注浆管外,袋身上提折叠收缩于注浆管与保护套管之间的环形空间内。模袋注浆装置组装完毕后接上钻孔施工的8 9钻杆,逐渐下放至孔底巷道中,然后利用钻杆作为注浆管路进行压水、注浆,将模袋袋身压出保护套管,进入巷道上部过水通道内。待模袋充填的浆液凝结硬化后,上提钻具拉断袋颈,完成一次模袋注浆。3.2 模袋布的选择在垂直浅孔的模袋注浆施工中,常采用土工布加工模袋。土工布具有优异的透水不透浆性能,但整体较厚,且不够柔软,难以从保护套管中压出。初选若干种厚度不一、材质不同的布料样品进行现场试验。简单测试各种布料透水透浆性能后,再对初步测试符合透水不透浆要求的布料分别裁取一小块倒入定量的11单液水泥浆,将布料四周收拢捆扎成包后放入动水流中进行耐冲刷试验,1 2h后取出布包检查浆液结石体体积、强度。以结石体体积较大、强度较高者作为模袋a上部接头;b加劲钢板;c葫芦形接头;d注浆管;e保护套管;f母扣。图2 模袋注浆装置布。最终选择军用帆布作为模袋布。3.3 模袋设计依据模袋注浆装置的尺寸,模袋设计成长颈瓶形状,如图3所示。袋颈直径6 0mm,长2.03.0m,袋肩长0.51.0m,袋身直径0.51.5m,长度1.52.5m,具体尺寸根据巷道中剩余过水空间大小确定。各钻孔进行模袋注浆前,先下钻探查孔底巷道骨料堆积高度,与原透巷孔深及巷底深度进行对比分析后得出巷道上部剩余空间的高度。图3 模袋形状34建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷4 地面模拟试验模袋注浆装置加工完成后,在地面进行整套装置模拟试验,检查折叠在保护套管内的模袋能否被顺利压出,观察模袋各缝线处是否漏浆,确定压水、注浆时的合理泵量范围,候凝时间及袋颈能否顺利拉断。4.1 模袋缝制采用经过渗透性检验的军用帆布缝制模袋,袋颈长2.0m,袋肩长0.5m,袋身周长3.0m,长度1.5m。缝线采用耐水耐腐的高强丝线,袋身与袋肩的接缝设缝线2道,袋颈与袋肩之间设环形接缝缝线1道。袋身底部中央正对注浆管口处做成双层布料,以便抵御压水、压浆时的压力。4.2 模袋组装将模袋袋颈套入直径5 0mm的注浆管1.5m长,并用铁丝在袋颈的上、中、下部分别进行绑扎,然后将袋身顺着注浆管向上提至袋底中央接触注浆管口,将袋身一圈沿轴向按W形(雨伞形)折叠后收紧至注浆管周围,用纸胶带从上至下较大间距盘旋缠绕模袋,进行捆绑固定,再将下部的保护套管和上部的注浆器安装好即完成组装。4.3 模袋注浆将模袋注浆装置垂直悬挂于高处,接好注浆管路后先进行压水,确认管路畅通后将注浆管与注浆器连接,开始向模袋内压水;泵量采用1 6 0L/m i n,模袋透水效果良好,逐渐被从保护套管中压出;注入水灰比11的单液水泥浆,模袋体积迅速膨胀,定量注入0.5m3浆液后模袋已非常饱满,继续压水冲洗管路后结束注浆。地面模袋注浆试验如图4所示。图4 地面模袋注浆试验4.4 注浆效果注浆后的模袋自然养护81 0h即可完成终凝,具有一定强度。随着浆液的沉淀、析水,模袋底部形成密实的结石体,上部水分逐渐渗出。2 4h后拆除模袋布,浆液结石体如图4(b)所示,呈中间低、四周高的盆状,整体强度较高。4.5 试验总结(1)模袋布的选择。选用军用帆布缝制,在注浆中后期,模袋表面有少量水泥浆渗出。说明在压力作用下,模袋布透浆性增强,单层模袋布是可行的,但注浆泵量宜控制在1 6 0L/m i n或以下。(2)模袋制作。模袋在试验过程中未出现破损,开裂,说明布料强度和缝线质量符合要求。(3)模袋压出。本次试验模袋可以压出保护套管,为确保压出更顺利,可以在模袋折叠捆绑完毕后,在表面涂抹一定的润滑脂。(4)浆液配比。采用水灰比11的单液浆析水率较大,模袋体积利用率不高,可适当降低水灰比。为了减少水流冲刷下的浆液流失,可添加一定的速凝早强剂。(5)注浆量。当模袋体积较小时,模袋内注浆量不宜超过模袋容积的2/3;当模袋体积较大时,模袋剩余空间宜大于0.5m3,以便注完浆后压水时模袋有充足的表面积透水。(6)模袋分离。模袋分离应在浆液完成终凝以后进行,根据浆液室内试验和地面试验结果,考虑井下巷道中水流和温度的影响,宜在注浆完成后1 01 2h内进行。在地面试验人工撕扯下,袋颈和袋身处缝线成功断裂;在实际孔内施工时,浆液结石体体积超过钻孔孔径,且结石体质量达数百公斤以上,在孔底反复提拉钻具即可分离模袋。5 现场施工5.1 钻孔选择在进行模袋注浆前,下钻具探测主运巷道上各投料钻孔孔底巷道剩余高度后,选择投料较多但堆积高度仅约1.5m的H 2号钻孔。H 2号钻孔位于主运巷道5个投料孔中靠上游的位置,孔底处于4 3 0m水平主运巷道与斜坡道预开口硐室的十字交叉口。H 2号孔透巷孔深4 7 5.5 4m,孔口至透巷点的水平位移1 2.0 1m。5.2 模袋尺寸H 2号孔巷道剩余高度约1.5m,过水空间较大,为使模袋压出后漂至下游再膨胀,避免直接占据孔底 位 置,加 工 模 袋 袋 颈 长3.0 m,袋 肩 长0.6m,袋身周长3.0m,长度2.5m。5.3 模袋注浆施工模袋注浆装置组装完毕后,运送至井下施工44 第4期 向俊兴,等:深孔模袋注浆技术在地下矿井突水治理中的应用现场。根据钻孔施工时测出的透巷深度,计算合适长度的钻具组合,利用钻机在模袋注浆装置上逐根接长钻杆,使钻具组合底部的模袋注浆装置下放至孔底巷道顶下方3 0c m处,下放过程中避免急刹蹲坐钻具。钻具下放到位后,连接注浆管路,用注浆泵压清水1 0 m i n,采用泵量1 6 7L/m i n,随后定量注入PO 4 2.5级水泥搅拌的单液水泥浆1.0m3(水灰比为0.81),再继续压清水2 0m i n。在压水、注浆过程中应持续观察泵压变化,确认模袋能被顺利压出至巷道内,避免水泥浆堵管。3h后再压清水51 0m i n观察压力情况,检查浆液是否堵住钻杆未完全进入模袋。注浆完毕1 2h后准备起钻,反复迅速上提、下放钻具,拉断袋颈缝线使模袋分离,再下放钻具至巷道内探测巷道骨料堆积高度上升约0.6m,说明模袋已占据孔口下方一定空间。起钻完毕后检查注浆管上仅绑有袋颈,可见袋颈与袋身缝线处断裂痕迹,成功完成第1个模袋的施工。为了避免模袋重叠在一起,下一个模袋可以增加模袋袋颈和袋身长度,并增加单个模袋注浆量,使之尽量在巷道水平方向占据更多空间。当多个模袋堆积至一定高度,阻水功能进一步增强时,后期下放的模袋将面临更大的水流冲刷作用。为便于浆液快速凝固结石,可在模袋注完改性单液水泥浆并压水冲洗管道后,再定量注入占改性单液水泥浆体积3 0%5 0%的水玻璃,35h后即可起钻。5.4 施工效果共进行4次模袋注浆后,H 2号孔孔底巷道内骨料及模袋堆积高度上升至2.5 6m,比下放模袋前升高约1.0 0m。之后继续进行各孔投骨料工作,加快了骨料有效堆积速度,促进了整个项目的有效推进。深孔模袋注浆封堵地下矿井突水巷道剖面如图5所示。图5 深孔模袋注浆封堵地下矿井突水巷道剖面6 结 论(1)选用帆布类有较高强度、且透水不透水泥颗粒的柔软材料,用高强丝线缝制模袋,可达到析水保浆、形成大块结石体的预期效果。(2)将模袋折叠后绑扎在自制深孔模袋注浆装置内,通过钻杆逐根接长,可使模袋顺利下放至巷道顶部。(3)通过钻杆向深孔模袋内定量注入改性单液水泥浆,模袋体积较小时,注浆量不宜超过模袋容积的2/3;模袋体积较大时,注浆量宜小于模袋容积,但不少于0.5m3。(4)本项目通过自制深孔模袋注浆装置,成功实施了4次模袋注浆,共注入水灰比为0.81单液水泥浆5m3,改变了巷道水流场,为投料接顶提供了基础。实践证明,自制深孔模袋注浆装置克服了在定向深孔中套管和裸孔段孔壁对模袋的损伤,可用于地下矿山突水治理中的高速动水封堵,为类似应用场景提供了有益的参考。54建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷参考文献:1 邢一飞,张 诚,王建辉.2 0 0 72 0 1 4年我国煤矿突水事故分析及规律研究J.煤炭技术,2 0 1 6,3 5(7):1 8 6 1 8 8.2 王绍群,张文锋,牛俊升,等.注浆技术在井筒突水治理中的应用J.建井技术,2 0 1 9,4 0(1):2 3 2 6.3 刘生优.骆驼山煤矿1 6煤大巷奥灰突水封堵工程设计J.煤炭工程,2 0 1 1,4 3(1 0):3 7 4 2.4 武 强,崔芳鹏,赵苏启,等.矿井水害类型划分及主要特征分析J.煤炭学报,2 0 1 3,3 8(4):5 6 1 5 6 5.5 虎维岳.矿山水害防治理论与方法M.北京:煤炭工业出版社,2 0 0 5.6 郑 璐,钱国媛,高宇梁.采用止浆墙注浆法治理金属矿山巷道突水J.建井技术,2 0 1 4,3 5(5):1 9 2 2.7 高 超.金属矿山巷道突水原因分析及治理J.建井技术,2 0 1 6,3 7(5):2 5 2 8.8 张向东,张建俊.深立井突水淹井治理及恢复技术研究J.煤炭学报,2 0 1 3,3 8(1 2):2 1 8 9 2 1 9 5.9 高岗荣.煤矿注浆技术综述J.建井技术,2 0 2 0,4 1(5):1 9.1 0 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