一种煤矿待采工作面上覆烧变岩隔水帷幕的注浆方法与流程

本发明属于矿井防治水技术领域，具体涉及一种煤矿待采工作面上覆烧变岩隔水帷幕的注浆方法。

背景技术

我国西北地区煤层烧变岩比较发育，如新疆和陕北的部分矿区，由于煤层露头浅，加之地表沟谷较多，因此煤层自燃后存在烧变岩现象。烧变岩经燃烧和垮塌后，内部裂隙十分发育，当烧变岩周围存在水体如水库、湖泊、河流或其他含水层时，烧变岩裂隙会充水，并成为强含水层。当烧变岩下部未烧变的完整煤层有采掘活动时，若下层煤工作面导水裂隙带与烧变岩含水层沟通，烧变岩水有可能成为采掘面的顶板突水水源，威胁矿井安全和正常生产。要阻止烧变岩水进入到矿井采掘系统，需要在烧变岩层位中建造一道侧向防渗阻水墙，将烧变岩补给来水切断，然后对工作面顶部帷幕线内侧烧变岩含水层静储量水进行疏放，之后就可安全回采。

烧变岩裂隙发育，通过注浆建造一道隔水帷幕是一种经济可行的技术方法。注浆建造隔水帷幕的关键是注浆孔之间的浆液能相互连通搭接，堵塞烧变岩的裂隙过水通道，形成一个整体隔水构造，最怕相邻钻孔之间受注层中的浆液未完全连通，出现空白区漏水点，漏水点多了渗漏水量大，达不到预期的堵水效果。

为解决隔水帷幕建造中注浆孔浆液搭接有漏点封堵率低的问题，常见的方法是分序次注浆法，将帷幕孔分为二序或三序，通过反复穿插注浆提高帷幕的抗渗性。两序孔施工时先隔一个孔位跳孔施工一序孔，再施工剩下的二序孔。三序孔先隔三个孔位注一序孔，再在三个孔位的中间孔位注二序孔，最后注剩下的三序孔。

对于烧变岩含水层侧下方存在待采工作面的帷幕注浆工程，仅仅采用常规的分序次注浆法，浆液难以充分扩散搭接，注浆帷幕的防渗效果较差，堵水率不高。

技术实现要素：

本发明提供了一种煤矿待采工作面上覆烧变岩隔水帷幕的注浆方法，以解决现有技术存在的注浆孔之间浆液难以充分扩散搭接、烧变岩注浆帷幕防渗效果较差、堵水率不高等问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种煤矿待采工作面上覆烧变岩隔水帷幕的注浆方法，其特征在于：包括下述步骤：

1)、帷幕钻孔布置：

根据地形地质条件和工作面采掘条件布置注浆帷幕，帷幕为两排，在帷幕线上布置钻孔，同排帷幕钻孔为等间距布置，内外排钻孔布置时错位呈梅花形，使内外排相邻孔位所形成的三角形为正三角形，帷幕钻孔垂向上穿过烧变岩层位进入烧变岩底板新鲜岩层中；

2)、内排帷幕孔注浆：

a、从内排帷幕线一侧开始对所有钻孔依次进行编号，钻孔中编号为1、5、9、13……等4n+1(n≥0，n∈n)号钻孔为一序孔，最后一个一序孔编号为m，在m内编号为3、7、11……等4n-1(n＞0，n∈n)号钻孔为二序孔，在m内编号为2、4、6、8、10……等2n(n大于0，n∈n)号钻孔为三序孔，在m外1～3个钻孔中最后1个钻孔也是一序孔，编号为z，m孔与z孔之间的1～2钻孔均为二序孔；

b、在编号为5、9、13……m等一序孔钻孔孔位处施工引流钻孔，钻孔终孔位置为孔位下部的烧变岩底部；

c、一序孔按孔号由小到大施工，先施工1号孔，1号孔钻至烧变岩底部新鲜岩层一定位置，开始进行注浆，注浆时打开5号孔孔位处的引流钻孔进行引流；

d、1号孔注浆结束，以5号孔为注浆孔进行注浆，同时9号孔孔位处引流钻孔开始引流；5号孔注浆结束，以9号孔为注浆孔进行注浆，13号孔孔位处引流钻孔开始引流，……以此类推，直到在m号孔孔位处引流钻孔的引流下完成注浆；

e、m号钻孔根据孔外剩余孔数情况进行注浆，之后z号孔在不引流的情况下完成注浆，所有一序孔注浆结束；

f、二序孔开始注浆，二序孔注浆时不引流，可以多点开花并行作业；二序孔注完后，在同样不引流的情况下，三序孔多点并行式注浆，直到所有三序孔全部完成注浆，内排帷幕孔注浆结束；

3)、外排帷幕孔注浆：

a、对外排帷幕孔依次进行编号，所有1、3、5、7…等单号孔均为一序孔，最后一个双号孔也是一序孔，其余所有的2、4、6、8……等双号孔均为二序孔；

b、一序孔注浆前，结合工作面回采前顶板烧变岩静储量水疏放工作，在工作面切眼及两侧巷道中向工作面顶板上方施工烧变岩疏放水孔；

c、先注一序孔，一序孔采用多点集中并行式注浆法，注浆过程中井下疏放水孔在对应位置进行放水引流，放水引流时采用间歇式放水法，人为造成帷幕内外的水位差；

d、一序孔注完注二序孔，二序孔采用和一序孔相同的多点集中并行式注浆法，注浆过程中井下疏放水孔同样在对应位置进行放水引流，直到所有二序孔完成注浆。

上述步骤2)的e中，m号钻孔外为1个钻孔，则m号钻孔在不引流的情况下完成注浆。

上述步骤2)的e中，若m号钻孔外还有2～3个钻孔，则m号钻孔在z号钻孔进行引流的情况下完成注浆。

上述步骤2)的b中，从井下向一序孔钻孔孔位处施工引流钻孔，引流方式为放水引流。

上述步骤2)的b中，从地面向一序孔钻孔孔位处施工引流钻孔，该引流钻孔同时为随后步骤的注浆孔，引流方式为抽水引流。

本发明具有如下优点：

1)通过多手段引流控制了浆液的扩散方向，提高了浆液的扩散距离，对帷幕墙体漏水点进行了充填和加固

没有人为干扰时，注浆中浆液在注浆压力的作用下，会沿着阻力最小、流通性最好的优势通道运移。在注浆帷幕建造过程中，优势通道的发育方向未必和帷幕线的方向一致，由于受注层位岩性和裂隙发育的复杂性，要使注浆孔之间的浆液相互连通充分搭接，可采用人工干扰方法，人为制造受注层水动力条件，干扰浆液运移方向，使其沿人为方向扩散，并在水动力的牵引下增大扩散距离。

本发明所采取的引流方法，既有内排帷幕孔的平行于帷幕线方向的引流，又有结合工作面采前疏放水的排间垂直于帷幕线方向的引流，既有井下钻探放水引流，也可地面钻探抽水引流，引流手段丰富多样。

本发明所采用的内排帷幕引流方法，间隔3个孔位进行引流，引流方向平行于帷幕线，引导了浆液的扩散方向，提高了浆液在帷幕线方向上的扩散距离，浆液在帷幕线方向可远距离扩散。

本发明外排帷幕注浆时所采取排间引流方法，结合了工作面回采前顶板烧变岩静储量水疏放，主动在井下施工顶板烧变岩疏放水钻孔，人工造成帷幕内外水压差，使浆液向内排帷幕里面的工作面顶板方向流动，可对内排帷幕中的残余漏水裂隙进行充填和加固。

2)注浆帷幕的防渗效果好

采用本发明，内排帷幕孔注浆时通过的排内平行引流，增大了浆液在帷幕线方向上的扩散距离，再通过分序次穿插钻探，经过反复交叉式注浆，可使帷幕线方向上的浆液相互串通，充分填充内排帷幕注浆孔之间的空隙，增大帷幕的防渗性。外排帷幕注浆时，通过井下工作面钻孔的疏放水引流，浆液在水流牵引下填充加固内排帷幕过水裂隙，进一步提高了帷幕墙的隔水性能，帷幕的防渗效果好，帷幕形成后外部水体的渗漏量非常小。

3)提前进行顶板疏放水，待采工作面可快速开展回采

本发明两排帷幕建造的排间顺序为先内排后外排，不仅为排间引流创造了条件，而且内排帷幕孔注浆后施工外排帷幕孔时，内排帷幕浆液已经经过了一定时间的凝固，便于工作面回采前提前进行顶板水疏放。

本发明实施过程中，在内排隔水帷幕孔结束后可以进行工作面顶板上覆烧变岩含水层的疏放水工作，放水引流的同时为工作面采前顶板疏水打下了基础，减少了部分顶板烧变岩静储量，因此后期疏放水的时间短，工作面可在疏放水工作完成后可快速开展回采工作。

附图说明：

图1是待采工作面上覆烧变岩侧向帷幕工程平面示意图；

图2是内排帷幕注浆井下钻孔放水引流排内剖面示意图；

图3是内排帷幕注浆地面钻孔抽水引流排内剖面示意图；

图4是内排帷幕注浆一序孔施工顺序示意图；

图5是内排帷幕井下钻孔放水引流排间剖面示意图；

图6是外排帷幕注浆井下钻孔放水引流排间剖面示意图.

图中，1.工作面，2.水库，3.内排帷幕孔，4.外排帷幕孔，5.注浆孔，6.内排帷幕井下引流孔，7.外排帷幕井下引流孔，8.地面抽水孔，9.浆液，10.水流，11.工作面切眼，12.工作面巷道，13.内排帷幕的1号孔，14.z号孔，15.m号孔，21.工作面开采煤层，22.工作面煤层顶板，23.烧变岩底板新鲜岩层，24.烧变岩，25.烧变岩顶板新鲜岩层，26.基岩风化带，27.土层，28.风积沙，31.烧变岩含水层水位线

具体实施方式

陕北矿区某矿为侏罗系延安组煤层，煤层构造简单倾角小，为近水平煤层，因地表沟壑发育，井田内多层煤均有烧变现象。主采煤层中4^-2煤平均厚度约3.63m，井田中部4^-2煤烧变岩与水库直接接触，4^-2煤下面5^-2煤为未烧变的完整煤层。4^-2煤烧变岩受水库水补给富水性强，下距5^-2煤约75m，5^-2煤厚度约6m，5^-2煤工作面回采后导水裂隙带会发育至4^-2煤烧变岩，4^-2煤火烧区烧变岩中的水对下部5^-2煤工作面安全的威胁很大。为了5^-2煤工作面安全回采，需要在其顶板4^-2煤烧变岩中做一道注浆帷幕，通过注浆将烧变岩补给水源切断，将水库水阻拦在帷幕之外，在陕北水资源匮乏地区实现保水采煤，达到煤水共赢、绿色开采的目的。根据工作面布置和地形地质条件，帷幕为直线形帷幕。

参见图2、3、5、6，注浆工作区的地层自工作面所回采的5^-2煤往上依次为：5^-2煤21、5^-2煤煤层顶板22、烧变岩底板新鲜岩层23、烧变岩24、烧变岩顶板新鲜岩层25、基岩风化带26、土层27、风积沙28，烧变岩24含水层中水位31。

下面结合附图对本发明实施过程做进一步的说明：

一种煤矿待采工作面上覆烧变岩隔水帷幕的注浆方法，具体包括下述步骤：

一、帷幕钻孔布置：

参见图1、5、6，根据待采工作面1与水库2及烧变岩24之间的空间关系，在工作面1与水库2之间布置两排直线形帷幕，将水库2与工作面1隔开，通过帷幕注浆切断两者烧变岩24之间的水力联系，工作面1在帷幕内侧，水库2在帷幕外侧。

考虑到岩层移动角和帷幕处浆液扩散宽度，平面上内排帷幕线距离工作面切眼不小于50m。垂向上帷幕孔3和4要穿过烧变岩24并进入烧变岩24底板新鲜岩层23以下5m。

参见图1，在帷幕线上进行钻孔放点，同排帷幕孔按10m间距等距离布置，两排钻孔布置时错位呈梅花形，内外排钻孔错开后相邻钻孔按正三角形布孔，此时内外排帷幕之间的排间距为8.66m。

二、内排帷幕孔注浆：

1、从内排帷幕线一侧开始对所有钻孔3进行编号，钻孔中编号为1、5、9……等4n+1(n≥0，n∈n)号钻孔为一序孔，参见图4，最后一个一序孔15的编号为m，在m内编号为3、7、11……等4n-1(n＞0，n∈n)号钻孔为二序孔，在m内编号为2、4、6、8、10……等2n(n大于0，n∈n)号钻孔为三序孔，在m外1～3个钻孔中最后1个钻孔14也是一序孔，编号为z，这个m与z之间的1～2钻孔均为二序孔。

2、参见图1、2、5，地面注浆前在编号为5、9、13……m等一序孔孔位处施工井下引流钻孔6，钻孔6终孔位置为对应孔位下方的烧变岩24底部。

参见图3，若井下不具备条件，从地面帷幕孔3孔位处施工抽水孔8，钻孔8从对应孔位处钻探至烧变岩24底部，该孔完成引流后为注浆孔5。

3、参见图2、5，内排帷幕孔3中的1号孔自上而下穿过风积沙28、土层27、基岩风化带26、烧变岩顶板新鲜岩层25、烧变岩24并钻至烧变岩24底板新鲜岩层23以下5m开始进行注浆，注浆时打开5号孔孔位处的引流孔6进行放水。

若5号孔采用地面抽水，为防止烧变岩抽水中出现塌孔埋管，抽水采用外平管空压机抽水法。

参见图2和图3，5号孔引流中通过水流10的流动牵引浆液9，引流中见到注浆浆液9后，关闭引流钻孔6或8停止引流，直至1号孔达到注浆结束标准。若钻孔6或8引流中未见注浆浆液9，则一直引流至1号孔达到注浆结束标准。

4、参见图4，1号孔注浆结束以5号孔为注浆孔5，在9号孔孔位处进行引流，引流方法同上，直到5号孔达到注浆结束标准，之后对9号孔进行注浆，在13号孔孔位处进行引流，……以此类推，直到在m号钻孔15的孔位处引流下完成注浆。

5、参见图4，m号钻孔15根据孔外剩余孔数情况进行注浆，之后z号孔14在不引流的情况下完成注浆，所有一序孔注浆结束：

m号钻孔外还有3个钻孔，则m号钻孔在z号钻孔进行引流的情况下完成注浆。

6、二序孔开始注浆，二序孔注浆时不引流，可以多点开花并行作业。二序孔注完后，在同样不引流的情况下，三序孔多点并行式注浆，直到所有三序孔全部完成注浆，内排帷幕孔注浆结束。

三、外排帷幕孔注浆：

1、进行外排帷幕孔4注浆，对外排帷幕孔4依次进行编号，所有1、3、5、7…等单号孔均为一序孔，最后一个双号孔也是一序孔，其余所有的2、4、6、8……等双号孔均为二序孔。

2、参见图1，一序孔注浆前，结合工作面1回采前顶板烧变岩静储量水疏放工作，在工作面切眼11及巷道12中向工作面1顶板上方施工烧变岩疏放水孔7。

3、先注一序孔，一序孔采用多点集中并行式注浆，参见图6，注浆过程中井下疏放水孔7在对应位置进行放水引流，人为造成帷幕内外水位31的水位差，通过水压差形成的缓慢水流10使外排帷幕孔4的浆液9填能够加固内排帷幕孔3的残余缝隙。

控制各个外排帷幕井下引流孔7的疏放水量和总水量，使不同位置处外排帷幕井下引流孔7的放水量相差不大，钻孔总水量按每100m帷幕长度不超过100m³/h控制。采用间歇式疏放水法，放半天停半天，再每放半天停半天，如此循环进行。

疏放水中有外排帷幕井下引流孔7出现浆液9后即关闭该钻孔，没有浆液9的外排帷幕井下引流孔7一直进行间歇式放水，等对应位置一序孔完成注浆后，关闭该处外排帷幕井下引流孔7。

4、一序孔注完注二序孔，二序孔采用和一序孔相同的多点集中并行式注浆法，并按同样的疏放水方法和标准进行控制性放水，注浆中在对应位置打开外排帷幕井下引流孔7，按每100m帷幕长度不超过100m³/h的水量进行间歇式疏放水，直到所有二序孔完成注浆，外排帷幕注浆工作结束。整个隔水帷幕建造工作完成。

以上引流注浆实施过程中，注浆材料、浆液配比、注浆工艺、注浆压力、终孔泵量、帷幕效果检查等工作按常规帷幕注浆方法进行。

本发明所述的步骤完成后，对帷幕效果进行评价，之后可正式进行采前工作面顶板烧变岩疏放水，疏放水工作结束工作面即可进行回采。

陕北矿区该矿井，按以上方法对上覆烧变岩含水层进行帷幕注浆，回采后两个切眼长度达600m工作面的总水量不超过15m³/h，帷幕注浆取得了良好的效果，实现了保水采煤、煤水共赢的目标。