龍固煤礦巖巷注漿堵水中基于關(guān)鍵孔的信息化治理體系研究

王 利

（中煤科技集團(tuán)公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

龍固煤礦巖巷注漿堵水中基于關(guān)鍵孔的信息化治理體系研究

王 利

（中煤科技集團(tuán)公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

針對(duì)龍固煤礦二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷幾個(gè)層位突涌水現(xiàn)象較為嚴(yán)重的問題，在巷道注漿堵水過程中提出了關(guān)鍵孔治理思想，制定了鉆孔評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵孔的多因素層次優(yōu)選方法。從材料消耗和堵水效果監(jiān)測(cè)方面對(duì)關(guān)鍵孔的作用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過對(duì)鉆孔的評(píng)價(jià)和優(yōu)選，提高了鉆孔的利用效率。

巷道注漿堵水 關(guān)鍵孔 鉆孔評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 信息化 龍固煤礦

1 工程背景

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司龍固煤礦設(shè)計(jì)能力為600萬t／a，其首采水平為-810 m，地面標(biāo)高+43.6 m，埋深大、表層土厚、斷層構(gòu)造極為發(fā)育。

二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷穿越多個(gè)巖層，其中，灰?guī)r、泥巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等幾個(gè)層位突涌水現(xiàn)象較為嚴(yán)重。突涌水的主要原因是該區(qū)域內(nèi)的三灰含水層被兩處張扭性斷層FL8-1、FL8-2切斷，進(jìn)而為地下水的流通額外產(chǎn)生了一條垂直方向的通道，促進(jìn)了地下水的排泄。

二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷涌水區(qū)域總長度約310 m，涌水量為720 m3／h，涌水初始揭露水壓為7.5 MPa，經(jīng)過疏排后水壓為2.5～3.5 MPa，涌水溫度約為49℃，屬于典型的高溫、高壓、大流量涌水，工程治理難度極大。根據(jù)涌水點(diǎn)位置、特征及涌水量大小，將涌水段劃分為4個(gè)分區(qū)，分別為頂板淋水區(qū)、頂板冒落集中涌水區(qū)、巷道散點(diǎn)涌水區(qū)及巷道底板涌水區(qū)，其中頂板淋水段位于斷層FL8-1兩側(cè)，主要為從巷道頂板向底板穿越的斷層破碎帶，底板涌水段主要分布于FL8-2附近。同時(shí)，二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷圍巖多為巖石強(qiáng)度低的軟巖層，在斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下較破碎，穩(wěn)定性差，在外力作用下易發(fā)生坍塌事故。二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷涌水段及主要涌水點(diǎn)分布見圖1。

圖1 二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷涌水段及主要涌水點(diǎn)分布示意圖

2 關(guān)鍵孔注漿思想

基于上述工程實(shí)際，二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷治理需采取科學(xué)合理的注漿堵水技術(shù)措施保證煤礦建設(shè)和生產(chǎn)安全。輔二運(yùn)輸大巷初步方案設(shè)計(jì)深部注漿孔78個(gè)，鉆探總進(jìn)尺5750m。但在初期施工幾個(gè)鉆孔都無水，效果較差，而且還為后來的注漿以及鉆孔設(shè)計(jì)增加了難度。為找到最佳引排鉆孔和最佳注漿孔，在充分利用鉆孔的補(bǔ)充探測(cè)基礎(chǔ)上引入關(guān)鍵孔注漿思想。

關(guān)鍵孔是指在注漿、引排水、圍巖加固中起到主要作用的鉆孔。關(guān)鍵孔往往具有較好的連通性，能夠揭露主導(dǎo)通裂隙，通過關(guān)鍵孔的鉆探、探測(cè)可以建立圍巖含、導(dǎo)水構(gòu)造的分布模型，確定注漿堵水工程治理關(guān)鍵區(qū)域。

關(guān)建孔注漿實(shí)施的關(guān)鍵在于鉆孔設(shè)計(jì)以及鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)而優(yōu)選出關(guān)鍵孔進(jìn)行注漿治理，為此，引入關(guān)鍵孔信息化治理體系，通過提出鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)因素來綜合選孔。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

通過涌水區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析，確定涌水水源含水層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件采用瞬變電磁法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)涌水區(qū)域進(jìn)行物探，基本探查出主要含、導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育特征及重點(diǎn)涌水區(qū)域富水性情況，確定注漿堵水工程治理關(guān)鍵區(qū)域?yàn)橄锏理敯辶芩畢^(qū)，結(jié)合探測(cè)分析結(jié)論，針對(duì)關(guān)鍵區(qū)域巷道頂板淋水區(qū)的治理，初步設(shè)計(jì)4個(gè)鉆場(chǎng)。

3.2 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)

鉆孔質(zhì)量涉及施工安全、進(jìn)度、效益等多個(gè)問題，所以鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定顯得尤為重要。通過制定鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)建孔的多因素層次優(yōu)選，進(jìn)而可以提高鉆孔的利用率。

3.2.1 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)層次分析的計(jì)算方法，鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)得分越高，鉆孔質(zhì)量越好，鉆孔評(píng)價(jià)得分區(qū)間與鉆孔評(píng)價(jià)因素賦值高低有關(guān)，賦值越高，各因素間賦值差距越大，鉆孔得分差距越明顯，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件較差，目標(biāo)區(qū)域小，鉆孔賦值較低，故評(píng)價(jià)得分也較低。根據(jù)二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷現(xiàn)場(chǎng)情況和賦值的平均水平，確定了5個(gè)鉆孔質(zhì)量等級(jí)，具體情況如表1所示。

3.2.2 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)因素

鉆孔質(zhì)量關(guān)系到施工安全、引排及注漿治理效果，其質(zhì)量評(píng)價(jià)可以分為兩個(gè)層次，第一層評(píng)價(jià)因素分為安全評(píng)價(jià)、技術(shù)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)和成本評(píng)價(jià)4個(gè)方面，其中每個(gè)方面又可以根據(jù)具體工程條件分為諸多小項(xiàng)，針對(duì)不同的項(xiàng)目和工程環(huán)境，有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即為第二層評(píng)價(jià)因素。其中，安全評(píng)價(jià)包括施工人員安全性評(píng)價(jià)、工作環(huán)境評(píng)價(jià)及工程安全評(píng)價(jià)；技術(shù)評(píng)價(jià)包括鉆孔揭露裂隙數(shù)及鉆孔涌水量、連通時(shí)間或跑漿時(shí)間、有效擴(kuò)散范圍估計(jì)及跑漿濃度；環(huán)境評(píng)價(jià)包括通過治理可改善環(huán)境、對(duì)環(huán)境無影響及對(duì)環(huán)境有破壞作用；成本評(píng)價(jià)包括鉆孔施工成本、鉆孔吃漿能力及鉆孔及注漿施工難度。

表1 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在注漿鉆孔的質(zhì)量評(píng)價(jià)因素中，所涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多。其中有少量的定量指標(biāo)，如鉆孔涌水量、揭露裂隙數(shù)量、水壓等；更多的是模糊性很強(qiáng)的定性指標(biāo)，如連通性、有效擴(kuò)散范圍等。實(shí)際應(yīng)用中為了簡化處理，借用模糊理論，根據(jù)具體問題不同的復(fù)雜程度和需要，每一影響預(yù)報(bào)效果的因素可按其性質(zhì)分為若干等級(jí)。具體到輔二運(yùn)輸大巷中，將涌水量、跑漿濃度和跑漿時(shí)間3項(xiàng)作為定量評(píng)價(jià)。實(shí)際操作為涌水量評(píng)價(jià)得分為Qi／Qmax，其中，Qi為本孔涌水量，Qmax為治理段涌水量總和；跑漿時(shí)間評(píng)價(jià)得分可以根據(jù)注漿材料初凝時(shí)間和施工可操作性綜合確定，以速凝無機(jī)注漿材料為依據(jù)，其現(xiàn)場(chǎng)初凝時(shí)間為30～45 min，跑漿時(shí)間太短或太長得分均下降；跑漿濃度評(píng)價(jià)方法與涌水量評(píng)價(jià)辦法相似，具體得分為跑漿漿液濃度與注漿漿液濃度的比值。限于篇幅，這里就不作詳細(xì)的計(jì)算說明。

3.2.3 關(guān)建孔注漿設(shè)計(jì)

根據(jù)最終鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)得分，按最大隸屬原則，選擇1個(gè)最優(yōu)關(guān)鍵孔和5個(gè)次優(yōu)關(guān)鍵孔合計(jì)共6個(gè)關(guān)鍵孔。次優(yōu)關(guān)建孔4-5＃和次優(yōu)關(guān)鍵孔4-6＃如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵孔4-5和4-6的地質(zhì)剖面圖

（1）注漿材料選擇。以鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和注漿材料現(xiàn)場(chǎng)凝固試驗(yàn)為指導(dǎo)，針對(duì)涌水治理特點(diǎn)進(jìn)行如下材料選擇：

以膨脹性輕骨料 （以工業(yè)海帶和鋸末為主）為主要注漿材料。由于二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷內(nèi)涌水流量流速較大而巷道涌水道短，所以應(yīng)該采用能夠遇水膨脹的膨脹性輕骨料進(jìn)行封堵和填充大裂隙過水通道。

以C.S雙漿液為輔助注漿材料。C.S雙漿液是一種速凝無機(jī)注漿材料，其初凝時(shí)間為30～40 min。由于巷道內(nèi)多為高溫、高壓涌水，采用一般漿液不能保證注漿結(jié)石體的長期持久性和穩(wěn)定性。

此外，由于巷道內(nèi)圍巖多為軟巖層，在斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下較破碎，穩(wěn)定性差，還應(yīng)該選擇高強(qiáng)復(fù)合水泥漿液作為注漿材料。

（2）注漿工藝。根據(jù)巷道以及上述3種漿液的特點(diǎn)，按照先膨脹性輕骨料注漿減緩涌水流速，封堵大裂隙，再用C.S速凝雙漿液注漿減水，最后高強(qiáng)復(fù)合漿液加固的 “深部注漿堵水，淺層系統(tǒng)加固”思路順序進(jìn)行注漿，并且采用動(dòng)水注漿技術(shù)。

4 關(guān)鍵孔的堵水加固作用效果評(píng)價(jià)

以治理難度最大的冒頂區(qū)和頂板涌水段作為分析對(duì)象，對(duì)關(guān)鍵孔高壓裂隙涌水的注漿減水和加固的作用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷冒頂集中涌水段的治理共施工鉆孔35個(gè)，其中關(guān)鍵孔6個(gè)，關(guān)鍵孔的材料消耗比率如表2、表3、圖3所示，經(jīng)過對(duì)關(guān)鍵孔的系統(tǒng)注漿，頂板涌水段涌水量由原來的85 m3／h減為10 m3／h，注漿后巷道圍巖變形速率小于0.2 mm／d，減水和加固效果顯著，由此可見，關(guān)鍵鉆孔注漿對(duì)減少涌水量明顯。此外，由圍巖收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷，圍巖加固效果也較為明顯。

表2 關(guān)鍵孔鉆孔參數(shù)及注漿消耗表

表3 關(guān)鍵孔鉆孔注漿消耗比率

圖3 關(guān)鍵孔及其他鉆孔材料消耗對(duì)比圖

綜合考慮，在物探基礎(chǔ)上，針對(duì)二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷富水區(qū)域進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)，并根據(jù)信息化施工機(jī)制，對(duì)鉆孔數(shù)量和參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，最后實(shí)際施工深部注漿孔52個(gè)，比原設(shè)計(jì)減少33.3%；鉆探進(jìn)尺3312.5 m （不含復(fù)鉆），比原設(shè)計(jì)減少41.4%。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)龍固煤礦涌水為高溫、高壓、大流量的特點(diǎn)，提出關(guān)建孔注漿思想，并在具體的工程應(yīng)用中取得了良好效果。

（2）針對(duì)關(guān)建孔注漿，提出了運(yùn)用鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選，為關(guān)建孔注漿建立了信息化治理體系，并為后來類似工程提供借鑒和參考依據(jù)。

（3）從工程治理效果、經(jīng)濟(jì)效益以及工程量等方面對(duì)關(guān)建孔注漿作用進(jìn)行對(duì)比、分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)建孔治理思想能科學(xué)有效地找到富水異常區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造，減少鉆孔數(shù)量；針對(duì)關(guān)鍵孔進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)可有效節(jié)約資源，縮短工期。

［1］徐栓祥 .龍固礦深立井大流量工作面預(yù)注漿堵水研究 ［J］.中國煤炭，2009 （5）

［2］辛恒奇，徐栓祥 .掘進(jìn)巷道涌水?dāng)嗔芽p隙探測(cè)及注漿堵水技術(shù) ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（5）

［3］張霄，李術(shù)才，張慶松等 .關(guān)鍵孔注漿方法在高壓裂隙水封堵中的應(yīng)用研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011 （7）

［4］李術(shù)才，李樹忱，張慶松等 .巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報(bào)研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（2）

Research on informatization control system based on key borehole for water plugged by grouting into strata roadway in Longgu Coal Mine

Wang Li
（China Coal Technologies Group Corporation，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aimed at the severe water inrush in many positions of No.2 auxiliary main haulageway in Longgu Coal Mine，the key borehole control was proposed for water plugged by grouting into roadway and the evaluation criteria for boreholes and the multi-factor optimizing method of key borehole were made.The effect of key borehole was evaluated according to the material consumption and the monitoring on water plugging effect.The utilization efficiency of borehole was enhanced through the evaluation and optimization of boreholes.

water plugged by grouting into roadway，key borehole，evaluation criteria for boreholes，informatization，Longgu Coal Mine

TD743

A

王利 （1969-），男，山東寧陽人，工程師，博士，曾任新汶礦業(yè)集團(tuán)公司華豐煤礦副礦長、內(nèi)蒙古福成礦業(yè)公司黨委書記，現(xiàn)任中煤科技集團(tuán)公司總經(jīng)理助理。

（責(zé)任編輯 張艷華）