大斷層破碎帶注漿堵水技術(shù)研究

王俊超，何林波，李 廣，李 波，周 浪

(四川廣旺集團船景煤業(yè)有限責任公司，四川 宜賓 645250)

煤礦礦井廣泛存在地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層對生產(chǎn)的影響極其嚴重。一般情況，在斷層附近都存在大量的破碎帶，致使圍巖裂隙發(fā)育嚴重，形成大量的水源通道，嚴重影響工作面的正常掘進。目前，國內(nèi)頂板突水治理工作進展緩慢，而各個礦井地質(zhì)構(gòu)造不同，可供借鑒的成功經(jīng)驗較少。因此，頂板突水一直是煤礦水害防治的關(guān)鍵，也是救治工作的重點、難點。

1 礦井概況

四川廣旺集團船景礦由原勘探的船頭山井田和景陽井田及沐愛井田的一部分合并而成，位于四川省筠連礦區(qū)中部沐愛勘探區(qū)的東南端，行政區(qū)劃屬四川省宜賓市筠連縣維新鎮(zhèn)、鎮(zhèn)舟鎮(zhèn)、樂義鄉(xiāng)和高坎鄉(xiāng)，走向長度5.26 ～6.57 km，傾斜寬度5.94 ～7.63 km，井田面積37.9601 km2。本區(qū)位于沐愛勘探區(qū)的東南隅。北與F2斷層相鄰，南接落木柔背斜北翼，F(xiàn)3和F215、F256斷層分別位于井田的東西兩側(cè)。船景礦2009年開始興建，預計于2014年6月投產(chǎn)，設計井型150萬 t/a。目前，礦井處于基建期，正在準備+465 m水平一采區(qū)1122首采工作面。礦井正常涌水量為300 m3/h，總排水能力為1000 m3/h。

2 礦井水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層88條。其中，出露地表的36條，隱伏的52條。F3、F256為井田東西邊界斷層，破壞了含水層的連續(xù)性，交接部分透水性及富水性會有所增強，在靜水壓力及礦山壓力作用下，促使斷裂帶的進一步發(fā)育，采掘工作面接近斷層帶時，要防止斷層水的潰入。

1)第四系孔隙含水層(Q)。主要分布于鎮(zhèn)舟河、渾水河河谷兩側(cè)和山麓地帶。為殘積物、坡積物、沖擊物、洪積物，其結(jié)構(gòu)松散，厚度因地而異，0～37.30 m，一般厚3 ～5 m，分布面積4.27 km2。

2)三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)巖溶含水層。區(qū)內(nèi)在官田灣向斜核部的槐子坪、屋基地、甜竹包、大山坡一帶有一段、二段分布，面積約1.25 km2，出露標高+730～+940 m，主要巖性為灰色薄至中厚層狀石灰?guī)r、泥灰?guī)r，殘厚約66.23 m。巖溶發(fā)育以淺丘為主，富水性強。

3)三疊系下統(tǒng)銅街子組(T1t)巖溶裂隙含水層。分布在官田灣向斜兩翼，二段(T1t2)為紫灰、紫紅薄至中厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚18.76 m。該層含水性弱起相對局部隔水作用;以薄～中厚層狀石灰?guī)r，夾薄層鈣質(zhì)泥巖為主。裂隙發(fā)育極不均一，透水性強。

4)飛仙關(guān)組(T1f)裂隙含水層。飛仙關(guān)組以粉砂巖、泥巖組成，間有少許細粒砂巖，分為4段。分布面積 6.62 km2，總厚為 487.50 m，為裂隙含水，含水性極不均一，富水性也是由弱到中等之間，局部有隔水作用。

5)二疊系上統(tǒng)宣威組(P2x)裂隙含水層。該層主要巖性為灰、灰白色和深灰色砂質(zhì)泥巖、黏土巖、泥巖、粉砂巖、砂巖，上部富含煤層和夾薄層生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)石灰?guī)r，主要分布于井田南、北邊界。

煤層露頭處小煤礦、老窯開發(fā)歷史較長，采空面積較大，造成淺部地表開裂和塌陷，地表水下滲，致使多數(shù)小煤礦和老窯長年有水外流，流量較大的往往出露在滑坡體內(nèi)或山溝中。

宣威組內(nèi)地下水補給條件差，富水性弱。宣威組下段，厚91.99 m，由灰色、淺灰色黏土巖夾碎屑巖組成。頂部含薄煤層，巖芯較完整，裂隙不發(fā)育，層位穩(wěn)定，是良好的隔水層。

6)二疊系上統(tǒng)峨嵋山組(P2β)裂隙含水層。分布在井田南緣以及北部柿子壩、冬瓜灣、石巖子一帶，出露標高+450～ +940.5 m，厚95.48 m，頂部為10 m，灰、淺灰色碳酸鹽化凝灰?guī)r、玄武質(zhì)角礫巖，其下為灰綠、墨綠色致密塊狀玄武巖，具杏仁狀、氣孔狀、塊狀構(gòu)造。淺部柱狀節(jié)理發(fā)育。巖石結(jié)構(gòu)比較致密，除淺部風化裂隙與構(gòu)造裂隙外，節(jié)理裂隙發(fā)育不均一，一般透水性差。富水性弱，視為相對隔水層。

7)二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)巖溶含水層。該層在井田南、北均有廣泛出露，為一套灰色厚～巨厚層狀灰?guī)r，塊狀構(gòu)造，局部含燧石結(jié)核，夾生物碎屑灰?guī)r，一般厚357 m。該層是本區(qū)富水性強的含水層，是供水的良好水源。由于距上部可采煤層遠(187 m以上)，其間為宣威組和峨嵋山組相隔，正常情況下，巖溶水對礦井充水無影響。

3 突水經(jīng)過及原因

3.1 工作面概況

該工作面西接+642 m運輸石門，下方為+586 m東底抽巷，東至井田邊界。地面標高+1010～+1080 m，井下標高+642 m。施工區(qū)域位于三轉(zhuǎn)包背斜核部及官田灣向斜北西翼，受兩構(gòu)造影響，走向160°～180°，傾角8°～12°，區(qū)域上覆地層為第四系堆積層及飛仙關(guān)組，飛仙關(guān)組導水性好，受地表裂隙水影響，預計最大涌水量約25 m3/h。施工巷道為半煤巷，沿2號煤掘進，煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r、泥質(zhì)砂巖及砂巖，硬度普氏系數(shù)4～6。該工作面沒有詳細的地質(zhì)資料，只能邊掘邊探，掘進至384 m時出現(xiàn)一大斷層，初步判斷所遇斷層為 fc2逆斷層，斷層落差達15 m。

3.2 突水經(jīng)過

1122運輸巷自里程384 m處遇到逆斷層后，立即開始組織探煤工作，完成探煤工作后設計以斜向下10°施工95.596 m見2號煤，再斜向下施工28 m后遇到探鉆孔涌水量突然增大，涌水量維持在60.0 m3/h左右，水壓極大，達到2.5MPa，而且沒有減小的跡象，導致無法正常掘進，給生產(chǎn)帶來安全隱患。

3.3 突水水源及導水通道

突水發(fā)生后，通過對工作面上方的水源觀測發(fā)現(xiàn)水位點基本無變化，排除了地面補給水源的可能性。結(jié)合施工過程中均沒有出現(xiàn)大量的涌水，僅在實施探煤鉆之后才出現(xiàn)突水，并結(jié)合地質(zhì)資料，分析證明斷層上方有1個含水層，由于斷層影響含水層向下滑落，再加之斷層附近圍巖極為破碎，形成了一定的水源通道，致使含水層的水通過這些破碎帶產(chǎn)生的裂隙流入工作面，因此，故盡管涌水量很小，但是水壓卻很大。

3.4 導水通道分析

根據(jù)現(xiàn)場判斷出該工作面受斷層的影響，由工作面出水為頂板水，分析其導水通道為斷層破碎帶產(chǎn)生的裂隙所致。在綜掘過程中，煤層頂板會出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的下沉，再加之斷層的影響，就會造成頂板破碎形成裂隙，隨著頂板壓力的釋放，裂隙向上逐漸延伸導致第三、四系砂礫石孔含水層或基巖風化帶水通過裂隙流入工作面，形成頂板水。同時從涌水量逐漸增加的過程也可以看出，當施工至360 m未完全揭露斷層時，僅僅出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。然而隨著越來越靠近斷層，尤其是在揭露斷層后往下施工過程中，頂板突然間出現(xiàn)大量的突水，也符合斷層破碎帶裂隙不斷增加的變化規(guī)律，即剛剛接觸斷層時，破碎帶范圍很小，隨著施工的進行，范圍逐漸增加，裂隙也越來越多，繼而造成中間破碎帶形成裂隙成為導水通道。

4 堵水方案與實施

4.1 注漿堵水方案設計

根據(jù)1122機巷現(xiàn)場頂板突水的情況，結(jié)合突水水源以及突水通道決定不再另外施工堵水鉆孔，而在原來施工的地質(zhì)鉆孔處進行注漿堵水，采用安裝安全套管直接注水泥—水玻璃雙液漿的方法封堵涌水。

4.1.1 注漿壓力

根據(jù)圍巖情況、裂隙發(fā)育情況、漿液的擴散情況，注漿終壓暫定為10 MPa，雙液水泥漿控制在20～30 L/min，注漿段水泥注入量為2～4 t/m。

4.1.2 注漿材料選擇

1)水泥。選用P0.42.5普通硅酸鹽水泥。

2)水玻璃。選用模數(shù) M=2.8～3.1，濃度45Be’左右以純堿為原料生產(chǎn)的液體水玻璃。

3)單液水泥漿添加劑。選用三乙醇胺(工業(yè)級)，工業(yè)食鹽。

4)粉煤灰。選用商品袋裝粉煤灰。

4.1.3 雙液漿的配比

漿液的配制在井下進行，根據(jù)鉆孔壓水試驗的結(jié)果，配制所需的水泥漿液。先配置單液漿，且單液水泥漿濃度是先稀后濃，當一個級別的單液水泥漿在注入30 min后，壓力不升，要調(diào)濃一級漿液。

如果單液水泥漿水灰比調(diào)到0.8∶1，注入30 min后，仍不見升壓，可改注水泥—水玻璃雙液漿或注稠化單液漿，即1∶1水泥漿中，加入3% ～5%水玻璃，使?jié){液稠化，初凝時間縮短。

單液水泥漿中，可以加入部分商品粉煤灰來代替部分水泥，一般可以加入水泥重量的20% ～30%，最多可以加入50%，單液漿的配比情況見表1。

表1 單液水泥漿液配比表

4.1.4 鉆注設備

1)鉆機。鉆機選擇190S型沖擊式鉆機。

2)注漿泵。選用2TGZ－60/210型雙液調(diào)速注漿泵1臺。

3)攪拌機。選用200 L防爆型水泥漿攪拌機1臺。

4)閥門。為防止鉆孔突然出大水，4英寸中壓閥門2個，1英寸球閥30個。

5)混合器。用注漿泵的生產(chǎn)廠家?guī)淼幕旌掀?，具體鉆注施工材料消耗匯總表見表2。

表2 鉆注施工材料消耗匯總表

4.2 注漿堵水

注漿孔選擇用原先施工好的地質(zhì)孔，孔徑為d94 mm，埋設d90 mm×4 mm的導管，長度2 m，孔口管外壁抹水泥漿固定在孔內(nèi)，固定好后，外部噴漿進行二次加固。一端焊有高壓法蘭(該法蘭和孔口大閥門配做)，插入d94 mm的鉆孔中，外留200 mm，接好注漿系統(tǒng)，注水泥—水玻璃雙液漿固管?？卓诠艿姆轿灰蟀丛O計用羅盤定位，誤差不得超過±30分。

雙液固定孔口管后，干4～6 h后，可以使用。鉆機就位固定之后，接好壓縮空氣管路，開始試運轉(zhuǎn)。注漿泵、攪拌機就位后，接水電，準備開始工作。

注漿裝置是用d1英寸的水暖管連接而成，見圖1。

圖1 注漿裝置示意圖

在整個過程中，注漿裝置安裝在孔口管法蘭盤對接法蘭的1英寸球閥上。另一端連接注漿泵或混合器出來的高壓膠管。關(guān)閉泄?jié){閥，打開進漿閥，進行壓水試驗。注漿結(jié)束之后，關(guān)閉進漿閥門，打開泄?jié){閥門，壓清水清洗泵和管路，直到?jīng)_洗干凈。

全面檢查注漿原始記錄，對本次注漿過程中出現(xiàn)的鉆孔深度、鉆孔涌水量、注漿壓力、流量、總的注入量等基本數(shù)據(jù)正確與否進行檢查。分析是否隨注漿進程、鉆孔涌水量、注入量等參數(shù)逐漸減少。若總的趨勢減少，可以認為鉆注施工正常。

檢查鉆注過程中出現(xiàn)諸如卡鉆、塌孔、埋鉆、斷鉆桿、丟鉆頭、大量跑漿等情況是否已做妥善處理，是否達到結(jié)束注漿的要求。如果未達到，要補加措施，使所有注漿孔的注漿質(zhì)量達到結(jié)束標準。

5 注漿效果分析

在注漿堵水前，頂板出水量達80 m3/h，隨著3個探煤鉆孔如雙液漿的進展，頂板出水量日趨減小。注漿1周后，經(jīng)現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)1122工作面機巷頂板出水量基本消失，至向下施工近100 m后也未發(fā)現(xiàn)突水量增加的跡象，且涌水量也急劇減小到5 m3/h。工程實踐表明，本次頂板注漿堵水工程達到預期目的。

6 結(jié)論

1)本次注漿堵水能夠堵住1122工作面機巷的高壓力斷層破碎帶裂隙水，關(guān)鍵在于對突水點位置判斷準確，注漿堵水設計切合現(xiàn)場實際，現(xiàn)場注漿工藝合理，施工措施妥當。

2)本次機巷頂板注漿堵水成功，為1122工作面機巷的綜掘快速掘進提供了保障，節(jié)約抽水費用200余萬元，也為今后遇到類似的斷層或者其他構(gòu)造帶的突水提供了理論依據(jù)及現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。

3)對于新建礦井來說，地質(zhì)資料不很完整，必須要高度重視地質(zhì)構(gòu)造給現(xiàn)場施工帶來的影響與隱患，尤其是在富含水的構(gòu)造破碎帶中施工，必須加強水源的防治，提高水災的預警能力。

［1］盧全生.煤層頂板注漿堵水技術(shù)實踐［J］.煤礦安全，2009(6):40－43.

［2］陳 軻，王增光.地面注漿堵水技術(shù)在礦山建設中的應用［J］.中國礦山工程，2009，38(1):36－37.