巷道過斷層注漿加固堵水技術(shù)實(shí)踐

趙斌

（山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西介休 032000）

巷道過斷層注漿加固堵水技術(shù)實(shí)踐

趙斌

（山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西介休 032000）

某礦南回風(fēng)大巷沿9號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，9號(hào)煤層屬于帶壓開采煤層，該巷道在施工過程中將遇到F3導(dǎo)水?dāng)鄬樱摂鄬佑锌赡軠贤ㄏ锏老虏繆W灰水。針對(duì)此問題，采用工作面預(yù)注漿法對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行堵水加固。注漿時(shí)在單液水泥漿中加入一定量速凝早強(qiáng)劑，改善漿液性能，工作面通過預(yù)注漿安全順利通過了斷層。

帶壓開采；導(dǎo)水?dāng)鄬?；預(yù)注漿；奧灰水

斷層帶是斷層運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力集中部位，由此斷層帶形成了不同于其他部位的特殊地質(zhì)形態(tài)，其中發(fā)育著一系列密集的破裂面、或者雜亂堆積著由斷層運(yùn)動(dòng)形成的巖石碎塊、碎屑及后來充填的斷層泥等物，再加上張節(jié)理、剪節(jié)理等伴生構(gòu)造，工程地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜[1]。

帶壓開采的礦井，斷層是溝通奧灰水的重要通道，也是煤礦在回采掘進(jìn)過程中引發(fā)水害的重大隱患，奧陶系灰?guī)r含水層水頭高，壓力大，容易通過斷層破碎帶形成突水，一旦突水，后果不堪設(shè)想。井下主要大巷在掘進(jìn)過程中遇到此類導(dǎo)水?dāng)鄬佣譄o法繞行的情況下，一般采用工作面預(yù)注漿法提前對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行封堵和加固，從而保障礦井的安全生產(chǎn)建設(shè)。

1 工程及地質(zhì)概況

山西某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9 Mt/a，為基建礦井，該礦南回風(fēng)大巷沿9號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，坡度19°，為半煤巖巷，煤厚1.5 m，頂板為堅(jiān)硬石灰?guī)r，底板為中粒砂巖，巷道斷面為矩形，凈寬5 m，凈高3 m，采用錨噴支護(hù)。

在該礦井田內(nèi)有一層主要含水層，為奧陶系灰?guī)r含水層，靜水位標(biāo)高+915 m，井田內(nèi)9號(hào)煤層底板標(biāo)高均低于奧灰水位標(biāo)高，屬于帶壓開采。9號(hào)煤層至奧灰隔水層厚度為47.22～75.72 m。由于隔水層厚度有限，一旦出現(xiàn)導(dǎo)水?dāng)鄬樱瑠W灰突水的機(jī)率就大大增加，會(huì)嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。根據(jù)該礦地質(zhì)資料分析，在井田內(nèi)分布有6條斷層。其中F3正斷層位于井田中南部，在地表有出露，是井田內(nèi)落差最大的斷層，二維地震及鉆探工程勘探資料顯示，該斷層走向NE，傾向NW，落差60～100 m，傾角75°，在井田內(nèi)延伸約2 250 m。根據(jù)礦井初步設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到資源合理開采，南回風(fēng)大巷必須穿過此斷層。公司邀請(qǐng)各方地質(zhì)專家進(jìn)行了資料分析，現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，一致認(rèn)為F3正斷層將會(huì)給礦井生產(chǎn)建設(shè)帶來極大的麻煩。

南回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過程中一直堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，在巷道掘進(jìn)至620 m時(shí)，施工一探水孔，鉆至40 m時(shí)，鉆孔出現(xiàn)涌水，水量達(dá)30 m3/h，水壓3 MPa，后經(jīng)過水質(zhì)化驗(yàn)分析，該水樣中含有奧灰水，經(jīng)過防治水專家和公司技術(shù)人員共同論證，該巷道已經(jīng)接近斷層，決定采用工作面預(yù)注漿方法來穿過該導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

2 注漿方案

根據(jù)目前掌握的地質(zhì)及水文資料以及現(xiàn)場(chǎng)所觀測(cè)的情況，采用工作面預(yù)注漿方法，對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行注漿堵水加固，同時(shí)考慮到巷道服務(wù)年限等，具體方案如下：一是斷層破碎帶圍巖壓力大，而矩形斷面承載力不如半圓拱形巷道，因此巷道斷面形狀在此段變更為半圓拱形，采用混凝土砌碹支護(hù)，混凝土碹壁后注漿充填密實(shí)；二是除第一段注漿孔是在矩形斷面內(nèi)布置，其余注漿分段注漿孔均在半圓拱形斷面內(nèi)布置。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿方式及段長(zhǎng)

南回風(fēng)大巷工作面預(yù)注漿采用分段法，段長(zhǎng)定為45 m，該段注漿完工后，掘進(jìn)35 m，再次澆筑止?jié){墻布管進(jìn)行下一分段注漿施工。每一分段內(nèi)采用分段前進(jìn)“齊頭并進(jìn)”式注漿，段高為5 m，或是鉆孔涌水量大于3 m3/h時(shí)，停鉆注漿，反復(fù)掃孔，反復(fù)注漿，根據(jù)第一段注漿摸索的經(jīng)驗(yàn)，再進(jìn)行注漿段高的調(diào)整。

3.2 注漿孔布置

注漿孔均勻布置在巷道凈斷面內(nèi)，所有注漿孔都是帶有3°～5°徑向角的輻射孔，這樣布孔有助于揭露更多的巖層裂隙，并保證漿液有一定的擴(kuò)散范圍，矩形斷面注漿鉆孔布置和半圓拱形斷面注漿鉆孔布置見圖1和圖2。

3.3 注漿參數(shù)

擴(kuò)散半徑:為保證注漿帷幕強(qiáng)度，本次注漿有效擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)為10 m，由于本工程屬破碎帶注漿，其裂隙大小，發(fā)育程度等在不同層段、不同方向上差別很大，因此在不同層段、不同方向上擴(kuò)散距離是不同的，在實(shí)際工作中采用不同漿液進(jìn)行調(diào)節(jié)。

注漿壓力:注漿壓力是指注漿時(shí)克服漿液流動(dòng)阻力并使?jié){液擴(kuò)散一定范圍所需的壓力[2]。注漿壓力大，漿液擴(kuò)散遠(yuǎn)，耗漿量大，會(huì)造成浪費(fèi)，注漿壓力小，漿液擴(kuò)散近，耗漿量小，有封堵不嚴(yán)的可能。注漿堵水加固斷層破碎帶壓力一般為靜水壓力2.0～2.5倍，巷道穿過斷層破碎帶處奧灰水壓力為3.5～4.0 MPa，因此本次注漿設(shè)計(jì)終壓為10 MPa。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):為保證注漿堵水和加固質(zhì)量，每段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為，注漿壓力P≥10 MPa，漿液濃度(水灰比)不小于1∶1，注漿終量Q≤30 L/min，穩(wěn)定時(shí)間大于20 min。

3.4 注漿材料

注漿材料選用單液水泥漿和水泥-水玻璃雙液漿兩種漿液。

單液水泥漿水灰比0.8∶1～2∶1，水泥選用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，并加入水泥質(zhì)量0.5%的氯化鈉和0.05%三乙醇胺，縮短水泥初、終凝時(shí)間，提高漿液早期強(qiáng)度。

水泥-水玻璃雙液漿：水泥漿水灰比1∶1，水玻璃模數(shù)2.8～3.1，濃度為30°Be'～35°Be'，C∶S=1∶（0.5～1）。

3.5 注漿設(shè)備

MQKJ90/25型潛孔鉆機(jī)2臺(tái)，2TGZ-90/140型雙液調(diào)速注漿泵2臺(tái)，LJ-200立式攪拌機(jī)2臺(tái)，YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)1臺(tái)。

4 注漿施工

4.1 止?jié){墻施工

止?jié){墻采用混凝土澆筑，厚度2m，施工前，將底板掏槽200 mm，兩幫掏槽500 mm，沿頂?shù)装搴蛢蓭痛騼膳佩^桿，采用全錨錨固方式，錨桿規(guī)格20 mmx2 000 mm，間排距1 000 mmx1 000 mm，并用20mm鋼筋將錨桿縱橫連接，澆筑止?jié){墻過程中，預(yù)埋1mmx2 200 mm的鋼管，用于注漿加固止?jié){墻。

4.2 孔口管固管注漿。

4.3 鉆孔注漿

按設(shè)計(jì)注漿段高鉆注注漿孔，注漿孔鉆孔到設(shè)計(jì)深度后，連接注漿系統(tǒng)，對(duì)出水量小的鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，出水量大的鉆孔不進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水或出水情況確定漿液起始濃度，如表1所示。

本次注漿以單液水泥漿為主，單液漿濃度原則上是先稀后濃。當(dāng)鉆孔涌水量小于5 m3/h或者鉆孔進(jìn)入斷層破碎帶、夾泥帶，單液水泥漿起始水灰比為2∶1，注漿30 min后壓力無變化，調(diào)高漿液水灰比為1.5∶1，如果再注30 min仍沒變化，漿液水灰比調(diào)整為1∶1，直至注漿結(jié)束。如果鉆孔涌水量大于10 m3/h，單液水泥漿起始水灰比為1∶1，注漿30 min后壓力無變化，采用間歇注漿，反復(fù)3～5次，如壓力仍無變化，注水泥水玻璃雙液漿，直到達(dá)到設(shè)計(jì)終壓。

注漿孔施工順序：首先從止?jié){墻底部開始，然后兩幫，再到頂部，最后中間。為避免串漿，采用間隔一個(gè)孔的順序施工。

注漿程序:鉆孔→壓水試驗(yàn)→配漿→注漿→調(diào)整注漿參數(shù)→注漿結(jié)束→沖洗管路及設(shè)備→掃孔→復(fù)注或下一段鉆進(jìn)。

4.4 注漿效果檢驗(yàn)

利用每一注漿分段最后注漿的1～2個(gè)鉆孔，在未注漿前的鉆孔涌水量，計(jì)算折合成工作面涌水量不超過3 m3/h，經(jīng)過最后一段注漿后，巷道可以掘進(jìn)。

5 注漿效果

本次南回風(fēng)大巷過斷層破碎帶從開始注漿到順利通過共歷時(shí)5個(gè)月，注漿3段，共消耗水泥1 000 t，水玻璃200 t。斷層破碎帶經(jīng)過注漿加固堵水后，破碎帶碎石、泥沙完全被漿液膠結(jié)成一個(gè)整體，大幅度提高了圍巖穩(wěn)定性和承載能力，掘進(jìn)過程中工作面涌水量最大不超過3 m3/h，保證了巷道的安全順利施工。

6 結(jié)束語

實(shí)踐證明，合理注漿方案的確定將會(huì)給施工過程帶來極大便利，單液水泥漿加早強(qiáng)劑取得不錯(cuò)的效果。該礦南回風(fēng)大巷利用工作面預(yù)注漿加固堵水技術(shù)成功通過了導(dǎo)水?dāng)鄬?，防止了水害事故的發(fā)生，同時(shí)克服了以往斷層破碎帶支護(hù)困難、巷道圍巖變形嚴(yán)重等不利因素，消除了諸多安全隱患，對(duì)礦井今后水害防治具有積極的借鑒意義。

[1]胡濱.斷層破碎帶的注漿技術(shù)[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19（2）：77-79.

[2]張永成，董書寧，蘇堅(jiān)深，等.注漿技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2012.

Reinforcement and Water Sealing Technology with Grouping When Roadway Passing Fault

ZHAO Bin
(Yitang Coal Co.,Ltd.,Jiexiu 032000,China)

In the roof driving along the southern return airway in No.9 coal seam of a mine,as a seam mining above aquifer,the roadway will meet F3 hydraulic conductivity fault in the construction. Additionally,the fault may connect the Ordovician limestone water under the roadway.To solve the problem,the pre-grouting method was used in reinforcement and water sealing for fault broken zone.In the grouting,a certain amount of rapid solidification early strength agent was put into single liquid slurry to improve the slurry property.By the pre-grouting,the working face passed the fault safely and smoothly.

mining above aquifer;hydraulic conductivity fault;pre-grouting;Ordovician limestone water

TD743

A

1672-5050（2015）02-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.023

（編輯：武曉平）

2015-02-07

趙斌（1985-），男，山西介休人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦水害防治相關(guān)技術(shù)方面研究工作。