礦井巷道突水封堵技術的研究與應用

胡文武 ,王緒勝

（山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司 ，山東 兗州 272100）

宏陽煤礦東翼運輸大巷底板出水后，研究分析出水區(qū)域水文地質(zhì)情況、判斷出水水源，并有針對性的制定堵水方案，按出水水壓、巷道的高度、寬度等參數(shù)設計科學合理的擋水墻，并提出擋水墻的施工要點，擋水墻凝固后通過注水泥漿、水泥－水玻璃雙液漿進一步加固擋墻、封堵導水裂隙，使擋水墻及周邊圍巖不漏水，然后通過預埋在擋水墻上的注漿管注水泥漿，最終封堵了大巷突水。

1 大巷突水情況

圖1 東翼運輸大巷平、剖面圖

2014年11月23日宏陽煤礦東翼運輸大巷迎頭后約2m～10m巷道底板裂隙突然出水，水量約700 m3/h。加之礦井其它地點出水，礦井總出水量達到1400m3/h，中央水倉排水能力基本達到極限，大巷出現(xiàn)積水，井下各迎頭立即停止施工，經(jīng)半月觀測出水量基本穩(wěn)定。

2 突水區(qū)地質(zhì)情況

運輸大巷迎頭揭露巖石主要為泥巖、粉砂巖，在距巷道底板2.6m處揭露15中煤，巖層總體為后傾6°左右，巷道平、剖面圖如圖1所示，出水點附近沒有揭露斷層。

運輸大巷迎頭底板距十下灰?guī)r較近（最近為約13m）。礦區(qū)十下灰厚度0.80m～6.38m，平均5.12m，巖溶裂隙比較發(fā)育，多被方解石充填，十下灰為16煤層的直接頂板，是采下組煤的直接充水含水層。據(jù)本區(qū)抽水試驗資料，單位涌水量0.01958 L/s?m～0.6328L/s·m，屬于中等富水性。運輸大巷出水位置北偏東76.8m處有1個B5-2鉆孔，鉆孔顯示十下灰分為1.64m和4.4m兩層，中間被13.45m巖漿巖侵入。

3 突水水源分析

對巷道突水水源研究分析如下：

1）由出水點巷道距十下灰?guī)r最近為13m左右，由原鉆探資料分析十下灰水水壓為4.5 Mpa。經(jīng)計算運輸大巷迎頭附近的突水系數(shù)超規(guī)定，十下灰突水危險性較大。

2）東翼運輸大巷出水后取水樣化驗了2次，從水樣各項指標分析判斷出水水源為十下灰水。

3）對地面的T8號奧灰水文孔進行了觀測，T8水文孔連續(xù)觀測6次，水位僅下降了0.03m，從水位變化來分析十下灰水可能與奧灰水有間接水力聯(lián)系。

由上述資料分析，運輸大巷為十下灰含水層出水，水量豐富。十下灰含水層可能與奧灰水有間接水力聯(lián)系。

4 堵水初步方案

運輸大巷出水點附近巷道底板破壞出現(xiàn)較大裂縫，直接打鉆注漿達不到注漿堵水的效果，對照實測剖面圖分析迎頭后約24m處為粉砂巖,巖石較完整、強度較大，決定在該處施工擋水墻，對擋水墻及周邊圍巖注漿封堵導水裂隙，并經(jīng)過憋水試驗擋水墻合格后，向擋水墻內(nèi)注水泥漿封堵出水及導水裂隙，具體方案如下。

4.1 擋水墻的設計及施工

4.1.1 擋水墻的初步設計

由于平面型擋水墻結構簡單，施工方便，此處選用平面型混凝土擋水墻，砼等級C40。擋水墻厚度按《注漿技術》[1]中公式確定：

式中：B為混凝土擋水墻厚度，2.5m；K0為安全系數(shù)，取 1.4－1.5；ω 為作用在墻上的全荷重，kg；ω=PF；

F為混凝土止?jié){墻面積，取掘進巷道荒斷面16.6m2；P為注漿終壓，取2倍靜水壓力9MPa；b為巷道寬度，4.6m；h為巷道高度，4.0m；[σ] 為混凝土允許抗壓強度，40MPa。

依據(jù)上式擋水墻厚度：B=1.5×(9×16.6×4.6/(2×4.0×40))1/2=2.2(m)。

擋水墻設計厚度為2.5m。為增加擋水墻穩(wěn)定性，底部加寬至5.5m，擋水墻底部高1.1m，擋水墻兩端使用紅磚筑模，兩墻厚度均為0.5m。擋水墻四周開槽深0.8m，內(nèi)綁扎有兩層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與周邊錨桿連接，擋水墻全部澆筑C40混凝土。擋墻內(nèi)埋管共6根，其中導水管2根（直徑分別為377mm、325mm），注漿管3根（直徑為60mm），觀測管1根（直徑為89mm）。

4.1.2 擋水墻的施工要點

為方便擋水墻施工，在擋水墻內(nèi)側巷道內(nèi)用黃泥袋打設一道約2m的圍堰，將2根導水管安設在圍堰下部，讓出水從導水管中流出，擋水墻施工位置不再有流水或積水，有利于施工環(huán)境改善和施工質(zhì)量的提高。擋水墻基本按設計施工，底部開槽深度加至1m，施工圖詳見圖2所示。

圖2 擋水墻施工平、剖面圖

4.2 擋水墻及周邊注漿加固設計及施工

4.2.1 擋水墻及周邊注漿加固設計情況

1）擋水墻凝固120小時后進行注漿加固擋墻，先對擋墻上部及下部打眼注漿封堵裂隙，眼間距0.5～1m左右（可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整）。

2）施工工藝：風錘或錨桿鉆機造孔（孔徑Φ42mm或Φ32mm，孔深1m）→安裝孔口管→安設高壓閥門→關閉閥門并連接好注漿設施→打開閥門→開啟注漿泵注雙液漿→關閉閥門→換孔。

3）注漿參數(shù):注漿壓力不大于3MPa，可根據(jù)現(xiàn)場情況確定；根據(jù)實際情況調(diào)整雙液漿濃度。當單孔單次注漿量大于20m3，采用間歇式注漿方式終孔。水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥。水玻璃選用液體硅酸鈉型、濃度為35～45濃美度。

4）擋水墻質(zhì)量檢驗：擋水墻達到設計抗壓強度后再從下至上次依次關閉閥門檢驗擋水墻是否漏水，安裝的閥門及接頭處是否漏水，如若擋墻漏水較嚴重時先疏放擋水墻內(nèi)高壓水，再繼續(xù)注漿封堵裂隙，更換漏水的閥門。

5）擋水墻合格標準：關閉所有閥門待壓力表顯示壓力不再增加，30分鐘左右后擋水墻沒有漏水點，安裝的閥門及接頭處不漏水時，視為擋墻加固合格，準備進行擋墻內(nèi)注漿。

4.2.2 擋水墻及周邊注漿施工情況

注漿孔總計57個，鉆孔總長度158m，使用套管總長91m，注漿用水泥12.9t。其中：第一次注漿加固，打注漿孔40個，孔深2～2.5m，下套管1m，注漿用水泥8.8t；第二次注漿加固，共施工17個鉆孔，孔深3.5m～5m，均下3m套管，用水泥4.1t。

4.3 擋水墻內(nèi)注漿設計及施工情況

4.3.1 擋水墻內(nèi)首次注漿設計情況

1）注漿施工準備工作。注漿地點附近安裝電話，現(xiàn)場要有備用閥門、墊子、高壓管、高壓閥門等，注漿設備、材料準備到位，有備用注漿設備，注漿材料能隨時補充，保證連續(xù)注漿。

2）漿液材料采用單液水泥漿，封孔時可用水泥一水玻璃雙液漿。水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為2：1～0.6:1。水玻璃選用液體硅酸鈉型、濃度為35～45濃美度。水泥-水玻璃雙液漿配比：1:0.3；1:0.4（體積比）。

3）利用埋管對墻體內(nèi)進行注漿，直接注濃水泥漿，根據(jù)實際注漿情況調(diào)整注漿濃度。

4）注漿順序為從下至上，先注迎頭附近插入底板出水點的1號注漿孔，其次注迎頭附近中部2號注漿孔，再次注迎頭附近上部的3號注漿孔。最后注擋水墻最上部4號觀測孔，為加快注漿速度，減輕擋水墻壓力，注漿時其它導水管、注漿管可放水，當出現(xiàn)跑漿時再關閉閥門。

5）注漿時終壓初步定為7.5MPa。

6）注漿量預計為450t，計算如下：

注漿空間=巷道長×斷面=29×16=464m3；填空間使用水泥=464×756=350t；考濾水泥充填裂隙取1.3系數(shù)，預計注漿水泥量=350×1.3=450t。

4.3.2 擋水墻內(nèi)注漿施工情況

東翼運輸大巷首先將導水管閥門關閉，打開注漿孔放出內(nèi)部空氣，待注漿孔出水后關閉。關閉后錨索和頂板有少量滲水，憋壓試驗檢驗擋水墻合格。現(xiàn)場具備注漿條件，開始對東翼運輸大巷擋水墻內(nèi)注漿，擋水墻內(nèi)水壓3MPa，注漿壓力3.7-3.8MPa，連續(xù)注漿共用水泥328.55t左右。因相臨的軌道大巷出水量增加而停止注漿，水量穩(wěn)定后進行第二次注漿，注漿用水泥93.5t，擋水墻內(nèi)共注漿使用水泥422.05噸，注漿終壓調(diào)整至10MPa，注漿總量基本與設計注漿量一致。

5 堵水技術要點分析

1）擋水墻要避免在斷層帶附近、圍巖裂隙發(fā)育帶、巷道密集區(qū)域等位置施工，如與其它巷道出水可能連通時，擋水墻設計要統(tǒng)一考慮。

2）擋水墻附近巷道的防水巖柱較小時，可提前注漿加固巖柱，同時采用加打錨索、支設支柱等方式適當加強巷道支護，防止擋水墻憋水試驗或注漿期間壓壞巷道。

3）擋水墻正上方溝槽內(nèi)不易澆筑，澆筑不實時易出水，從而影響擋水墻施工質(zhì)量，可采用預埋注漿管或打設注漿孔重點注漿加以解決。

4）關閉閥門檢驗擋水墻質(zhì)量時要從下至上次依次關閉閥門，上部未關閉閥門可排出擋水墻內(nèi)空氣，不可同時關閉所有閥門。

5）關閉閥門檢驗擋水墻質(zhì)量時導水管出口正后方嚴禁有人或設備，確保導水管閥門完好，上方支護有效。擋水墻周邊出現(xiàn)巷道變形或出水時要立即打開閥門將擋水墻內(nèi)高壓水放出。

6）擋水墻施工地點要采用提前打圍堰的方法改善施工環(huán)境，避免施工位置有流水或積水，從而影響施工質(zhì)量。

7）擋水墻內(nèi)注漿時要連續(xù)，否則可能出現(xiàn)堵塞注漿管情況。終壓根據(jù)出水點水壓綜合確定，一般為水壓的2倍。

8）擋水墻澆筑混凝土時要搗實、充分震動，且連續(xù)澆筑，如中斷在接縫處可能漏水，影響施工質(zhì)量。擋水墻澆筑混凝土后按規(guī)定要養(yǎng)護好，確保混凝土強度。

6 主要結論

通過運用擋水墻注漿堵水技術成功的封堵了宏陽煤礦東翼運輸大巷迎頭后水壓4.5MPa、水量700 m3/h的底板裂隙出水，每月節(jié)約排水費用約90萬元，同時解除了大巷出水對礦井安全的威脅，恢復了礦井的生產(chǎn)建設，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。

實踐證明擋水墻注漿堵水技術可廣泛用于礦井巷道高水壓、大水量突水的處理和封堵，對礦井突水的處理和控制具有重要的借鑒意義。