強(qiáng)富水弱膠結(jié)含水層下巷道掘進(jìn)防治水技術(shù)

趙寶峰，馬蓮凈，王清虎，曹海東，李盼盼

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；4.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司麥垛山煤礦，寧夏 銀川 750011)

我國(guó)煤炭資源豐富，其中西部侏羅紀(jì)煤炭資源儲(chǔ)量約占60%，包括5個(gè)億噸級(jí)煤炭基地和55個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)礦井，已成為我國(guó)能源供給的重要保障。侏羅紀(jì)煤田普遍賦存侏羅系、白堊系及第四系等煤層頂板含水層，隨著對(duì)侏羅紀(jì)煤炭資源的進(jìn)一步開發(fā)，頂板水害也呈現(xiàn)出日趨頻發(fā)的趨勢(shì)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，掘進(jìn)巷道是發(fā)生水害事故的主要地點(diǎn)，約占較大水害事故的80%左右[2]，特別是在頂板存在厚度大、富水性強(qiáng)、膠結(jié)較差的含水層時(shí)，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)面對(duì)頂板水害和頂板支護(hù)兩大難題。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》要求，礦井受水害威脅的區(qū)域在進(jìn)行巷道掘進(jìn)前，應(yīng)當(dāng)采用物探、化探和鉆探等方法查清水文地質(zhì)條件，并采取相應(yīng)的探放水措施。國(guó)外針對(duì)富水軟巖條件下巷道掘進(jìn)防治水的研究主要圍繞水與巖石相互作用的理論方面和室內(nèi)試驗(yàn)，如T.Heggheim等研究了海水、乙醇及不同濃度的鹽水對(duì)灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為水中的離子會(huì)使灰?guī)r的礦物成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[3]；S.W.J.Den等利用對(duì)高溫和含水條件下的砂巖進(jìn)行不同加載速率研究砂巖中微裂隙的變化，認(rèn)為溫度對(duì)砂巖的裂隙發(fā)育具有顯著影響[4]；J.Hadizadeh等利用對(duì)砂巖在不同圍壓及應(yīng)變速率環(huán)境下的巖石強(qiáng)度測(cè)定來(lái)研究水對(duì)砂巖的軟化作用，提出砂巖的形態(tài)、膠結(jié)物成分及孔隙對(duì)水均具有影響作用[5]。國(guó)內(nèi)針對(duì)富水軟巖條件下的巷道掘進(jìn)防治水主要采用常規(guī)鉆孔超前探放水，可以有效探明掘進(jìn)前方的構(gòu)造、老空區(qū)和富水異常區(qū)等，但是對(duì)于巷道上方存在強(qiáng)富水弱膠結(jié)含水層，并且巷道直接頂板隔水層較薄的情況下，單一手段無(wú)法解決探放水與巷道支護(hù)的問(wèn)題。長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)在奧灰水防治[6，7]、探查地質(zhì)異常體[8]、老空水探放[9]、斷層注漿[10]等方面應(yīng)用較多，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。底板含水層注漿改造是東部礦區(qū)受奧灰水威脅礦井常用的水害防治方法[11]，注漿錨固技術(shù)普遍應(yīng)用于大硐室開掘[12]、松軟煤巷支護(hù)[13]、巷道底臌治理[14]和沿空留巷[15]中，而U型鋼棚在軟巖巷道支護(hù)和修復(fù)中效果顯著[16]。針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件下的巷道掘進(jìn)防治水與支護(hù)難題，采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)對(duì)頂板含水層進(jìn)行條件探查與疏放，再利用鉆孔和錨桿注漿對(duì)頂板含水層中的裂隙進(jìn)行充填、改造，封堵巷道的充水通道，最后利用U型鋼棚對(duì)頂板局部破碎的區(qū)域進(jìn)行加固，最終實(shí)現(xiàn)巷道的安全掘進(jìn)。

1 礦井及工作面水文地質(zhì)條件

1.1 礦井及水文地質(zhì)條件

寧東煤田是我國(guó)批準(zhǔn)建設(shè)的14個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地之一，包括鴛鴦湖、馬家灘、靈武等礦區(qū)，麥垛山煤礦位于鴛鴦湖礦區(qū)南部，設(shè)計(jì)產(chǎn)量8.00Mt/a，是神寧集團(tuán)下屬的主力生產(chǎn)礦井。井田先期開采煤層為侏羅系延安組2煤和6煤，目前，2煤的大巷已經(jīng)掘進(jìn)完畢。

2煤的主要充水水源包括上覆直羅組下段含水層(簡(jiǎn)稱Ⅱ含水層)和1—2煤間延安組含水層(簡(jiǎn)稱Ⅲ含水層)，Ⅱ、Ⅲ含水層巖性主要為灰綠、藍(lán)灰、灰褐色的中、粗粒砂巖，夾少量粉砂巖和泥巖，局部含礫，砂巖的成熟度較低，分選性差，接觸式膠結(jié)為主。砂巖底部含石英小礫石，泥質(zhì)膠結(jié)、顆粒支撐，膠結(jié)程度較差，松散—較松散，錘擊易碎。

根據(jù)地質(zhì)勘探及水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探資料，Ⅱ、Ⅲ含水層不僅富水性較強(qiáng)，并且膠結(jié)性較差，2煤巷道在掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)面臨著頂板含水層和支護(hù)的難題。2煤大巷在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)5次規(guī)模不等的集中涌水現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料分析，主要是由于巷道距離頂板含水層較近，頂板弱膠結(jié)巖層在裂隙、錨桿和錨索的作用下遇水松散，造成水砂潰涌，嚴(yán)重影響了2煤采掘活動(dòng)的安全和礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)。

1.2 工作面及水文地質(zhì)條件

110207工作面作為2煤的首采工作面，煤層平均厚度為3.75m，頂板Ⅱ、Ⅲ含水層厚度分別為71.72m和12.83m，是影響和威脅2煤采掘活動(dòng)的主要含水層，根據(jù)在2煤大巷開展的放水試驗(yàn)成果，Ⅱ、Ⅲ含水層滲透性和富水性較強(qiáng)，Ⅱ、Ⅲ含水層水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 Ⅱ、Ⅲ含水層水文地質(zhì)參數(shù)一覽表

110207工作面頂板煤巖層對(duì)比如圖1所示，從圖1中可以看出110207工作面巷道距離Ⅱ含水層16.32～35.06m，巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的圍巖松動(dòng)圈和錨桿、錨索均影響不到Ⅱ含水層，因此，掘進(jìn)期間面臨的主要水害威脅來(lái)自Ⅲ含水層。工作面切眼附近(1802和1902鉆孔)及中部(1602和1702鉆孔)2煤頂板直接隔水層較薄(0.50～10.60m)，并且Ⅲ含水層較厚(13.57～25.40m)，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中勢(shì)必會(huì)對(duì)Ⅲ含水層造成擾動(dòng)，存在頂板水害的隱患。

圖1 110207工作面頂板煤巖層對(duì)比圖

110207工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中水害威脅嚴(yán)重的區(qū)域主要位于工作面切眼和中部，頂板水防治和巷道支護(hù)存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：①巷道直接頂板隔水層較薄，常規(guī)探放水鉆孔難以施工，大仰角鉆孔無(wú)法下設(shè)止水套管，小仰角鉆孔則易對(duì)頂板造成破壞；②頂板弱膠結(jié)巖層在裂隙、錨桿或錨索作用下穩(wěn)定性變差，難以支護(hù)；③巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板弱膠結(jié)巖層易形成離層空間，蓄水后常誘發(fā)頂板事故。

為了保障110207工作面巷道的安全掘進(jìn)，擬采用定向鉆探技術(shù)探查巷道頂板Ⅲ含水層的富水異常區(qū)，并對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行頂板水疏放，對(duì)局部隔水層較薄的區(qū)域采用“注漿錨固+U型鋼棚”支護(hù)技術(shù)，針對(duì)局部破碎帶淋水較大的區(qū)域采用鉆孔注漿，對(duì)頂板進(jìn)行含水層改造和加固。

2 強(qiáng)富水弱膠結(jié)含水層下掘進(jìn)巷道防治水技術(shù)

2.1 掘進(jìn)巷道頂板含水層水文地質(zhì)條件探查

2.1.1 長(zhǎng)距離定向鉆探

為了有針對(duì)性地制定巷道掘進(jìn)期間的防治水措施，需要探查110207工作面巷道頂板Ⅲ含水層的富水異常區(qū)及局部裂隙發(fā)育程度，采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)對(duì)掘進(jìn)頭前方頂板Ⅲ含水層水文地質(zhì)條件進(jìn)行探查。長(zhǎng)距離定向鉆孔開孔位置位于11采區(qū)2煤輔助運(yùn)輸巷，初步設(shè)計(jì)2個(gè)鉆孔，分別為FY1-1和FY1-2，平面上沿110207工作面機(jī)巷和輔運(yùn)巷掘進(jìn)方向施工，長(zhǎng)距離定向鉆孔布置如圖2所示，垂向上位于Ⅲ含水層，長(zhǎng)距離定向鉆孔剖面如圖3所示。

圖2 長(zhǎng)距離定向鉆孔平面圖

圖3 長(zhǎng)距離定向鉆孔剖面圖

2.1.2 巷道頂板含水層水文地質(zhì)條件探查成果

長(zhǎng)距離定向鉆孔FY1-1和FY1-2在施工過(guò)程中對(duì)其水量進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)，長(zhǎng)距離定向鉆孔水量與孔深相關(guān)關(guān)系如圖4所示，從圖4中可以看出，隨著鉆孔施工距離的增加，其涌水量也是隨之增加的，其水量隨孔深的變化曲線較為一致，在孔深75～102m處、174～216m處和363～501m處存在3個(gè)相對(duì)富水區(qū)。

圖4 長(zhǎng)距離定向鉆孔水量與孔深相關(guān)關(guān)系

2.2 掘進(jìn)巷道頂板水疏放

長(zhǎng)距離定向鉆孔水量歷時(shí)變化曲線如圖5所示，由圖5可知，施工的長(zhǎng)距離定向鉆孔FY1-1和FY1-2初始水量分別為150m3/h和160m3/h，當(dāng)FY1-2鉆孔施工完畢后，F(xiàn)Y1-1鉆孔水量迅速減小，說(shuō)明巷道頂板Ⅲ含水層連通性較好。FY1-2鉆孔水量前期衰減較快，然后衰減速度減慢，最后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量約為25m3/h，說(shuō)明長(zhǎng)距離定向鉆孔疏放的Ⅲ含水層靜儲(chǔ)量有限，與Ⅱ含水層存在一定的聯(lián)系，但是接受的水量補(bǔ)給有限。

圖5 長(zhǎng)距離定向鉆孔水量歷時(shí)變化曲

由于巷道寬度相比工作面較窄，其上方的長(zhǎng)距離定向鉆孔對(duì)含水層向巷道內(nèi)徑流的地下水具有較好的截流作用，并且鉆孔位于巷道頂板10～20m之間，一方面減少了巷道內(nèi)錨桿、錨索的淋水現(xiàn)象，另一方面由于巷道頂板10m范圍內(nèi)含水層水量補(bǔ)給較小，給弱膠結(jié)巷道的支護(hù)創(chuàng)造了有利條件。

2.3 掘進(jìn)巷道頂板加固技術(shù)

2.3.1 巷道頂板鉆孔注漿加固

由于延安組1—2煤間含水層膠結(jié)程度較差，在2煤大巷掘進(jìn)期間曾發(fā)生多次集中出水，主要是由于局部區(qū)域頂板存在裂隙，在較大淋水的作用下，使得頂板巖層出現(xiàn)離層、破碎、下沉，最終形成冒頂或突水潰砂。為了防止頂板局部裂隙發(fā)育或破碎區(qū)域發(fā)生水害事故，采用注漿的方式，對(duì)巷道頂板進(jìn)行加固改造。

圖6 巷道頂板注漿孔平面圖

根據(jù)長(zhǎng)距離定向鉆孔FY1-1和FY1-2對(duì)Ⅲ含水層的探查結(jié)果，在孔深75～102m處存在一個(gè)相對(duì)富水區(qū)，加之此處施工巷道較多，頂板受到的擾動(dòng)較大，需要對(duì)其進(jìn)行注漿加固。巷道頂板注漿孔平面布置如圖6所示，注漿孔開孔位置位于11采區(qū)2煤輔運(yùn)大巷，終孔位于1#機(jī)輔聯(lián)絡(luò)巷上方6～10m處，具體位置如圖7所示，設(shè)計(jì)7個(gè)注漿孔，4個(gè)檢驗(yàn)孔。選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥作為主要注漿材料，注雙液漿時(shí)，選用水玻璃的模數(shù)為2.4～2.8，濃度為30°～45°Bé。施工階段單液漿水灰比選擇范圍為：1∶0.8～1∶1.2，終孔涌水量較大的鉆孔初期注漿水灰比為1∶1.2，當(dāng)注漿壓力升高至1.5MPa以后，漿液水灰比逐漸降低至1∶0.8；其他終孔涌水量較小的鉆孔注漿水灰比為1：0.8～1∶1。鉆孔注雙液漿時(shí)水灰比為1∶0.8，加入5%水玻璃，注漿終壓為3MPa。

圖7 巷道頂板注漿孔終孔位置剖面圖

2.3.2 巷道頂板錨桿注漿支護(hù)

注漿錨固技術(shù)在礦山和巖土工程中的應(yīng)用日益廣泛，特別是在軟弱巖層支護(hù)中效果顯著，其實(shí)質(zhì)上是將錨固和注漿技術(shù)相結(jié)合，利用中空的錨桿(索)兼做注漿管，在全長(zhǎng)錨固的同時(shí)，利用注漿材料改變圍巖的性質(zhì)，提高圍巖的完整性和輕度，來(lái)達(dá)到穩(wěn)定支護(hù)巷道的目的。

110207工作面巷道在掘進(jìn)至直接頂板隔水層較薄區(qū)域，采用高強(qiáng)度中空注漿錨桿與高性能錨桿相結(jié)合的組合控制方案。Ф25mm×2500mm中空注漿錨桿的間排距1000mm×1600mm，巷道頂部1排布置5個(gè)，Ф22mm×2400mm螺紋鋼錨桿的間排距800mm×1600mm，錨桿采用全長(zhǎng)錨固方式，安裝后施加高預(yù)緊力，并輔以鋼帶及鋼筋網(wǎng)，具體注漿錨桿支護(hù)方案如圖8所示。在不影響掘進(jìn)作業(yè)的前提下盡快對(duì)錨桿注漿，注漿材料采用P.O42.5水泥，加入水泥重量8%的添加劑，水灰比為1∶3。

圖8 注漿錨桿巷道支護(hù)方案(mm)

2.3.3 巷道頂板U型鋼棚支護(hù)

在掘進(jìn)巷道的局部區(qū)域，由于頂板膠結(jié)性差，并且淋水嚴(yán)重，直接采用鉆孔和錨桿注漿會(huì)加劇頂板破碎，可以采用先行架設(shè)U型鋼棚，然后再對(duì)頂板進(jìn)行注漿改造、加固。U型鋼棚巷道支護(hù)方案如圖9所示，其中鋼棚由2個(gè)棚腿和1個(gè)棚梁，及卡子和拉環(huán)等組成。拉環(huán)采用25#鋼管制作，長(zhǎng)100mm，焊接在棚腿上；拉桿采用Ф22mm的螺紋鋼錨桿制作，長(zhǎng)940mm，插入拉環(huán)內(nèi)70mm。U型鋼棚卡子采用16mm鋼板通過(guò)熱壓成型。每架鋼棚的棚腿上用10mm厚鋼板焊接200mm×200mm×10mm柱鞋，螺帽采用M24標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。

圖9 U型鋼棚巷道支護(hù)方案(mm)

2.4 掘進(jìn)巷道綜合防治水效果

通過(guò)長(zhǎng)距離定向鉆孔對(duì)110207工作面掘進(jìn)巷道前方頂板含水層的富水性進(jìn)行了探查，同時(shí)利用FY1-1和FY1-2鉆孔對(duì)頂板水進(jìn)行了預(yù)疏放，減少了巷道掘進(jìn)期間的涌水量；對(duì)局部富水的巷道頂板采用注漿加固，封堵了導(dǎo)水通道，避免了水砂潰涌；針對(duì)局部巷道頂板隔水層較薄的區(qū)域采用“注漿錨固+架設(shè)U型鋼棚”支護(hù)技術(shù)，對(duì)巷道頂板弱膠結(jié)巖層加強(qiáng)支護(hù)。

2煤大巷長(zhǎng)度約2900m，在掘進(jìn)過(guò)程中幾個(gè)集中涌水點(diǎn)總涌水量235m3/h，水害和頂板事故頻發(fā)，110207工作面巷道在掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)采用綜合防治水技術(shù)，截止巷道掘進(jìn)至1200m時(shí)總涌水量小于10m3/h，并且未發(fā)生水害和頂板事故，說(shuō)明所采取的綜合防治水技術(shù)措施對(duì)于強(qiáng)富水弱膠結(jié)含水層下巷道掘進(jìn)具有顯著的效果。

3 結(jié) 論

1)強(qiáng)富水弱膠結(jié)含水層下巷道采用定向鉆探技術(shù)掩護(hù)掘進(jìn)，工程量少、疏放水效果好、下設(shè)止水套管方便，可以有效解決巷道掘進(jìn)過(guò)程中涌水量過(guò)大的問(wèn)題，同時(shí)為弱膠結(jié)頂板巷道的支護(hù)創(chuàng)造了有利條件。

2)采用鉆孔和錨桿對(duì)局部頂板含水層進(jìn)行注漿改造、加固，可以有效增加巷道頂板隔水層的厚度，在輔助減小巷道涌水量的同時(shí)對(duì)巷道頂板進(jìn)行了加固。

3)U型鋼棚對(duì)于大面積頂板較為破碎的巷道具有較好的支護(hù)作用，同時(shí)配合頂板注漿加固，可有效解決弱膠結(jié)頂板巷道的支護(hù)問(wèn)題。