東曲礦斜巷穿灰?guī)r含水層注漿堵水技術(shù)研究與應(yīng)用

李 榮

（西山煤電集團(tuán)東曲礦，山西古交030200）

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)西山煤電東曲礦排矸斜巷主要為井下工作面回采排矸使用，排矸斜巷掘進(jìn)寬度為3.2m，高度為3.2m，巷道與水平方向的角度為25°，在排矸斜巷掘進(jìn)期間，當(dāng)巷道掘進(jìn)至115m，會(huì)穿過L1灰?guī)r含水層，L1灰?guī)r層含水豐富，局部巖溶、裂隙發(fā)育，透水性較強(qiáng)，均厚5～6m，為8# 煤層直接頂板。在巷道掘進(jìn)接近L1灰?guī)r層頂部位置時(shí)，掘進(jìn)迎頭底板位置出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象，涌水總量40m3/h，現(xiàn)為保障斜巷工作面掘進(jìn)通過L1灰?guī)r含水層時(shí)的安全性，擬采用對(duì)灰?guī)r含水層超前注漿的方式進(jìn)行堵水，保障巷道斜巷掘進(jìn)時(shí)的安全性。

2 動(dòng)力水注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律

2.1 漿液擴(kuò)散形態(tài)

根據(jù)排矸斜巷及L1灰?guī)r含水層的具體地質(zhì)條件，可知該次注漿屬于裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿堵水，為有效分析注漿漿液在裂隙網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散規(guī)律，現(xiàn)采用MATLAB 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理模擬分析，本次模擬分析主要針對(duì)完全封堵型的漿液擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析，模型建立時(shí)將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在注漿孔中心，X 軸設(shè)置為水流方向，Y 軸設(shè)置為垂直于水流的方向，注漿漿液采用水泥- 水玻璃雙液漿，水灰比設(shè)置為0.6:1，依據(jù)漿液的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模型參數(shù)的賦值。

圖1 注漿擴(kuò)散模型圖及不同時(shí)段擴(kuò)散形態(tài)圖

數(shù)值模擬模型如圖1(a)所示，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出漿液在不同擴(kuò)散時(shí)間下的擴(kuò)散形態(tài)，現(xiàn)具體對(duì)漿液在擴(kuò)散60s、130s 和漿液擴(kuò)散最終形態(tài)時(shí)漿液的擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行具體出圖，如圖1(b)～圖(d)所示。

通過具體分析不同時(shí)段時(shí)漿液擴(kuò)散的具體形態(tài)可知，漿液的裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的擴(kuò)散主要可劃分為自由擴(kuò)散、部分封堵和殘留通道封堵三個(gè)階段，具體各個(gè)階段的特征如下：

1）自由擴(kuò)散階段：當(dāng)漿液注入到含水層內(nèi)部的裂隙網(wǎng)絡(luò)后，由于漿液還未達(dá)到其凝固時(shí)間，其在含水層裂隙內(nèi)的流動(dòng)主要表現(xiàn)為牛頓流體的特征，該階段漿液的擴(kuò)散形態(tài)主要受到裂隙開度和含水層內(nèi)動(dòng)力水的流動(dòng)速度影響，該階段漿液基本以注漿鉆孔為中心向兩側(cè)均勻擴(kuò)散；

2）部分封堵階段：隨著注漿作業(yè)的進(jìn)行，漿液進(jìn)入裂隙內(nèi)后，會(huì)逐漸出現(xiàn)凝固的現(xiàn)象，凝固后的漿液會(huì)與裂隙的壁面之間產(chǎn)生一定的粘結(jié)性能，當(dāng)漿液與裂隙壁面間的粘結(jié)力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，漿液便會(huì)停止前進(jìn)，進(jìn)而對(duì)已擴(kuò)散的裂隙進(jìn)行封堵，已封堵的裂隙會(huì)阻止?jié){液的進(jìn)一步擴(kuò)散，進(jìn)而致使后續(xù)注入的漿液的只能沿著其余未被封堵的裂隙進(jìn)行擴(kuò)散，被注介質(zhì)內(nèi)的水流通道面積會(huì)逐漸減小，水流的速度會(huì)明顯增大；該階段內(nèi)漿液仍然具有較好的流動(dòng)性，但該階段裂隙開度較小的主流通道基本已被封堵，僅剩下一些裂隙開度較小的分支通道未被漿液封堵[1-2]；

3）殘留通道封堵階段：隨著漿液的進(jìn)一步擴(kuò)散，此階段內(nèi)僅剩下一些開度較小的裂隙未被封堵，隨著漿液的進(jìn)一步擴(kuò)散，漿液在注漿壓力作用下會(huì)逐漸向這些開度較小的裂隙內(nèi)流動(dòng)，并逐漸凝固封堵，隨著含水層內(nèi)開度較小裂隙的封堵，漿液的擴(kuò)散形態(tài)基本達(dá)到終態(tài)，漿液的注漿壓力會(huì)逐漸達(dá)到設(shè)定壓力值而最終停止。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，具體漿液在不同注漿時(shí)間下漿液的最大擴(kuò)散距離、擴(kuò)散面積與注漿時(shí)間之間的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 漿液在不同時(shí)間下的擴(kuò)散距離與面積曲線圖

2.2 注漿壓力變化曲線

在數(shù)值模擬過程中，為有效監(jiān)測注漿漿液的出口位置處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行漿液注入壓力的監(jiān)測作業(yè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出不同注漿時(shí)間下漿液的壓力曲線如圖3 所示。

圖3 不同注漿時(shí)間下注漿壓力曲線圖

根據(jù)圖3 可知，注漿堵水作業(yè)開始后，隨著注漿時(shí)間的增加，注漿的壓力呈現(xiàn)出注漿增大的趨勢(shì)，根據(jù)上述分析可知，漿液的擴(kuò)散呈現(xiàn)出自由擴(kuò)散、部分封堵和殘余通道封堵三個(gè)階段，結(jié)合圖3 可知，在注漿初始漿液的自由擴(kuò)散階段，漿液的注漿壓力基本呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，漿液的壓力基本穩(wěn)定在1MPa；隨著注漿作業(yè)的進(jìn)行，漿液擴(kuò)散面積達(dá)到一定的程度，漿液進(jìn)入到部分封堵階段，此階段注漿壓力逐漸提升,漿液的壓力提升到1.7MPa 左右，并在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)注漿達(dá)到殘余通道封堵階段時(shí)，注漿壓力進(jìn)一步升高，與部分封堵階段相比，注漿壓力升高的幅度明顯減小，該階段漿液的注漿壓力最大值為2.0MPa。

3 注漿堵水方案

3.1 注漿方案設(shè)計(jì)

由于目前排矸斜巷已經(jīng)掘進(jìn)接近L1含水層區(qū)域，在掘進(jìn)采動(dòng)影響下巷道底板的裂隙發(fā)育很可能會(huì)與含水層之間貫通，同時(shí)為保障巷道掘進(jìn)通過含水層時(shí)的安全，現(xiàn)確定采用掘進(jìn)至距離含水層垂直高度最短為1.5m 時(shí)，現(xiàn)進(jìn)行巷道加固底板的注漿作業(yè)，隨后進(jìn)行帷幕注漿作業(yè)，具體注漿各項(xiàng)參數(shù)如下：

1）加固底板注漿：巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)至與底板含水層垂直高度小于1.5m 時(shí)，進(jìn)行底板注漿作業(yè)，沿著巷道掘進(jìn)頭位置，布置注漿鉆孔，鉆孔成孔直徑為φ75mm，深度為5.0m，與巷道底板成75°夾角，即沿垂直方向打設(shè)，布置3 排鉆孔，每排布設(shè)3 個(gè)，注漿鉆孔排間距為2.0m×1.5m，由于鉆孔為垂直注漿作業(yè)，設(shè)置鉆孔的封孔長度為0.3m，具體底板注漿作業(yè)鉆孔布置形式如圖4(a)所示。

2）帷幕注漿：當(dāng)?shù)装寮庸套{作業(yè)完成后，隨后進(jìn)行帷幕的打孔注漿作業(yè)，沿著巷道掘進(jìn)頭位置，布置注漿鉆孔，鉆孔成孔直徑為φ75mm，鉆孔長度為13～15m，鉆孔的俯角為 - 10°～30°之間，帷幕注漿鉆孔布置5 排，鉆孔在巷道底板布置2 排，排間距為2.0m×1.5m，，在掘進(jìn)頭上布置3 排鉆孔，排間距為1.0m×1.5m，設(shè)置鉆孔的封孔長度為0.5m;打孔作業(yè)時(shí)，先以直徑為φ108mm 鉆頭開孔，開孔深度為2.5m，隨后進(jìn)行φ75mm 鉆頭進(jìn)行成孔，具體帷幕注漿作業(yè)鉆孔布置形式如圖4(b)所示。

圖4 注漿鉆孔布置形式示意圖

3）注漿材料：由于L1灰?guī)r含水層內(nèi)裂隙較為發(fā)育，裂隙之間基本以網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)賦存，故本次注漿材料選用水泥- 水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比設(shè)置為0.6:1，水玻璃型號(hào)為40 波美度，水泥漿與水玻璃間的比例為1:1。

4）注漿壓力：根據(jù)L1灰?guī)r含水層的具體地質(zhì)條件，結(jié)合本次誰用水泥水玻璃漿液的性能參數(shù)，基于數(shù)值模擬結(jié)果，為保障注漿效果，最終確定注漿的終孔壓力為2MPa。

5）注漿量：排矸斜巷對(duì)含水層進(jìn)行注漿作業(yè)的最終目的是在巷道掘進(jìn)通過含水層時(shí)形成帷幕，進(jìn)而保障巷道掘進(jìn)通過含水層區(qū)域時(shí)不會(huì)出現(xiàn)突水現(xiàn)象，具體注漿量可用下式估計(jì)：

式中：Q 為注漿量（m3）；v 為被注巖層的體積（m3）；n 為被注巖層的孔隙率，取 10%；λ 為漿液耗損系數(shù)，取1.2；η 為空隙的漿液充填率，取80%；根據(jù)材料斜巷及L1 含水層的具體情況， 取 λ=1.2，n=10%，η=80%，v=3.14×132×5.5=2918m3，代入式（1）中能夠計(jì)算出Q=280m3。

6）注漿順序：在進(jìn)行底板注漿加固作業(yè)時(shí)，從遠(yuǎn)離掘進(jìn)頭的位置向掘進(jìn)頭位置逐漸進(jìn)行注漿作業(yè)，同排鉆孔注漿作業(yè)時(shí)由兩邊到中間進(jìn)行注漿作業(yè)；帷幕注漿鉆孔采用間隔施工的方式，根據(jù)圖3 中的鉆孔編號(hào)方式，先進(jìn)行奇數(shù)號(hào)的注漿作業(yè)，當(dāng)奇數(shù)孔全部注漿完成后，再進(jìn)行偶數(shù)孔的打孔注漿作業(yè)。

3.2 注漿效果分析

在注漿堵水的工程實(shí)踐中，由于注漿為隱蔽工程，無法有效評(píng)價(jià)漿液在被注介質(zhì)體內(nèi)的擴(kuò)散形態(tài)及規(guī)律，故采用堵水率作為堵水效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。堵水率（簡稱SE）即為注漿結(jié)束后含水層動(dòng)力水流的流量與初始動(dòng)力水流的差值與初始動(dòng)力水流量的比值[3-4]，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：SE 為堵水率；Qg為注漿結(jié)束后穩(wěn)定后的動(dòng)水流量；Q0為初始動(dòng)水流量；根據(jù)眾多的理論研究與工程注漿堵水實(shí)踐的結(jié)果，將注漿堵水的效果劃分為6 個(gè)等級(jí)，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)及效果評(píng)價(jià)如表1 所示。

表1 堵水效果等級(jí)劃分

排矸斜巷在采用加固底板注漿+ 帷幕注漿后，巷道在掘進(jìn)通過含水層區(qū)域時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場觀測可知漿液對(duì)含水層進(jìn)行密實(shí)充填，掘進(jìn)作業(yè)時(shí)無明顯的突水情況出現(xiàn)，注漿加固后涌水水量小于1m3/h，未注漿堵水前的涌水量為40m3/h，基于此能夠計(jì)算出SE=97.5%，注漿堵水效果非常好。

4 結(jié) 論

根據(jù)排矸斜巷與L1含水層的具體地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬分析動(dòng)力水注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律，確定采用底板加固+ 帷幕注漿的堵水方案，并確定了各項(xiàng)注漿參數(shù)，注漿結(jié)束后，根據(jù)現(xiàn)場觀測得出注漿堵水率達(dá)到97.5%，注漿效果良好，保障了巷道掘進(jìn)通過含水層區(qū)域的安全。