掘進巷道突水潰砂高壓擾動注漿技術與應用

趙寶峰，朱明誠，李德彬

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710177)

我國西部煤炭資源豐富，煤炭資源量占全國煤炭資源總量的70% 以上，包括批準建設的新疆、寧東、神東、陜北和黃隴5 個億噸級大型煤炭生產基地，其中侏羅紀煤田開發(fā)更是在國民經濟發(fā)展中起到了基礎能源供給的重要作用[1]。侏羅紀煤層上覆地層通常賦存有基巖孔隙裂隙含水層和第四系松散含水層，在大規(guī)模機械化掘進和采煤條件下，易誘發(fā)頂板水害事故和突水潰沙(砂)事故。突水潰沙(砂)是指弱膠結地層或近松散層采掘時，水沙(砂)混合流體潰入井下采掘工作面的一種礦井地質災害[2-3]。突水潰沙(砂)具有無預兆、來勢猛、水砂量大、破壞力大等特點，嚴重威脅著我國大型煤炭基地建設和千萬噸礦井的安全生產。

以往針對薄基巖突水潰沙開展的相關研究較多，主要包括突水潰沙的形成機理、危險性分區(qū)、防治技術等方面。突水潰沙形成機理研究是災害防控的基礎，董書寧等[4]系統(tǒng)對侏羅紀煤田薄基巖突水潰沙形成機理、潰沙通道和防治技術進行了系統(tǒng)研究；趙啟峰等[5]利用自主研發(fā)的突水潰沙氣液聯(lián)動相似模擬實驗裝置，研究采動煤巖體裂隙發(fā)育及突水潰沙通道的分布特征；楊俊哲等[6]利用原位測試、理論分析和相似材料模擬等方法，研究工作面切頂壓架導致基巖裂隙導通工作面與含水松散層的發(fā)生機理。室內試驗是研究突水潰沙形成機理的主要手段，杜鋒等[7]通過自主研制的多孔介質水沙兩相滲流試驗系統(tǒng)，從多孔介質孔隙度、破碎巖石粒徑、沙粒粒徑3 個方面對突水潰沙的機理進行了研究；張蓓等[8]基于顆粒流和液體流2 種流體力學理論，提出預測突水潰沙流量的潰沙漏斗和突水口2 種模型，探討地質鉆孔導致突水潰沙事故的形成機理和防治對策；張士川等[9]通過創(chuàng)建的裂隙內沙體突涌力學模型和突水潰沙試驗模型，分析裂隙突水潰沙發(fā)生的極限平衡條件，并定量分析了裂隙突水潰沙各階段內水沙運移特征及各物理參量關聯(lián)性變化特征。在查明突水潰沙形成機理基礎上，對其的危險性分區(qū)和評價為制定防控措施提供了依據，許海濤等[10]揭示第四系松散層含隔水層特征、底部黏土厚度及隔水層特征，建立了厚松散層、薄基巖工作面回采數(shù)值模型，對突水潰沙風險進行評價；連會青等[11]研究煤層采動覆巖來壓的規(guī)律，薄基巖破壞規(guī)律和研究水沙運移的動力機制，給出了突水潰沙臨界水頭高度及安全水頭的計算和判定依據。張坤[12]在對研究區(qū)基巖展布規(guī)律、主要含水層富水性分區(qū)和垮落帶和導水裂隙帶安全性分區(qū)的基礎上，形成突水潰沙危險性分區(qū)預測方法。針對突水潰沙治理主要在井上下采用疏水降壓和注漿加固的方法，王振榮[13]提出了井下疏放水與注漿加固相結合的治理方法，形成了“疏注結合、先疏后注、邊治邊探、先治后采”的突水潰沙防治技術路線；劉洋[14]運用完整井理論建立了覆巖破壞涌水裂隙通道水力坡度的臨界值，結合覆巖頂板實際破斷情況，提出突水潰沙配套的防治對策。

以上研究均針對神東礦區(qū)等厚松散層薄基巖條件下工作面突水潰沙，研究成果對于薄基巖突水潰沙災害的防控和治理起到了顯著作用。近年來，圍繞侏羅紀煤田深埋弱膠結地層突水潰砂也有學者開展了相關研究，彭濤等[15]從導水通道、充水水源、物源、儲水空間、動力源和地質構造等方面對突水潰砂的災害機制進行了綜合分析；任勝文[16]從導水裂隙帶高度、含水層厚度2 個主控因素對突水潰砂的危險性分析建立影響因素的數(shù)學評價模型，獲得突水潰砂危險性分區(qū)；周振方等[17]基于突水潰砂區(qū)“人工假頂”再造的思路，提出了水泥-水玻璃混合液封堵工作面頂板突水潰砂通道的技術。

以往研究主要重點圍繞薄基巖突水潰沙防控和弱膠結地層突水潰砂形成機制和風險性評價，而對于災害發(fā)生后治理的相關研究較少，特別是弱膠結地層條件下掘進巷道突水潰砂的治理技術未見成熟的研究成果。筆者以寧夏麥垛山煤礦2 煤回風巷掘進期間突水潰砂為研究對象，采用了高壓噴射(簡稱高壓)擾動注漿技術對巷道內潰出的松散砂體進行固結，完成封堵體的建造，成功治理掘進巷道弱膠結頂板潰水潰砂災害，將為類似工程提供借鑒。

1 礦井與掘進巷道突水潰砂災害

1.1 水文地質條件

1.1.1 礦井概況

麥垛山煤礦位于寧夏寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)南部，隸屬于國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，是寧東能源化工基地的主力供煤礦井。麥垛山煤礦礦井生產規(guī)模為8.0 Mt/a，主采煤層為侏羅系延安組2、6 和18 煤，由于2 煤水文地質條件復雜，礦井采用上行開采方式，先期開采6 煤。

1.1.2 掘進巷道水文地質條件

麥垛山井田內含水層由上而下分別為第四系含水層、直羅組下段含水層、2-6 煤間含水層、6-18 煤間含水層和18 煤以下含水層，其中直羅組下段含水層是影響和威脅2 煤采掘活動的主要含水層。井田內直羅組下段含水層厚60.21～317.70 m，平均厚度為138.70 m，巖性主要為灰綠、藍灰、灰褐色夾紫斑的中、粗粒砂巖，夾少量的粉砂巖和泥巖，局部含礫；砂巖的成熟度較低，分選性差，接觸式膠結為主。根據麥垛山煤礦首采區(qū)水文地質補充勘探資料，直羅組下段含水層的單位涌水量為0.009 6～0.299 5 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.013 6～0.955 7 m/d，富水性弱-中等。

麥垛山煤礦2 煤大巷包括2 煤輔助運輸巷、2 煤帶式運輸機巷、2 煤回風巷和2 煤半煤巖運輸巷，巷道頂板泥巖、粉砂巖隔水層較薄，甚至局部缺失，故2 煤大巷掘進期間的主要充水水源為直羅組下段含水層，充水通道包括圍巖松動圈、錨桿、錨索和斷層。

2 煤4 條大巷在掘進過程中嚴格執(zhí)行先探后掘，但由于巷道頂板地層區(qū)域差異性較大，加之直羅組下段含水層膠結性較差、水文地質條件復雜，小范圍集中涌水時有發(fā)生。

1.2 掘進巷道突水潰砂概況

1.2.1 突水潰砂及其后果

當2 煤回風巷在掘進至F26 斷層附近時，發(fā)生頂板突水潰砂，突水潰砂量峰值約1 000 m3/h，持續(xù)1 h后水量穩(wěn)定在400 m3/h。據統(tǒng)計，本次累計潰砂量約5 000 m3，2 煤輔助運輸巷、2 煤帶式運輸機巷、2 煤回風巷、2 煤半煤巖運輸巷與3 號聯(lián)絡巷累計約1 100 m被水砂淤堵(圖1)。

圖1 突水潰砂位置及淹沒巷道Fig.1 Schematic of water and sand inrush location and flooded roadways

1.2.2 形成原因分析

根據現(xiàn)場突水潰砂特征、地層和構造條件分析，2煤回風巷突水潰砂的水砂源為頂板直羅組下段砂巖含水層，通道為F26 斷層。當回風大巷掘進過程中揭露F26 斷層后，斷層溝通上覆含水層導致掘進工作面出水，隨著巷道繼續(xù)掘進，對斷層的擾動加劇，加之受到水動力作用，導致產生突水潰砂，最終突水潰砂點附近被砂體淤積，5 條巷道部分區(qū)域被水砂淹沒。

1.2.3 治理面臨問題

突水潰砂治理通常采用地面和井下注漿2 種方法。2 煤頂板直羅組下段含水層厚度大、富水性較強，從地面施工注漿鉆孔易將此含水層與井下巷道導通，且地面治理時間長、工程量大，效率較低。為了以較小的工程量短期內完成對掘進巷道突水潰砂的治理，計劃采用井下治理方法。

5 條巷道不同程度地被砂體淤積和被水淹沒，由于從F26 斷層潰出砂體較為松散，如果采用常規(guī)排水至淤積砂體附近，易發(fā)生二次潰砂災害，同時可能導致更多砂體沿F26 斷層潰出，產生冒頂?shù)软敯迨鹿?，對砂體進行注漿形成固結體是治理的首選方案。由于突水潰砂點涌水量穩(wěn)定在400 m3/h 左右，排水過程中同時對淤積砂體進行治理存在較大困難。

對2 煤回風巷突水潰砂治理主要面臨以下幾個問題：(1) 突水潰砂點水量較大，需要盡快控制巷道的淹沒范圍；(2) 注漿鉆孔在淤積砂體中易塌孔，無法開展后續(xù)注漿近距離治理易發(fā)生次生災害；(3) 具備開展治理工作的位置距離突水潰砂點較遠；(4) 由于淤積砂體在巷道中受力不均，注漿時壓力過高易漏漿和跑漿，壓力過小則治理效果差。

2 基于高壓擾動注漿技術的突水潰砂治理

2.1 治理思路

為了實現(xiàn)對掘進巷道突水潰砂的安全、高效治理，提出了以下治理思路：首先在2 煤回風巷和半煤巖運輸巷建造擋水墻，防止水砂淤積范圍進一步擴大；然后在2 煤帶式運輸機巷采用高壓擾動注漿技術對聯(lián)絡巷的淤積砂體進行固結，形成1 號封堵體，同時對帶式運輸機巷進行排水；最后，在帶式運輸機巷對2 煤回風巷靠近突水潰砂點的淤積砂體進行固結，形成2 號封堵體，為后續(xù)恢復2 煤回風巷掘進提供條件。

2.2 擋水墻建造與可靠性分析

2.2.1 擋水墻建造

擋水墻的目的主要是阻止水砂淤積范圍進一步擴大，通過擋水墻內部的泄水孔使墻內側積水可控排放。擋水墻分別位于2 煤回風巷和2 煤半煤巖運輸巷水砂淹沒范圍邊緣(圖2)，2 座擋水墻可以使高壓擾動注漿建造1 號封堵體時水砂淹沒范圍不會進一步擴大。

圖2 突水潰砂治理中1 號和2 號擋水墻平面位置Fig.2 Plan location of No.1 and No.2 water retaining walls

擋水墻采用兩側建造磚墻，磚墻間距1.0 m，然后向巷道圍巖開挖深度為0.5 m 的溝槽，磚墻之間與溝槽內采用水泥沙漿充填，形成完整結構的混凝土擋水墻。根據現(xiàn)場條件，擋水墻形狀與巷道一致，為半圓拱形(圖3)。

圖3 擋水墻橫向與縱向剖面Fig.3 Schematic of the horizontal and longitudinal section of the water-retaining wall

擋水墻混凝土灌注采用3 個注漿管，最上部留設1 個排氣管，由下至上依次灌注混凝土，為了減輕擋水墻在建造時受到側向水壓力的作用，在擋水墻內部預留4 個泄水管，可以將墻體內側的積水可控排出。

2.2.2 擋水墻抵抗水壓核算

混凝土擋水墻是承受水砂壓力的受力結構，其可靠性主要受到自身強度、圍巖工程地質條件、水壓等因素影響，為了保障擋水墻能夠在承受一定水壓力作用下不被破壞，根據評價對象及其受力性質的不同，需要對擋水墻的抗壓和抗剪強度、圍巖抗剪強度進行核算[18]。

1) 擋水墻抗壓強度核算：

式中：a為結構的重要性系數(shù)，取1.2；p為擋水墻所能承受的水壓，MPa；S1為擋水墻承受水壓力的面積，m2；γh為混凝土的折減系數(shù)，取0.85；fc為混凝土抗壓強度設計值，MPa；S2為擋水墻與圍巖之間的作用面積，m2；B為巷道凈寬，m；H為巷道凈高，m；E1為頂槽深度，m；E2為邊槽深度，m；E3為底槽深度，m。

整理式(1)-式(3)，得到：

根據式(4)計算得到p為2.62 MPa。

2) 擋水墻抗剪強度核算：

式中：S3為擋水墻承受水壓力的剪切面積，m2；τq為混凝土允許抗剪強度，經驗公式，MPa；ft為混凝土抗拉強度，MPa；L為擋水墻厚度，m。

整理式(2)、式(5)和式(6)，得到：

根據式(7)計算得到p=1.64 MPa。

3) 巷道圍巖抗壓強度核算：

式中：ac為挖槽施工對圍巖的影響系數(shù)，取1.6；τc為巖體允許抗剪強度，取5.93 MPa。

整理式(2)、式(6)和式(8)，得到：

根據式(9)計算得到p=2.75 MPa。

根據對擋水墻抗壓、抗剪強度和巷道圍巖抗壓強度的核算，擋水墻至少能夠抵抗1.64 MPa 水壓，根據前期對2 煤頂板直羅組下段含水層的水壓觀測，其最大水壓為1.2 MPa，說明建造的擋水墻能夠滿足注漿時的抗壓要求。

2.3 松散砂體高壓擾動注漿技術

2.3.1 注漿鉆孔設計

在2 煤回風大巷和半煤巖運輸巷的擋水墻建造完成后，在實現(xiàn)防治水砂淤積范圍進一步擴大的目的后，突水潰砂出現(xiàn)平衡，砂體不再潰出和流動。在2 煤帶式運輸機巷選擇安全位置作為鉆場，對2 煤回風巷和2 煤帶式運輸機巷之間的1 號聯(lián)絡巷建造1 號封堵體(圖4)，其目的是將水砂淹沒范圍進一步縮小，為下一步對突水潰砂點近距離治理創(chuàng)造條件。

圖4 高壓擾動注漿鉆孔及封堵體平面圖Fig.4 Plan of the high-pressure jet disturbance grouting borehole and blocking body

根據前人研究成果[19-20]，當注漿頭直徑一定時，在一定壓力范圍內隨著漿液壓力的升高固結半徑基本呈線性增長(圖5)。本次對3 號聯(lián)絡巷和2 煤回風巷建造封堵體擬采用直徑為2.5 mm 的注漿頭，注漿壓力擬選擇20 MPa，故固結半徑約為0.7 m。

圖5 不同直徑的注漿頭固結半徑與注漿壓力相關性曲線Fig.5 Correlative curves of consolidation radius of grouting nozzles with different diameters and grouting pressure

在建造1 號封堵體時，首先在3 號聯(lián)絡巷的淤積砂體內由下至上施工4 個一序鉆孔，各鉆孔終孔位置間隔1.4 m；然后施工兩側的6 個二序鉆孔，其終孔位置距離一序鉆孔終孔位置水平距離0.7 m；最后施工最外側的8 個三序鉆孔，其終孔位置距離二序鉆孔終孔位置水平距離0.7 m。通過不同次序施工的固結體互相咬結，最終在3 號聯(lián)絡巷內形成一個“頂不越、底不漏、體不滲”的1 號封堵體，其有效厚度超過2.8 m(圖6)。為了檢驗1 號封堵體的質量，分別在1 號封堵體4 個一序鉆孔固結范圍相鄰處施工3 個檢驗鉆孔。通過1號封堵體將水淹和潰砂范圍限制在1 號封堵體、1 號擋水墻和2 號擋水墻之間的巷道內，為建造2 號封堵體創(chuàng)造條件。

圖6 注漿鉆孔施工次序及1 號封堵體建造Fig.6 Drilling sequence of grouting boreholes and construction schematic of No.1 blocking body

在1 號封堵體建造完成后，對2 煤帶式運輸機巷進行清淤，然后選擇2 煤帶式運輸機巷安全位置作為鉆場，在距離突水潰砂點40 m 處建造2 號封堵體，其施工過程和技術要求與建造1 號封堵體一致。

2.3.2 鉆注一體化技術及配套設備

由于含水砂體具有流動性，在潰出的松散砂體中完成鉆孔施工時，當鉆具退出后鉆孔易塌孔，無法進行下一步對松散砂體的注漿。為使鉆探和注漿2 個過程連續(xù)化，發(fā)明鉆注一體化技術及配套裝備。當鉆具在鉆進狀態(tài)時，受到鉆具前方阻力的作用，鉆具被軸向壓縮為圖7a 的狀態(tài)，這時鉆進沖洗液依次經過鉆具中心的套體、心體、鉆頭，實現(xiàn)鉆探過程中護孔、排渣、冷卻和潤滑的目的。當鉆進停止后進行高壓高壓擾動注漿時，由于鉆進阻力消失，受鉆具內部壓力的作用，鉆具的套體被向后軸向推展為圖7b 的狀態(tài)，這時心體和套體之間的通路關閉，同時注漿頭打開，將沖洗液更換為水泥漿，漿液從注漿頭噴出，實現(xiàn)射流擾動注漿的目的。

圖7 鉆注一體化鉆具鉆進、注漿狀態(tài)Fig.7 Drilling and grouting state of the integrated equipment

注漿壓力采用20 MPa，注漿材料為質量比1∶1的單液水泥漿，水泥采用P.O42.5R 的普通硅酸鹽水泥(符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》要求)，鉆具的注漿頭選用直徑2.5 mm 的YG8 硬質合金指數(shù)收斂型注漿頭1～2 個(圖8)。在高壓擾動注漿時，根據以往經驗和現(xiàn)場試驗，確定鉆具后退速度為0.2 m/min，旋轉速度為20 r/min。每個鉆孔進行2 次高壓擾動注漿。

圖8 注漿頭結構及參數(shù)Fig.8 Structure and parameters of the grouting nozzle

2.3.3 鉆孔控壓保漿技術及配套設備

在從井下巷道向另一端巷道松散砂體內進行射流擾動注漿時，屬于近水平射流擾動注漿，如果對孔口不采取保漿措施，鉆孔內注漿形成的擾動后流態(tài)混合材料易由于孔口跑漿、漏漿，無法保證固結體形成效果；如果對孔口完全封閉，則會造成孔內高壓，同樣影響射流注漿效果。為了在注漿過程中對鉆孔進行控壓和保漿，在孔口安裝控壓保漿裝置，注漿過程中如果孔口跑漿，首先旋緊壓盤，軸向壓縮橡膠材料做成的“V”形組合阻尼體，使其產生徑向變形膨脹，對保漿裝置與鉆桿間的間隙進行封堵，然后緩慢打開注漿口閥門，在較低壓力下(不大于0.5 MPa)將多余漿液排出(圖9)。

圖9 孔口控壓保漿裝置Fig.9 Schematic of orifice pressure control and slurry retention device

2.4 高壓擾動注漿效果檢驗

1) 檢驗孔取心

針對1 號封堵體在不同高度設計了3 個檢驗孔[21]，分別為1 號-J-1、1 號-J-2 和1 號-J-3 鉆孔，每個鉆孔孔深約46 m，止水套管11 m，3 個檢驗孔在3 號聯(lián)絡巷范圍內(39～45 m)1 號封堵體的取心完整(圖10)，水泥含量高，說明1 號封堵體固結效果較好，能夠實現(xiàn)對3 號聯(lián)絡巷內松散砂體的有效固結。

圖10 1 號封堵體3 個檢驗孔巖心Fig.10 Three test borehole cores of No.1 blocking body

2) 壓水試驗

對1 號封堵體的3 個檢驗孔取心后進行壓水實驗，壓力取突水潰砂點所承受頂板直羅組下段含水層水壓的1.5 倍(1.8 MPa)，各檢驗孔在壓水持續(xù)30 min 后無明顯水量消耗，認為1 號封堵體質量良好。

2 號封堵體在建造完畢后也施工相應的檢驗孔進行取心和壓水試驗，2 號封堵體巖心完整且壓水試驗無漏水現(xiàn)象，說明2 號封堵體質量良好，達到對2 煤回風巷突水潰砂的治理目的。

2.5 突水潰砂點的處理

由于直羅組下段含水層水壓約為1.2 MPa，為了避免2 煤回風巷掘進過程中再次發(fā)生突水潰砂，通過2 號封堵體向突水潰砂點施工2 個疏水泄壓孔，計劃等涌水量小于10 m3/h，且水壓小于0.3 MPa 時，再對突水潰砂點進行下一步治理。

3 結 論

a.采用井下高壓擾動注漿技術對掘進巷道突水潰砂進行治理，包括構筑擋水墻、建造封堵體和效果檢驗等步驟，其工程量小，治理時間短，安全性和可靠性較高。

b.對擋水墻的尺寸和結構進行了設計，其構筑后可以有效控制水砂淹沒范圍，經過對擋水墻的抗壓和抗剪強度、圍巖抗剪強度進行核算，擋水墻能夠至少抵抗1.64 MPa 水壓，滿足要求。

c.采用鉆注一體化鉆具對松散砂體進行注漿固結，有效解決了松散砂體中鉆孔易塌孔影響后續(xù)注漿的難題，利用孔口控壓保漿裝置避免了對松散砂體高壓注漿時跑漿和漏漿等問題。

d.巷道內松散砂體建造的封堵體采用取心和壓水試驗進行檢驗質量，所取巖心完整，且封堵體能夠承受1.8 MPa 的壓力，為巷道的后續(xù)掘進創(chuàng)造條件。