深埋巷道穿越斷層破碎帶防水支護(hù)技術(shù)探討

游紅江 ，袁勝超

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021； 2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050021)

1 工程概況

某鐵礦礦床地處司馬長(zhǎng)復(fù)式褶皺帶中，控制范圍總體為走向近南北、西傾的單斜構(gòu)造。早期褶皺為軸面走向北東東，南東傾開闊不對(duì)稱復(fù)式褶皺構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育F1、F2、F3三條斷裂，對(duì)礦體的延伸和地層的破壞具有較大影響。

該礦某回風(fēng)井-900 m水平掘進(jìn)至364 m處揭露一破碎帶，發(fā)生400 m3/h突水事故。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，該突水點(diǎn)臨近F2斷層，處于基巖裂隙中等富水區(qū)，為一小型斷層破碎帶。F2斷層自南向北斷續(xù)出現(xiàn)，走向近南北，傾角為65°～79°，總體呈現(xiàn)自南向北規(guī)模變小，傾角變緩的趨勢(shì)。斷裂以輝綠巖脈充填為主，其表現(xiàn)形式為后期充填、斷續(xù)出現(xiàn)的輝綠巖脈群，南北兩段均較完整，輝綠巖位于構(gòu)造影響帶范圍內(nèi)相對(duì)破碎。

斷層破碎帶具有低強(qiáng)度、易變性、透水性大和抗水性差的特征，巷道開挖常會(huì)引起斷層活化，極易誘發(fā)巷道冒頂和突水事故[1-2]。斷層的形成破壞了巖層的原始應(yīng)力場(chǎng)，在斷層附近造成應(yīng)力集中，斷層附近的圍巖體發(fā)生剪切破壞，相比較于完整的圍巖體，其強(qiáng)度下降約75%[3]。

工作面涌水發(fā)生后，在巷道合適位置建立7.0 m厚C25混凝土止?jié){墻堵水，并進(jìn)行了止?jié){墻后空區(qū)注漿充填，便于后期治理施工。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)井下的涌水處理有“排水”、“截水”、“堵水”或以上方法相結(jié)合的解決方案，綜合考慮，采用“堵水”方案施工成本相對(duì)低，且工期相對(duì)較短[4]。

2 地質(zhì)概況及治理難點(diǎn)

在工作面（止?jié){墻）巷道中心布置1個(gè)孔深50 m超前地質(zhì)孔，其目的是掌握巷道前進(jìn)方向地質(zhì)資料，為后期堵水治理、掘進(jìn)施工提供指導(dǎo)。根據(jù)其揭露，地層主要為混合花崗巖地層，破碎帶地層分布范圍較大且極不均一，裂隙發(fā)育部位充填大量的高嶺土、砂、碎石塊等雜物，局部地層相對(duì)完整地段發(fā)育微裂隙。

根據(jù)該孔注漿情況，該工作面水壓高（8.7 MPa），注漿施工難度較大；破碎帶地層中含高嶺土部位可注性較差，且與水泥漿液固結(jié)性差；局部地層存在微裂隙，造成多次重復(fù)注漿、掃孔，嚴(yán)重影響注漿質(zhì)量和施工進(jìn)度。

該工作面采用注漿加固治理后，雖對(duì)破碎帶地層穩(wěn)定性有一定改善，但該工作面破碎帶部位后期掘進(jìn)施工中巷道斷面承受地層壓力較大，需進(jìn)一步考慮加固處理措施。

3 重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題的解決措施

根據(jù)超前地質(zhì)孔地層、注漿反映難點(diǎn)情況，提前做到有針對(duì)性地預(yù)防處理，具體措施如下。

3.1 沖洗置換

大裂隙破碎帶中充填高嶺土、砂、碎石塊等雜 物，其影響漿液的擴(kuò)散搭接，且高嶺土成分與水泥漿液膠結(jié)性差。為確保堵水治理效果，后期設(shè)計(jì)注漿鉆孔時(shí)分兩序施工，采用將相鄰3個(gè)I序（或Ⅱ序）鉆探至破碎帶部位，孔深保持一致，將中間的I序（或Ⅱ序）鉆孔孔口封閉，通過(guò)高壓注水沖洗鉆孔，相鄰鉆孔敞口，將鉆孔內(nèi)高嶺土、泥沙等雜物通過(guò)鉆孔排出，直至孔口出水變清水為止，最后將與被注水鉆孔聯(lián)通性較好的鉆孔同時(shí)或被串鉆孔封堵進(jìn)行高壓注漿，起到對(duì)圍巖加固和堵水的效果。

3.2 微裂隙注漿處理措施

因工作面水壓高且地層較復(fù)雜，破碎地段無(wú)法使用止?jié){塞進(jìn)行分段注漿，只能采用孔口封閉全孔注漿方式，其優(yōu)點(diǎn)是可以使用較大的注漿壓力和多次重復(fù)灌注，有利于保證注漿質(zhì)量。在鉆孔較深部位微裂隙地層注漿，漿液流動(dòng)性較慢，漿液中的水泥會(huì)在鉆孔周壁逐漸沉淀、凝固，注漿壓力（孔口）突升，造成注漿量較小，堵水效果差。擬采用以下措施。

（1）注漿工藝改進(jìn)。鉆孔揭露涌水后提出鉆桿，在孔內(nèi)下入少于孔深1.0 m左右的PPR管，PPR管外接頭與孔口法蘭盤連接。采取該措施后，鉆孔已注漿區(qū)段的PPR管外圍被水充填，注漿壓力有效集中在待注漿部位，避免了注漿壓力消散，通過(guò)高壓注漿能夠保證漿液有針對(duì)性地灌入待注段微裂隙中，從而保證漿液灌入率和擴(kuò)散半徑，減少了復(fù)注次數(shù)和重復(fù)掃孔工作量（被水充填部位無(wú)需掃孔）。PPR小導(dǎo)管注漿如圖1所示。

圖1 PPR小導(dǎo)管注漿示意

（2）注漿材料優(yōu)化。針對(duì)微裂隙或被泥沙充 填導(dǎo)致漿液擴(kuò)散半徑受阻部位，可采用超細(xì)水泥（1000目或1250目）作為注漿材料，保證漿液擴(kuò)散半徑和堵水效果。

3.3 破碎地層分支孔措施

針對(duì)因其他原因造成注漿中斷或滲透性較大地層而導(dǎo)致注漿量異常地段，可采用定向或人為鉆孔造斜措施施工分支孔，以反復(fù)多次注漿，從而起到加固圍巖和堵水作用。該措施雖增加鉆探工作量，但能有效保證堵水效果。

3.4 注漿孔超前管棚支護(hù)

針對(duì)治理區(qū)域內(nèi)存在較厚破碎帶，對(duì)破碎帶進(jìn)行支護(hù)處理采用“超前大管棚支護(hù)”（兩幫及拱頂部位），主要目的是提高巷道圍巖的整體性、抗?jié)B性和穩(wěn)定性，防止塌方引起涌水，起到整體支護(hù)作用。

管棚支護(hù)要充分利用探水、注漿鉆孔，減少投資成本，故布置注漿鉆孔需考慮到后續(xù)管棚支護(hù)因素，不能距離巷道斷面邊幫太大，否則難以起到支護(hù)作用。探水、注漿鉆孔距離巷道邊幫距離控制在2.0 m左右較合適，既能保證漿液封堵裂隙水，同時(shí)后期掘進(jìn)施工中又能起到支護(hù)作用。

探水、注漿鉆孔終孔口徑一般為Φ91 mm，故管棚支護(hù)材料為Φ73 mm（壁厚4.5 mm）無(wú)縫鋼管，連接方式采用“焊接”或“管箍”。無(wú)縫鋼管兩端應(yīng)搭接在破碎地層兩端完整地層至少1.0 m，相鄰鋼管的接頭應(yīng)至少錯(cuò)開1.0 m，保證沿巷道縱向方向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%[5]，管棚施工過(guò)程中為了防止注漿過(guò)程中發(fā)生串漿，每施工完一階段探水、注漿鉆孔即安設(shè)無(wú)縫鋼管并進(jìn)行注漿 封孔。

超前管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)需根據(jù)破碎帶地層破碎程度確定其支護(hù)密度，若破碎帶屬于破碎、極破碎程度，除探水、注漿孔下放管棚支護(hù)外，仍需在其鉆孔中間內(nèi)插支護(hù)孔，以便加密管棚支護(hù)密度。本工作面根據(jù)超前地質(zhì)孔取芯情況可知破碎帶屬于較破碎程度，故管棚支護(hù)利用探水、注漿鉆孔進(jìn)行超前管棚支護(hù)即可，后期掘進(jìn)施工中再配合適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)、掘進(jìn)形式，如采用“超前小導(dǎo)管支護(hù)”、“多打眼、少裝藥”或“機(jī)械”、“人工挖掘”等手段，減少對(duì)破碎地層擾動(dòng)，防止發(fā)生坍塌、涌水事故。

4 探水和注漿鉆孔布置

考慮鉆探設(shè)備性能及注漿鉆孔一般采用“扇形”布置，若在巷道掌子面按照此形式布置鉆孔，鉆孔淺部破碎帶支護(hù)距離巷道掘進(jìn)斷面較近，后期爆破掘進(jìn)震動(dòng)存在一定的影響，且治理范圍越長(zhǎng)，鉆孔越深，后方治理范圍孔間距越大，漿液搭接不利于保證堵水效果，綜合考慮上述因素影響并結(jié) 合巷道圍巖完整情況，將巷道兩幫及拱頂拓寬 1.50 m，鉆孔布置在拓寬平面位置，以便于鉆孔施工，且減少支護(hù)結(jié)構(gòu)受爆破震動(dòng)影響，其具體鉆孔布置位置及參數(shù)見(jiàn)表1和圖2。

表1 探水和注漿鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 探水和注漿鉆孔平面布置及終孔落點(diǎn)示意

5 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）治理范圍。設(shè)計(jì)50 m/循環(huán)，根據(jù)巷道地層情況一般為治理50 m，掘進(jìn)40 m，預(yù)留10 m作為下一循環(huán)止?jié){巖冒，直至順利穿過(guò)斷層破碎帶 為止。

（2）鉆孔口徑。開孔口徑Φ130 mm，下放長(zhǎng)度不小于6 m的孔口管，其型號(hào)為Φ108 mm地質(zhì)管，采用水泥和水玻璃雙液漿進(jìn)行固管后并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不小于注漿終壓的1.2倍，終孔口徑為90 mm。

（3）注漿段長(zhǎng)控制。注漿段長(zhǎng)控制主要依據(jù)地層破碎程度、涌水量情況、鉆探設(shè)備性能等，遇到“卡鉆”或“涌水量較大”無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，需通過(guò)注漿固結(jié)地層及封堵裂隙確定注漿段。

（4）注漿形式。采用孔口封閉注漿法。

（5）注漿壓力。根據(jù)地質(zhì)資料情況和施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力控制在不小于2.5倍的水頭壓力[6]，考慮到該工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜、水壓高，且局部地層可注性較小，故將注漿終壓控制在水頭壓力的3倍。

（6）漿液擴(kuò)散半徑。漿液擴(kuò)散半徑影響因素主要為圍巖裂隙發(fā)育情況、注漿材料流動(dòng)性、注漿壓力和注漿流量[7]，通過(guò)前期該礦山地層注漿試驗(yàn)確定漿液擴(kuò)散半徑為2.5～3.0 m，考慮到本工作面地層復(fù)雜性，故本次設(shè)計(jì)漿液擴(kuò)散半徑為2.0 m。

（7）注漿材料及配合比。注漿材料主要采用水泥單漿液、水泥水玻璃雙液漿和超細(xì)水泥單液漿，水泥選用P·O 42.5水泥，水玻璃40～42 Be，模數(shù)不小于3.0。水泥單液漿適用于較大孔隙型受注層段，單液漿水灰比主要為5:1、3:1、2:1、1:1；水泥-水玻璃混合漿適用在孔口管固定和裂隙較發(fā)育區(qū)；超細(xì)水泥單液漿主要針對(duì)微裂隙地段，單液漿水灰比主要為6:1、5:1、3:1、2:1。

（8）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿壓力均勻持續(xù)上升達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，同時(shí)滿足鉆孔吸漿量：?jiǎn)我盒∮?0 L/min、雙液小于60 L/min，穩(wěn)壓時(shí)間不小于10 min，即可結(jié)束本次注漿。

6 治理效果

通過(guò)采取上述有針對(duì)性的處理措施治理后，在掘進(jìn)施工過(guò)程中破碎帶部位最大淋散水約20 m3/h， 處于可控范圍內(nèi)，經(jīng)有效的淋散水注漿治理后順利穿過(guò)了破碎帶，達(dá)到了預(yù)定的堵水、支護(hù)效果，節(jié)約了投資成本。

7 結(jié)論

（1）針對(duì)高水壓斷層破碎帶地層中泥、砂與水泥漿液膠結(jié)性差和微裂隙注漿工藝改進(jìn)、注漿材料選擇等分別采用沖洗置換、PPR管注漿等措施，確保了注漿堵水效果。

（2）針對(duì)巷道過(guò)富水?dāng)鄬悠扑閹鷰r穩(wěn)定性的問(wèn)題，在探水、注漿過(guò)程中充分利用了鉆孔并進(jìn)行超前管棚支護(hù)治理的思路，節(jié)約投資成本。

采用注漿堵水和超前大管棚技術(shù)相結(jié)合治理復(fù)雜的井巷斷層破碎帶是安全、高效、經(jīng)濟(jì)的方法，并在該礦山成功應(yīng)用，能為其他礦山解決類似問(wèn)題提供借鑒。