井上下聯(lián)合注漿在巷道掘進(jìn)過導(dǎo)水?dāng)鄬又袘?yīng)用

郭曉軍

(山西汾西瑞泰正中煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031308)

當(dāng)井下巷道掘進(jìn)期間遇到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶時(shí)，巷道掘進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)圍巖變形、支護(hù)難度大以及圍巖淋水等各種問題，給巷道掘進(jìn)效率以及掘進(jìn)安全帶來制約[1-3]。由于斷層影響區(qū)內(nèi)煤巖體破碎、整體穩(wěn)定性較差以及強(qiáng)度較低，巷道圍巖無法給錨網(wǎng)索提供相對(duì)可靠、穩(wěn)定的錨固端，同時(shí)圍巖淋水、涌水等會(huì)嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)安全[4-6]。對(duì)斷層影響區(qū)進(jìn)行超前注漿不僅可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水通道封堵、提高巷道圍巖整體穩(wěn)定性，而且有助于提高巷道掘進(jìn)效率。受到井下施工條件制約，井下注漿距離較短，只能通過分段注漿同時(shí)止?jié){量較小，無法滿足巷道掘進(jìn)過大型斷層防治水以及圍巖加固需要[7]。隨著鉆進(jìn)設(shè)備以及鉆進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，地面注漿技術(shù)在煤礦防滅火、防治水等方面應(yīng)用不斷增加，通過地面注漿可實(shí)現(xiàn)大型斷層影響區(qū)內(nèi)大范圍加固，同時(shí)輔助井下注漿避免出現(xiàn)注漿空白帶，不僅有助于維護(hù)斷層構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)圍巖穩(wěn)定、降低圍巖變形量、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙封堵而且可有效避免巷道掘進(jìn)期間出現(xiàn)淋水、突水等問題，確保掘進(jìn)安全[8-10]。文中就以山西某礦2301運(yùn)輸巷掘進(jìn)過DF02斷層為工程實(shí)例，提出采用井上下聯(lián)合注漿方式對(duì)DF02斷層影響區(qū)內(nèi)導(dǎo)水裂隙以及破碎煤巖體等進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)巷道安全高效掘進(jìn)。

1 工程概況

山西某礦設(shè)定產(chǎn)能為200萬t/a，礦井現(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在3號(hào)煤層，埋深260 m，煤層厚度9 m，采用綜放開采工藝，采高控制在3.5 m、放煤高度5.5 m.2301運(yùn)輸巷為2盤區(qū)3煤主要運(yùn)輸巷道，承擔(dān)采區(qū)煤炭運(yùn)輸、行人以及進(jìn)風(fēng)等任務(wù)。巷道設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱型，采用綜掘方式掘進(jìn)，沿著3號(hào)煤層頂板泥巖掘進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料顯示，2301運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間會(huì)揭露有DF02斷層，該斷層落差超過45 m，斷層破碎帶寬度超過38 m，上下兩盤影響范圍均超過50 m.在DF02斷層影響范圍內(nèi)圍巖破碎、裂隙發(fā)育，同時(shí)斷層可能與底板承壓水以及頂板裂隙水含水層連通，在巷道掘進(jìn)過該斷層期間可能出現(xiàn)圍巖淋水、變形量大甚至突水等問題。

在DF02斷層影響范圍內(nèi)，通過施工鉆孔進(jìn)行超前注漿，可實(shí)現(xiàn)斷層影響范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙封堵并加固圍巖，以便實(shí)現(xiàn)2301運(yùn)輸巷安全高效掘進(jìn)通過DF02斷層。文中就對(duì)該礦現(xiàn)場(chǎng)采用的井上下聯(lián)合注漿技術(shù)工藝進(jìn)行分析。

2 井上下聯(lián)合注漿工藝

2.1 井上注漿工藝

2.1.1 注漿設(shè)備

井下注漿是通過鉆孔將地面制備好的注漿漿液注入到DF02斷層影響范圍內(nèi)，以便實(shí)現(xiàn)斷層影響區(qū)內(nèi)加固以及導(dǎo)水裂隙封堵。井上注漿采用的漿液為水泥漿，漿液通過高速旋輪機(jī)制作并將制備完成的漿液暫時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中，通過加壓泵、注漿鉆孔將漿液注入到斷層影響區(qū)。地面注漿時(shí)注漿泵注漿壓力控制在13 MPa，注漿流量控制在35～60 L/min.地面注漿鉆孔鉆進(jìn)深度設(shè)計(jì)為2 956 m，施工、注漿共耗時(shí)65 d，具體鉆孔參數(shù)如表1所示。

表1 地面注漿鉆孔參數(shù)

地面注漿鉆孔施工采用礦井引進(jìn)的ZYL-17000D履帶式液壓鉆機(jī)，鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩控制在17 000 N·m，配套使用的鉆桿類似為通纜鉆桿，可實(shí)時(shí)獲取鉆孔鉆進(jìn)軌跡并修正鉆孔鉆進(jìn)方位，以便提高鉆孔鉆進(jìn)精度。具體地面鉆孔施工時(shí)使用的鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配備情況及技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 地面鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配備情況及技術(shù)參數(shù)

2.1.2 注漿層位及注漿鉆孔布置

由于2301運(yùn)輸巷掘進(jìn)過斷層期間出水水源主要源于底板灰?guī)r承壓水含水層，含水層內(nèi)水通過DF02斷層破碎帶裂隙涌向掘進(jìn)空間，從而給巷道掘進(jìn)安全帶來影響。為此，地面注漿鉆孔注漿點(diǎn)主要集中在巷道底板，通過注漿封堵底板承壓水向回采巷道涌出量，以便實(shí)現(xiàn)巷道安全掘進(jìn)通過DF02斷層。在地面布置注漿鉆孔，注漿鉆孔有1個(gè)主孔以及4個(gè)分支孔，分支孔均從鉆孔二開位置分散并按照設(shè)計(jì)鉆孔層位鉆進(jìn)，通過分支孔注漿實(shí)現(xiàn)DF02斷層影響區(qū)導(dǎo)水裂隙以及巖體加固。通過對(duì)底板進(jìn)行注漿，可將底板改造成為隔水層，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水通道封堵以及消除底板承壓水給巷道掘進(jìn)影響。

地面注漿鉆孔施工完成后，通過地面注漿鉆孔向2301運(yùn)輸巷底板區(qū)域進(jìn)行注漿，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙封堵。注漿期間對(duì)鉆孔注漿壓力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)(圖1)，當(dāng)注漿壓力增至15 MPa后繼續(xù)穩(wěn)壓30 min即停止注漿。注漿采用分段注漿工藝，單段注漿長(zhǎng)度控制在10 m，注漿時(shí)間控制在15～30 min.注漿選用水泥單液漿，漿液水灰比控制在1∶1.08，在水泥漿中添加一定量的速凝劑改善注漿漿液性能。

圖1 地面鉆孔布置示意

2.2 井下注漿

在2301運(yùn)輸巷與DF02斷層相距超過70 m時(shí)，即通過鉆探+物探方式對(duì)斷層導(dǎo)水性以及圍巖破碎程度進(jìn)行探測(cè)。施工的探測(cè)鉆孔不僅可實(shí)現(xiàn)探測(cè)，而且可對(duì)斷層內(nèi)積水進(jìn)行疏排，并作為后續(xù)注漿孔使用。對(duì)斷層影響區(qū)內(nèi)裂隙進(jìn)行充填、涌水通道進(jìn)行封堵，以便降低巷道掘進(jìn)過斷層期間圍巖涌水量，提高巷道圍巖支護(hù)效果。具體巷道掘進(jìn)期間施工的探測(cè)鉆孔布置如圖2所示。施工的探測(cè)鉆孔可實(shí)現(xiàn)巷道頂?shù)装寮跋飵途蜻M(jìn)外輪廓線25 m范圍探測(cè)，鉆孔鉆進(jìn)使用ZLJ-400鉆機(jī)，鉆頭D45 mm、鉆桿長(zhǎng)度1 000 mm.

圖2 探測(cè)鉆孔布置圖

在2301運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭與至DF02斷層相距30 m時(shí)，無論施工的探測(cè)鉆孔是否出水均通過鉆孔向斷層內(nèi)進(jìn)行注漿。注漿選用漿液為水泥單液漿，注漿壓力控制在5～8 MPa.

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在2301運(yùn)輸巷與DF02斷層相距超過70 m時(shí)，即通過探測(cè)鉆孔對(duì)詳細(xì)探測(cè)斷層位置并對(duì)斷層內(nèi)積水進(jìn)行探測(cè)；在與斷層相距30 m時(shí)，對(duì)斷層進(jìn)行注漿，不僅可進(jìn)一步封堵導(dǎo)水裂隙、降低巷道掘進(jìn)期間圍巖淋水量而且可增強(qiáng)巷道圍巖強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

在2301運(yùn)輸巷掘進(jìn)過DF02斷層期間，巷道頂板未出現(xiàn)淋水情況、底板未有涌水，施工的探測(cè)鉆孔均未有出水情況。表明通過井上鉆孔對(duì)斷層導(dǎo)水裂隙進(jìn)行超前注漿封堵以及后續(xù)井下采用的超前疏排、注漿方式可實(shí)現(xiàn)斷層導(dǎo)水裂隙封堵，為2301運(yùn)輸巷安全掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件。同時(shí)2301運(yùn)輸巷采用錨網(wǎng)索噴+U型鋼架棚支護(hù)方式，可實(shí)現(xiàn)圍巖變形有效控制，后續(xù)監(jiān)測(cè)期間圍巖(頂?shù)装寮跋飵?最大變形控制在15 mm以內(nèi)，圍巖控制效果顯著。

4 結(jié) 語

1) 巷道掘進(jìn)過大型導(dǎo)水?dāng)鄬悠陂g，防治水治理難度大、影響掘進(jìn)安全不利因素多，如何實(shí)現(xiàn)巷道安全掘進(jìn)以及圍巖變形有效控制是巷道掘進(jìn)期間需重點(diǎn)解決問題。注漿是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水?dāng)鄬又卫淼闹饕胧?，通過注漿可封堵導(dǎo)水裂隙從而為巷道掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件。但是由于斷層影響范圍大、潛在的導(dǎo)水裂隙發(fā)育，若僅通過井下注漿方式進(jìn)行注漿封堵則面臨注漿材料運(yùn)輸量大、注漿鉆孔施工工程量大、注漿與巷道掘進(jìn)無法同步開展以及注漿地面施工受限等問題。地面注漿具備有施工方便、不會(huì)影響井下生產(chǎn)、效率高以及安全性好等優(yōu)點(diǎn)。文中以2301運(yùn)輸巷過DF02斷層為背景，采用地面注漿方式對(duì)巷道底板斷層影響區(qū)導(dǎo)水裂隙、涌水通道等進(jìn)行封堵，并實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)圍巖超前注漿加固。

2) 對(duì)地面及井下注漿鉆孔布置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)為確保2301運(yùn)輸巷掘進(jìn)過DF02斷層影響區(qū)安全，在地面超前注漿區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)時(shí)巷道掘進(jìn)迎頭仍布置探測(cè)鉆孔對(duì)斷層影響區(qū)進(jìn)行探測(cè)、超前疏排，并通過探測(cè)鉆孔對(duì)斷層進(jìn)行注漿，提高斷層影響范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度及穩(wěn)定性；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)過DF02斷層期間圍巖未出現(xiàn)淋水情況，同時(shí)變形量較小，巷道得以實(shí)現(xiàn)了安全高效過斷層。