潞寧煤業(yè)掘進(jìn)巷道頂板富水區(qū)域探查與注漿加固技術(shù)

韓玉春

（潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

1.1 工作面概況

潞寧煤業(yè)22117 工作面主采2#煤層，為侏羅系大同組上部煤層，煤層傾角3°～5°（平均4.5°），煤層厚度2.0～5.2 m，平均4.0 m，屬穩(wěn)定可采厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含有不連續(xù)薄層碳質(zhì)泥巖夾矸。煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

22117 工作面位于井田二二采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22115 采空區(qū)，煤柱15.3 m，下部為二二采區(qū)22119 回采工作面，未形成回采工作面，東南為2#煤層采區(qū)三條下山，西北部為該礦二二采區(qū)三條下山。

1.2 水文地質(zhì)條件

影響潞寧煤業(yè)公司22117 工作面安全生產(chǎn)的主要含水層為2#煤頂板的基巖孔隙裂隙水含水層和2#煤層與3#煤層之間的砂巖含水層及22115 采空區(qū)積水。其中：

（1）2#煤頂板含水層主要由大同組灰色砂巖組成，該水源主要沿2#煤層頂板的裂隙構(gòu)造、個別錨桿孔和錨索孔淋入工作面。

（2）2#煤層與3#煤層之間的砂巖含水層，水頭較高，流量小，屬多年貯存下來的水，在有構(gòu)造裂隙溝通或揭露含水層的情況下，將發(fā)生涌水現(xiàn)象。

（3）22115 綜采工作面采空區(qū)地勢為內(nèi)高外低，預(yù)計該工作面不存在大量積水，但仍需加強觀測。

1.3 工作面周邊構(gòu)造

22117 工作面區(qū)域地層整體為一南東向傾斜的單斜構(gòu)造，煤層走向N48°W，傾向S138°E。根據(jù)地面三維地震、井下工作面坑透、巷道揭露等資料綜合分析，22117 工作面已穿過陳半溝河區(qū)域，埋深在420～430 m，對22117 工作面回采不會產(chǎn)生影響。

2 探放水及注漿鉆孔設(shè)計

2.1 施工目的

通過在22117 工作面回采巷道掘進(jìn)前布置定向長距離鉆孔，對掘進(jìn)區(qū)域前方的2#煤層頂板富水異常區(qū)域進(jìn)行探查，并通過定向鉆孔進(jìn)行預(yù)放水，隨后通過鉆孔預(yù)注漿對圍巖進(jìn)行改造加固[1-6]，保證巷道的安全高效掘進(jìn)。

2.2 定向探放水鉆孔

（1）鉆孔設(shè)計原則

定向探放水鉆孔由鉆孔套管段、定向傾斜段及定向水平段組成。根據(jù)2#煤層的賦存條件及水文地質(zhì)情況，定向鉆孔長度一般在500 m 左右。鉆孔在巷道頂板上沿平面展開，向掘進(jìn)方向以一定的仰角傾斜施工，垂直高度為15 m，護(hù)壁套管的直徑為127 mm。鉆孔具體布置原則如下：

① 鉆孔目標(biāo)層位高度應(yīng)超過2#煤層的頂板泥巖層及錨索的支護(hù)高度。

② 設(shè)計鉆孔長度應(yīng)與鉆進(jìn)設(shè)備的能力相匹配。

③ 當(dāng)鉆進(jìn)深度在150 m 內(nèi)遇到鉆孔塌孔的情況時，先對鉆孔孔壁進(jìn)行注漿，加固破碎圍巖體。若加固后仍無法正常鉆進(jìn)時，應(yīng)停止施工并封孔，待巷道掘進(jìn)過塌孔區(qū)域時再布置鉆孔；而當(dāng)在鉆進(jìn)深度超過150 m 時遇到塌孔的情況，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，待巷道掘進(jìn)過塌孔區(qū)域時再布置鉆孔。

（2）鉆孔參數(shù)設(shè)計

為避免定向鉆孔施工影響巷道的正常掘進(jìn)，需在巷道內(nèi)施工專用鉆場硐室，將配套設(shè)備布置在硐室內(nèi)進(jìn)行鉆孔施工。鉆場寬×深×高=6.0 m×5.0 m×4.0 m，在巷道內(nèi)每隔400 m 布置一個鉆場，共計布置5 個鉆場。定向鉆孔總工程量為4573 m，具體鉆孔參數(shù)見表2。

表2 定向鉆孔具體參數(shù)

2.3 富水區(qū)注漿鉆孔設(shè)計

定向鉆孔探查到富水異常區(qū)域后，先進(jìn)行放水，然后另設(shè)鉆孔采取注漿加固的方式進(jìn)行堵水。注漿鉆孔的具體設(shè)計如下：

（1）注漿鉆孔終孔位置位于煤層上方10 m 處，漿液加固范圍應(yīng)覆蓋巷道圍巖松動圈，鉆孔間距5 m，起始鉆孔布置在富水異常區(qū)30 m 的范圍內(nèi)。

（2）鉆孔長度根據(jù)實測水壓確定，鉆孔直徑為90 mm。

（3）注漿漿液的水灰比為0.5:0.8，漿液所用水泥的強度等級高于42.5。

2.4 注漿鉆孔封孔工藝

（1）為確保漿液能夠均勻地充實套管及孔壁間隙，孔口管的外露長度應(yīng)小于0.3 m，并間隔120°安裝扶正裝置。

（2）在孔口外環(huán)埋設(shè)長度大于1.5 m 的注漿管，并在注漿管管口安設(shè)逆止閥。

（3）通過注漿管將水泥漿注入環(huán)向孔口，并候凝8～10 h。

（4）待孔口候凝結(jié)束，進(jìn)行二次注漿，注漿壓力控制在2 MPa 以內(nèi)，待填滿套管與孔壁間隙后，停止注漿。

2.5 鉆孔注漿工藝流程

（1）先用一級套管進(jìn)行注漿，待孔口出現(xiàn)返漿后，停止注漿，用水泥漿及玻璃水混合材料對一級套管與鉆孔的間隙進(jìn)行封堵。

（2）二級套管及三級套管注漿時，先打開一級套管的截止閥，然后進(jìn)行注漿，待截止閥返漿后，將其關(guān)閉，然后按照設(shè)計的注漿壓力進(jìn)行注漿。

（3）為保證注漿效果，需對各級套管進(jìn)行耐壓試驗，其中一級套管耐壓為7 MPa，二級及三級套管的耐壓為13 MPa。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 富水異常區(qū)探查情況

以施工結(jié)束的FZ1 鉆場為例，其具體探查結(jié)果如下：

（1）FZ1-1 號鉆孔探查異常區(qū)的剖面圖如圖1。圖中縱坐標(biāo)為標(biāo)高，橫坐標(biāo)為巷道走向剖面。

圖1 FZ1-1 號鉆孔探查異常區(qū)剖面圖

鉆孔鉆進(jìn)至60 m時遇水，水量較小，為2.8 m3/h，隨后水量減少，鉆進(jìn)至93 m 時見水，水量為16 m3/h，鉆進(jìn)至130 m 時的水量猛增至47 m3/h，鉆進(jìn)至185 m 處時的水量為62 m3/h，鉆進(jìn)至233 m 處的水量增加至77 m3/h，鉆進(jìn)至301 m 處時，水量增加至84 m3/h，鉆進(jìn)至342 m 處時的水量為91 m3/h，隨后的鉆進(jìn)過程中水量基本保持在91 m3/h 左右，鉆進(jìn)至終孔450 m 處時的水壓為1.1 MPa，提鉆后的水量為106 m3/h。由FZ1-1 號鉆孔探查結(jié)果可知，該鉆孔探查區(qū)域內(nèi)93 m、130 m、85 m、233 m、301 m、342～450 m 等區(qū)域為富水異常區(qū)，需對其進(jìn)行注漿加固。

（2）FZ1-2 號鉆孔探查異常區(qū)的剖面圖如圖2。圖中縱坐標(biāo)為標(biāo)高，橫坐標(biāo)為巷道走向剖面。

圖2 FZ1-2 號鉆孔探查異常區(qū)的剖面圖

鉆孔鉆進(jìn)至60 m時遇水，水量較小，為2.8 m3/h，隨后水量減少，鉆進(jìn)至74 m 時見水，水量17 m3/h，鉆進(jìn)至104 m 時的水量猛增至29 m3/h，鉆進(jìn)至188 m 處時的水量為42 m3/h，鉆進(jìn)至201 m 處的水量增加至55 m3/h，鉆進(jìn)至218 m處時水量增加至62 m3/h，鉆進(jìn)至264 m 處時的水量為74 m3/h，鉆進(jìn)至320 m處時的水量為80 m3/h，鉆進(jìn)至357 m 處時的水量為91 m3/h，隨后鉆進(jìn)過程中水量基本保持在91 m3/h 左右，鉆進(jìn)至終孔450 m 處時的水壓為1.1 MPa，提鉆后的水量為101 m3/h。由FZ1-2 號鉆孔探查結(jié)果可知，該鉆孔探查區(qū)域內(nèi)74 m、104 m、188 m、201 m、218 m、264 m、320 m、357～450 m 等區(qū)域為富水異常區(qū)，需對其進(jìn)行注漿加固。

3.2 富水異常區(qū)注漿效果

掘進(jìn)前對FZ1 鉆場的2 個鉆孔探查的富水異常區(qū)域進(jìn)行注漿封堵，注漿長度為100 m，注漿結(jié)束后，圍巖表面及孔口未出現(xiàn)滲流水情況，說明該注漿技術(shù)有效封堵了含水層的裂隙通道，取得了良好的堵水效果。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)潞寧煤業(yè)22117 工作面回采巷道的賦存條件及2#煤層的水文地質(zhì)條件，對定向長距離探放水鉆孔及注漿鉆孔的參數(shù)及工藝進(jìn)行了設(shè)計。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，定向長距離探放水鉆孔通過水量變化精準(zhǔn)探查出掘進(jìn)面前方的富水異常區(qū)。根據(jù)探查結(jié)果進(jìn)行注漿加固后，消除了圍巖的滲流水情況，保證了巷道的安全高效掘進(jìn)。