巷道頂板滲淋水多層次注漿治理技術(shù)*

惠金衛(wèi)，馬小衛(wèi)，王言龍，錢自衛(wèi)

(1.華能集團華亭煤業(yè)集團有限責(zé)任公司山寨煤礦，甘肅 平?jīng)?744000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

礦井穿含水層或頂板臨近含水層的巷道多存在不同程度地滲淋水現(xiàn)象[1 -2]。巷道淋水主要有沿錨桿、錨索眼與孔壁的間隙出水及巷道圍巖孔裂隙出水2種形式。錨桿、錨索眼出水主要由于孔眼溝通了頂板含水層而又沒有采用全孔錨固措施。巷道頂板圍巖孔裂隙淋水主要由于巷道掘進前未采取預(yù)注漿措施或采取的治理措施治理效果不理想所致。特別是在我國西北地區(qū)煤炭主產(chǎn)區(qū)鄂爾多斯盆地廣泛分布的洛河組、直羅組下段、延安組砂巖含水層，常呈現(xiàn)富水弱滲特征，水害預(yù)注漿治理的難度較大，治理后巷道掘進還會呈現(xiàn)一定的滲淋水現(xiàn)象。

巷道淋水將嚴(yán)重惡化礦井的運行環(huán)境，增加排水的費用[3 -5]；特別是當(dāng)淋水有腐蝕性時，長期淋水將腐蝕錨桿、錨索、網(wǎng)片等鐵質(zhì)支護結(jié)構(gòu)，還會對混凝土襯砌或噴漿層強度產(chǎn)生影響，嚴(yán)重弱化巷道支護強度，可能引發(fā)變形、破裂，甚至冒頂事故。另外，在我國北方由于冬季寒冷，部分礦井由于近井口巷道淋水會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，威脅巷道的運行安全。

華亭煤業(yè)山寨煤礦井底車場巷道淋水嚴(yán)重，且冬季有結(jié)冰現(xiàn)象，長期影響車場的正常運轉(zhuǎn)，通過合理的注漿孔布置、注漿工藝參數(shù)設(shè)計、注漿材料選擇，再加上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織，有效控制了頂板淋水。

1 巷道頂板淋水情況

山寨煤礦井底彎道車場巷道有相對集中淋水段，段長跨度約80 m，實測涌水量約為2 m3/h。出水點主要分布于巷道頂部，以圍巖裂隙零星淋水和部分錨索眼集中出水點為主。淋水段巷道采用錨網(wǎng)索噴支護，噴漿厚度100 mm。冬季巷道內(nèi)存在淋水結(jié)冰問題，嚴(yán)重影響礦井運輸安全，且每年投入大量人力物力財力進行積水抽排和巷道維護，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)。設(shè)計采用注漿治理方式，把治理段滲淋水量控制在0.05 m3/h以下，消除井底車場巷道冬季結(jié)冰問題。淋水段剖面位置如圖1所示。

2 淋水段地質(zhì)條件及治理思路

2.1 淋水段地質(zhì)條件

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，井底車場淋水段位于中侏羅統(tǒng)延安組第3段(J2y3)承壓含水層。該含水層巖性為細(xì)砂巖 -粗砂巖，在礦井厚度10.71～41.79 m，平均28.70 m，為一復(fù)合含水層，水頭標(biāo)高1 451 m左右。單孔涌水量1.90～13.91 m3/d，單位涌水量0.47×10-3～3.73×10-3L/s·m，滲透系數(shù)1.7×10-3～6.53×10-3m/d，水化學(xué)類型主要為HCO3—Mg·Ca·Na及SO4—Na型，礦化度為1.00～4.32 g/L。含水層水質(zhì)對混凝土具硫酸鹽弱 -強腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

2.2 治理思路

注漿治理方案的選擇主要依據(jù)巷道滲淋水量、形式、所穿過的地層水文地質(zhì)條件、圍巖結(jié)構(gòu)、支護材質(zhì)、注漿目的等主要因素綜合確定。由于對最終剩余水量要求嚴(yán)格，本次注漿要標(biāo)本兼治，以注漿堵水為主，加固圍巖為輔。既解決當(dāng)前涌水比較大的問題，又對今后巷道安全構(gòu)成威脅的含水通道進行治理。由于主要漏水點處于含水巖層部位，宜采取錨索眼專門注漿封堵、圍巖漏水注漿封堵和深孔帷幕注漿相結(jié)合的方案。

注漿采取的主要措施有：①針對個別出水的錨索眼，采用注漿方式進行專門性封堵；②對滲淋水巷道采用圍巖注漿，重點對集中滲漏出水點進行注漿封堵，達到控制圍巖出水量的要求；③深孔滲透注漿，布置深孔、通過漿液的高壓滲流提高漿液的擴散范圍，達到切斷滲漏水通道、封堵水源的目的，同時可以破壞松散巖體、裂隙。由于漿液在裂隙中的膠結(jié)作用，使破碎體重新膠結(jié)成整體，形成一個可以承受外載的注漿殼，充分發(fā)揮其自穩(wěn)能力，達到加固和堵水的雙重目的。

3 錨索眼出水注漿治理方案

礦井錨索眼出水封堵方法的實施步驟為：拆除需要進行滲漏水治理錨索上的螺母、托盤→采用取芯鉆具套孔、套錨索鉆進→安裝孔口管→注漿封堵錨索眼滲漏通道→拆除尾段孔口管→恢復(fù)安裝錨索上的螺母、托盤。錨索眼出水原理如圖2所示。

1-圍巖壁；2-錨索；3-孔口管內(nèi)段；4-孔口管外段；5-間隙；6-圍巖；7-裂隙；8-錨固劑；9-漿液結(jié)石體圖2 錨索眼出水治理原理Fig.2 Principle of anchor cable hole effluent treatment

拆除需要進行滲漏水治理錨索上的螺母、托盤：確定需要治理的處于滲漏水狀態(tài)的錨索眼，拆除錨索上已安裝的螺母、墊片、托盤。

采用取芯鉆具套孔、錨索鉆進：選用取芯鉆具，對需要處理的錨索眼進行套孔鉆進，鉆進時鉆具套住錨索。套孔鉆進采用的巖芯管內(nèi)徑大于錨索直徑10 mm左右。套管鉆進的孔深一般不低于600 mm。套孔鉆進完成對套孔段進行沖孔。

安裝孔口管：根據(jù)套孔段鉆孔的孔徑選擇適當(dāng)外徑、長度的孔口管，孔口管采用《煤礦立井井壁注漿施工規(guī)范》NB/T 10527—2021[6]中孔口管的形式。通過馬牙扣及馬牙扣上纏繞麻絲或棉紗等增加孔口管與圍巖的聯(lián)系。孔口管分2節(jié)，外漏段稍長于錨索外漏段10～20 mm，內(nèi)部段長度略短于套孔深度10～20 mm。

注漿封堵錨索眼滲漏通道：孔口管安裝完成后，錨索的原外漏部分也處于孔口管中，在孔口管安裝閥門，連接注漿管路，對錨索眼進行注漿作業(yè)。注漿采用無腐蝕性質(zhì)的注漿材料，一般選用水泥 -水玻璃漿液，注漿壓力需低于錨索的抗拔力。注漿臨近結(jié)束，注漿泵向孔口管注入少量清水，清水注入量與孔口管外漏段內(nèi)部空間一致。

拆除尾段孔口管：待漿液固化后，拆除外漏段的孔口管，由于注漿結(jié)束注入了一定量的清水，外漏孔口管內(nèi)無凝固的漿液，外漏段孔口管可拆除。

恢復(fù)安裝錨索上的螺母、托盤：拆除外漏段孔口管后，錨索外漏段漏出，恢復(fù)安裝錨索上的螺母、托盤，繼續(xù)發(fā)揮錨固作用。

4 頂板淋水點封堵及整體防滲方案

4.1 注漿孔布置

4.1.1 頂板相對集中淋水

單水點封堵施工時，在距離水點0.5～1.0 m的位置向水點過水通道及近水源位置施工2～4個注漿孔。先施工相對深的注漿孔，溝通水源，進行水壓疏導(dǎo)，使得出水點水量及水壓減小，為治理創(chuàng)造條件，然后施工相對淺的孔進行注漿，主注速凝漿液，通過返漿作用封堵出水點，最后對深注漿孔進行注漿，使?jié){液充分?jǐn)U散進而完全封堵出水通道。

4.1.2 圍巖帷幕防滲

考慮到注漿區(qū)域圍巖力學(xué)參數(shù)的不確定性，結(jié)合以往注漿工程的實踐經(jīng)驗，注漿鉆孔間距取3 m，注漿孔排距3 m，間距以頂板中心為點向兩幫均勻布孔，孔深2～4 m。注漿孔布設(shè)可根據(jù)現(xiàn)場施工探孔、圍巖出水情況、圍巖巖性及串漿情況做適當(dāng)調(diào)整。

4.1.3 兩端截流

為強化注漿效果，形成止水帷幕，注漿段兩側(cè)布置截水孔3排，鉆孔間距取2 m，注漿孔排距2 m，間距以頂板中心為點向兩幫均勻布孔，孔深3～5 m。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

采用YT-28風(fēng)動鑿巖機造孔，配中空六方鋼釬(1.5 m、2.5 m)“一”字形合金鉆頭，孔徑φ42 mm，預(yù)埋注漿孔口管?？卓诠懿捎帽诤癫恍∮? mm的鋼管加工，外端設(shè)置15～20 mm長的絲扣段，主體段加工成馬牙扣以增加孔口管與圍巖間的摩擦力，馬牙扣段長一般100～150 mm，扣深1.5～2.0 mm，絲扣段與主體段焊接有套環(huán)[6]。主體段具體長度根據(jù)現(xiàn)場需要選用。安裝時要求孔口管通體緊密纏麻絲或抹白厚漆，采用推進器進行穩(wěn)固安裝。

4.3 注漿工藝

集中淋水點注漿孔采用單次注漿工藝，鉆孔深度控制在2.0 m左右，鉆孔鉆至設(shè)計深度進行一次注漿即可。圍巖帷幕防滲注漿及兩端截流注漿均采用套孔復(fù)注工藝。圍巖帷幕防滲注漿孔先鉆至2.0 m進行初次注漿，漿液凝固后，原位套孔延伸至孔深4.0 m進行二次復(fù)注；兩端截流注漿孔先鉆至3.0 m進行初次注漿，漿液凝固后，原位套孔延伸至孔深5.0 m進行二次復(fù)注；二次復(fù)注工藝能提高注漿封水效果，防止出現(xiàn)注漿控制盲區(qū)及后期返滲現(xiàn)象，二次復(fù)注工藝原理如圖3所示。

圖3 二次復(fù)注工藝原理示意Fig.3 Schematic diagram of secondary repeated grouting process

4.4 注漿材料

水泥漿和溶膠樹脂化學(xué)漿混合液在顯微鏡下采集的圖像如圖4所示，圖像中深色大顆粒為水泥顆粒，粒間白色物質(zhì)為化學(xué)漿液，通過直觀對比可見2類漿液的形態(tài)區(qū)別，2種類型漿液“顆粒”的粒度差別在數(shù)10倍。

圖4 溶膠樹脂漿及水泥漿顯微圖片F(xiàn)ig.4 Micrograph of sol resin slurry and cement slurry

根據(jù)注漿段地質(zhì)條件，顆粒大的注漿材料很難注入；結(jié)合以往注漿經(jīng)驗，本次選用的注漿材料采取以水泥漿為主，超細(xì)水泥及化學(xué)漿為輔，具體根據(jù)現(xiàn)場實際選用，按照普通水泥漿液、超細(xì)水泥漿液、化學(xué)漿液的順序選用，在前序漿液無法滿足要求的情況下依次向后選擇。

4.4.1 普通水泥 -水玻璃雙液漿

水泥雙液漿：遵循“單液稀漿—單液稠漿—雙液漿”的原則。

W∶C取(水灰比)1.0∶1.5—1.0∶0.5

C∶S取(體積比)1.0∶0.4—1.0∶0.6

水泥選用425水泥，水玻璃取模數(shù)2.4～2.6 50 Bè和模數(shù)2.8以上 38 Bè。

4.4.2 超細(xì)水泥 -水玻璃雙液漿

超細(xì)水泥其最大粒徑小于20 μm，分割粒徑小于5 μm，比表面積大于5。超細(xì)水泥漿液穩(wěn)定性好，流動性比普通水泥有顯著改善，并在固結(jié)時很少析水或不析水，具有良好的防滲固結(jié)效果，其結(jié)石強度大大高于化學(xué)漿材，無污染，不老化。

4.4.3 化學(xué)漿液

選用溶膠樹脂漿液，懸浮微粒細(xì)小，漿液黏度低、可注性好，對微裂隙 -孔隙水效果明顯。孔隙溶膠乳液在物理性能(黏度、膠凝時間、聚合特點等)、強度性能(粘結(jié)強度、固砂強度)及高滲透性等方面可以滿足該工程的需要。另外，孔隙溶膠乳液具有穩(wěn)定性較好、揮發(fā)性能低、析水程度小，在煤礦井下可放心使用。

化學(xué)注漿采用中國礦業(yè)大學(xué)自主開發(fā)研制的ZK-Ⅲ溶膠樹脂漿液，國家發(fā)明專利號：ZL 201010278681.X。此種漿液配方對施工組織和管理要求較高，注漿過程中須根據(jù)注漿壓力、現(xiàn)場圍巖滲漏情況適時靈活地調(diào)節(jié)A、B液配比，以合理控制漿液的滲透性。注漿結(jié)束后，常溫下可達抗壓強度5～10 MPa；密度1.15；黏度50～70 MPa·s；粘結(jié)強度1.7～3.7 MPa；固化強度>8 MPa；漿液進入基巖空隙、裂隙開度0.06 mm。

4.5 注漿壓力

注漿壓力是漿液在圍巖中擴散的動力，它直接影響著注漿質(zhì)量和效果。注漿壓力過高會引起劈裂注漿而導(dǎo)致圍巖表面片幫冒頂?shù)绕茐?，壓力過小漿液難以向四周圍巖中擴散，選擇及合理運用注漿壓力是注漿成敗的關(guān)鍵。依據(jù)驗收規(guī)范及有關(guān)規(guī)定，注漿壓力按照大于靜水位與受注位置水頭壓力1.0 MPa的原則，注漿終壓為受注點靜水壓力的1.5～2倍，注漿時可根據(jù)圍巖情況和注入量適當(dāng)提高。

5 治理實施及效果

按照注漿方案開展井底車場巷道頂板淋水的治理工作。合計封堵頂板錨索眼出水點15個，消耗普通水泥1.3 t，水玻璃0.5 t，封堵后錨索眼已無任何淋水現(xiàn)象；封堵相對集中的頂板淋水點12個，施工注漿孔42個，注超細(xì)水泥2.1 t，水玻璃0.8 t，化學(xué)漿液1.2 t，淋水點封堵治理較好；合計80 m淋水段施工帷幕防滲注漿孔26排，每排平均布孔4個，合計84孔，注普通水泥15 t，超細(xì)水泥6.5 t，注水玻璃2.8 t，化學(xué)漿液4.0 t；注漿段兩端部布置截流孔6排，合計24孔，注超細(xì)水泥0.5 t，水玻璃0.1 t。整體注漿治理后，治理段總淋水量控制在了0.05 m3/h之下，已無顯見淋水現(xiàn)象，達到預(yù)期治理效果。

6 結(jié)論

華亭煤業(yè)山寨煤礦井底車場有80 m跨度巷道淋水較為嚴(yán)重，總水量約2 m3/h，呈現(xiàn)錨索眼出水及圍巖裂隙多點滲淋水特征，滲淋水段為中侏羅統(tǒng)延安組第3段(J2y3)承壓含水層。設(shè)計采用錨索眼專門注漿封堵、圍巖漏水注漿封堵、深孔帷幕注漿及端部深部截流注漿相結(jié)合的治理方案，選用單孔單次注漿及二次套孔復(fù)注的施工工藝，結(jié)合普通水泥漿、超細(xì)水泥漿與化學(xué)漿組合應(yīng)用。治理過程合計施工注漿孔150個，消耗普通水泥16.3 t，超細(xì)水泥9.1 t，水玻璃4.2 t，化學(xué)漿液5.2 t。注漿后治理段總淋水量控制在了0.05 m3/h之下，已無顯見出水淋水現(xiàn)象，達到預(yù)期治理效果。