西柏樹礦巷道預(yù)注漿技術(shù)研究及應(yīng)用

張琳,孟慶學(xué),宋德林,張曉龍

摘要：西柏樹礦24號(hào)脈855 m中段西脈外運(yùn)輸巷圍巖破碎，伴隨有較大涌水，使得掘進(jìn)存在安全隱患大、單班臺(tái)效低、支護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。為了確保巷道掘進(jìn)的安全及效率，提出了超前探水結(jié)合超前預(yù)注漿、超前長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù)措施，給出了注漿孔工程布置、注漿工藝參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。結(jié)果表明：使用超前預(yù)注漿堵水、注漿加固，結(jié)合超前錨桿，保證了掘進(jìn)速度，安全系數(shù)大大增加，有效減少了人員在淋水環(huán)境下作業(yè)時(shí)間，取得了月進(jìn)尺45 m，支護(hù)成本下降13 %的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，可為類似礦山提供參考。

關(guān)鍵詞：巷道掘進(jìn)；破碎圍巖；涌水；預(yù)注漿加固；超前錨桿支護(hù)

中圖分類號(hào)：TD265.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）05-0024-04doi：10.11792/hj20230507

引言

在巷道開拓中，水害是主要的危害之一，不僅影響掘進(jìn)施工，同時(shí)容易造成井下突水，危害生命。注漿堵水是防治礦井水害的有效方法之一，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外礦山及建筑工程。相關(guān)學(xué)者在巷道注漿堵水、加固方面做了大量研究，孫曉剛等［1］利用超前預(yù)注漿技術(shù)對(duì)焦家金礦望兒山礦區(qū)含水構(gòu)造帶進(jìn)行了固結(jié)，有效阻止了涌水對(duì)巷道的影響。夏定華等［2］針對(duì)大水礦井巷道涌水的特點(diǎn)，采用注漿堵水的方式，形成注漿帷幕，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。曹勝根等［3］對(duì)焦作礦區(qū)巷道突水現(xiàn)象采取巷道預(yù)注漿技術(shù)，取得了良好的堵水效果。陳少帥等［4］運(yùn)用分段下行式注漿法圍繞巷道底板及兩幫進(jìn)行帷幕注漿，極大限度地避免或減輕砂巖裂隙含水層出水對(duì)生產(chǎn)的影響。姜建豐等［5］在龍?zhí)裂罔F礦運(yùn)用中深孔注漿技術(shù)與短注相結(jié)合的施工方法，取得了良好的治水效果。何沐［6］采用L型鉆孔地面預(yù)注漿技術(shù)將地面預(yù)注漿技術(shù)與定向鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，提高了圍巖的穩(wěn)定性，降低了開挖支護(hù)的難度。張超［7］利用超前金屬骨架與預(yù)注漿技術(shù)加固巷道周圍松軟煤巖體，保證了揭過(guò)煤層群的安全。王衛(wèi)生［8］采用高壓旋噴注漿技術(shù)對(duì)贊比亞謙比西銅礦垮幫后的工作面進(jìn)行注漿密實(shí)處理，取得了預(yù)期的效果。王同旭等［9］采用超前預(yù)注漿技術(shù)對(duì)小康礦巷道破碎圍巖進(jìn)行加固，有效防止了工作面端面冒頂。郝陽(yáng)軍等［10］應(yīng)用超前預(yù)注漿技術(shù)提高工作面頂板圍巖破碎巷道的穩(wěn)定性。

內(nèi)蒙古包頭鑫達(dá)黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司西柏樹礦（下稱“西柏樹礦”）24號(hào)脈855 m中段西脈外運(yùn)輸巷圍巖破碎，掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)大量涌水，不僅影響掘進(jìn)效率，還存在突水等安全隱患，為了保證掘進(jìn)安全及效率，需采取有效措施防治水害。上述工作為圍巖破碎、涌水巷道掘進(jìn)施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為西柏樹礦大水破碎圍巖掘進(jìn)提供借鑒，同時(shí)，由于各礦山圍巖及涌水特點(diǎn)各不相同，具體的注漿工藝、參數(shù)也有差別，因此西柏樹礦需根據(jù)自身?xiàng)l件，研究適合本礦特點(diǎn)的注漿工藝、參數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全、高效掘進(jìn)。

1工程背景

西柏樹礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市九原區(qū)阿嘎如泰蘇木，烏拉山中段，主要開采24號(hào)脈，礦體厚度0.21～4.74 m，平均厚度2.02 m，平均金品位1.53×10-6，品位變化系數(shù)105 %，礦體平均傾角68°。采用明豎井開拓，豎井深度380 m，井筒凈直徑5.0 m；采用3#罐籠提升，設(shè)計(jì)日提升能力800 t，采礦方法主要為淺孔留礦采礦法，年采礦能力10萬(wàn) t，年黃金產(chǎn)量150 kg［11］。

西柏樹礦855 m中段西脈外運(yùn)輸巷已施工至P260勘探線—P268勘探線，掌子面距離P268勘探線23 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)揭露情況及探水孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道掌子面右前方20 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，有多組橫向斷層，穩(wěn)固性很差，已施工鉆孔最大涌水量達(dá)到50 m3/h（見(jiàn)圖1），為涌水區(qū)域，圍巖破碎且有較大涌水將難以直接開挖巷道。為確保施工安全及進(jìn)度，需采取措施，加固圍巖及防止水害。

2堵水加固方案措施

水文地質(zhì)調(diào)查顯示，該區(qū)域的涌水主要來(lái)源是裂隙水，裂隙可能與山前溝谷有貫通處，裂隙為涌水提供了補(bǔ)給通道，單純疏干效果有限。預(yù)注漿可以在巷道與礦體之間形成止水帷幕，減少巷道涌水、淋水，改善作業(yè)環(huán)境，也能緩解礦井排水壓力，同時(shí)也可加固周圍巖體，提高整體穩(wěn)定性。為了改善掘進(jìn)條件，在855 m中段西脈外運(yùn)輸巷進(jìn)行“超前預(yù)注漿”堵水加固。依據(jù)施工巷道圍巖性質(zhì)、斷面及鉆孔出水量情況，注漿鉆孔設(shè)計(jì)為6個(gè)（見(jiàn)圖2），孔深為40 m，注漿長(zhǎng)度40 m，注漿加固范圍為設(shè)計(jì)巷道（2.2 m×2.4 m）開挖輪廓線外3.0 m，其中1#、2#孔上傾3.5°，3#、4#、5#、6#孔上傾、外傾3°，3#、6#孔兼作觀測(cè)孔。

注漿結(jié)束后根據(jù)鉆孔鉆探情況判斷注漿后圍巖破碎情況，若頂部圍巖極破碎，使用超前錨桿后，錨桿選用直徑50 mm的鋼管，根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露地質(zhì)情況確定錨桿長(zhǎng)度，對(duì)頂板形成支撐保護(hù)，保證掘進(jìn)安全。

3注漿工藝及參數(shù)選擇

3.1注漿方式選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用鉆注一體后退式注漿（見(jiàn)圖3）。為防止?jié){液漏失嚴(yán)重時(shí)造成浪費(fèi)，采用間隙注漿方式，使得先注入的漿液和巖層初步達(dá)到膠結(jié)后再注漿，循環(huán)注漿多次，直至達(dá)到規(guī)定最小注漿量和注漿壓力控制值。其工作過(guò)程是通過(guò)止?jié){墻安裝孔口管，用鉆頭鉆至出水點(diǎn)（水量＞3 m3），退出鉆桿，進(jìn)行測(cè)水、測(cè)壓，然后安裝壓蓋，關(guān)閉球閥，觀察情況，待無(wú)任何異常情況，開始注水，沖洗巖層通道，再注入漿液，由稀到濃間隙注漿，封堵孔隙，起到止水作用。達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力或注漿量后，進(jìn)行復(fù)鉆，鉆至出水點(diǎn)再次進(jìn)行注漿，反復(fù)施工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度，完成整個(gè)孔的注漿。

3.2 注漿材料

采用水泥、水玻璃相結(jié)合施工，漿液選用普通水泥漿和普通硅酸鹽水泥（水泥）-水玻璃雙液漿，普通水泥漿用來(lái)增加漿液的擴(kuò)散范圍和膠結(jié)體強(qiáng)度及耐久性，水泥-水玻璃雙液漿用來(lái)進(jìn)行封孔和控域注漿。其中，普通水泥漿水灰比（0.8～1）∶1；水泥-水玻璃雙液漿配比為水灰比（0.8～1）∶1，水泥與水玻璃體積比為1∶1，水玻璃濃度為38～42 °Be′，添加2 %～5 %的緩凝劑。

3.3注漿范圍

單次注漿長(zhǎng)度為40 m（根據(jù)水量變化，現(xiàn)場(chǎng)確定是否增加鉆孔個(gè)數(shù)及深度），斷面注漿范圍為巷道開挖輪廓線外擴(kuò)3.0 m，待本次注漿完成后，開挖30 m再進(jìn)行探水，根據(jù)探水情況決定是否注漿。

3.4注漿壓力

注漿壓力是注漿施工中的重要參數(shù)，它關(guān)系到注漿施工的質(zhì)量及是否經(jīng)濟(jì)。注漿壓力與地層孔隙發(fā)育程度、涌水壓力、注漿材料的黏度和凝結(jié)時(shí)間等有關(guān)，可按地下水靜水壓力計(jì)算，一般設(shè)計(jì)注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，最大可達(dá)到3～5倍，即p′

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)注漿壓力控制值為3.0～15.0 MPa。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

按設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中具體參數(shù)如下：鉆孔直徑90 mm，設(shè)計(jì)孔深40 m；布孔間距根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)靈活調(diào)整；注漿擴(kuò)散半徑3 000 mm；注漿壓力3.0～15.0 MPa（實(shí)際注漿中終止注漿壓力2.0～4.0 MPa）；初凝時(shí)間0.5～2.0 min。

工藝流程：設(shè)備人員進(jìn)場(chǎng)—孔位定點(diǎn)—鉆機(jī)成孔—漿液攪拌—注漿—提拔注漿管—注漿至設(shè)計(jì)深度—封孔。

具體實(shí)施過(guò)程中，首先封閉掌子面，制作止?jié){墻。在止?jié){墻上鉆淺孔，安裝孔口管，孔口管直徑比鉆頭直徑大10～20 cm，孔口管長(zhǎng)度2～3 m，外露不小于20 cm。通過(guò)法蘭盤將高壓球閥或止水裝置、止?jié){套筒安裝在孔口管上，止?jié){套筒上安裝泄壓閥，注漿前處于開啟狀態(tài)，注漿時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。通過(guò)止?jié){套筒及高壓球閥，開始鉆孔，鉆至設(shè)計(jì)深度后，加大用水量沖洗鉆渣及泥砂，鉆渣全部沖出后，停止鉆進(jìn)。將三通分水器的風(fēng)水管路關(guān)閉，打開注漿閥門。所有的連接件都已連接完全后開始?jí)核?，觀察止?jié){套筒上的泄壓閥，當(dāng)泄壓閥內(nèi)有水流出時(shí)，關(guān)閉泄壓閥，開始注漿，如果接頭部位均不漏漿，說(shuō)明管路暢通且密封良好。當(dāng)整個(gè)孔的注漿全部完成時(shí)，在拆卸鉆桿之前，必須先打開泄壓閥泄壓，防止高壓漿液噴射傷人。施工人員配備情況見(jiàn)表1。

5試驗(yàn)實(shí)施情況及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

855 m中段西脈外運(yùn)輸巷預(yù)注漿自2021年7月27日開始至8月16日結(jié)束，歷時(shí)20 d。注漿結(jié)束后，開展了掘進(jìn)工作，淋水量很小，小于0.5 m3/h，含水?dāng)鄬訋П挥行Х舛?，預(yù)注漿封堵水效果很好，巷道也得到了顯著加固，同時(shí)預(yù)埋的超前管起到了超前支護(hù)的作用，保持了圍巖強(qiáng)度，對(duì)超前泄壓也有一定作用（見(jiàn)圖4）。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)注漿技術(shù)在西柏樹礦破碎、大水巷道掘進(jìn)中可起到堵水、加固作用。

施工中采用超前預(yù)注漿技術(shù)，同時(shí)預(yù)埋的超前管起到了超前支護(hù)的作用，達(dá)到了良好的堵水效果，提高了作業(yè)安全性，節(jié)約了支護(hù)費(fèi)用。施工中部分炮孔因?yàn)樘娇壮霈F(xiàn)涌砂、塌孔，采取了重新布置鉆孔和預(yù)埋探管的方式。采用超前預(yù)注漿技術(shù)和未注漿技術(shù)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知：采用超前預(yù)注漿技術(shù)，月進(jìn)尺45 m，較未注漿時(shí)提高了30 m，且支護(hù)成本下降了13 %，取得了較好的效果。

6結(jié)論

1）超前預(yù)注漿技術(shù)結(jié)合超前錨桿支護(hù)可改善破碎、大水巷道掘進(jìn)作業(yè)條件，應(yīng)盡量避免鉆進(jìn)太深（＞45 m），采用30～40 m分段長(zhǎng)度，可取得理想的注漿效果。

2）作業(yè)人員在注漿后巷道內(nèi)作業(yè)，降低了巖石破碎和涌水的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)預(yù)先埋設(shè)了超前錨桿，增加了人員作業(yè)的安全性，改善了作業(yè)條件。

3）施工過(guò)程比較集中，對(duì)生產(chǎn)調(diào)節(jié)有很大幫助，節(jié)約了支護(hù)費(fèi)用。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］孫曉剛，劉洪偉，孫慶周，等.超前預(yù)注漿技術(shù)在焦家金礦望兒山礦區(qū)-630中段開拓施工中的應(yīng)用［J］.今日科苑，2010（15）：144.

［2］夏定華，郭志偉.大水礦井巷道掘進(jìn)預(yù)注漿技術(shù)應(yīng)用［J］.江西煤炭科技，2009（3）：68-69，76.

［3］曹勝根，程正剛，張?jiān)?，?巷道圍巖預(yù)注漿防突水技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33（2）：311-317.

［4］陳少帥，宋凱.預(yù)注漿技術(shù)在巷道過(guò)砂巖裂隙含水層中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2020，32（10）：27-30，76

［5］姜建豐，章林，遠(yuǎn)洋，等.預(yù)注漿治水技術(shù)在巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2014，30（3）：163-164.

［6］何沐.L型鉆孔地面預(yù)注漿技術(shù)在煤礦井下巷道加固工程中的應(yīng)用［J］.河北化工，2015，38（6）：70-72.

［7］張超.輔助巷、金屬骨架與預(yù)注漿技術(shù)在巷道揭過(guò)煤層群中的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)與管理，2014，39（4）：78-80.

［8］王衛(wèi)生.高壓旋噴注漿技術(shù)在副井施工中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2015，15（6）：36-39.

［9］王同旭，陸士良.掘修巷道超前注漿加固技術(shù)［J］.礦山壓力與頂板管理，1996（4）：52-54，63.

［10］郝陽(yáng)軍，郭亮，田元帥，等.下分層巷道掘進(jìn)過(guò)煤層頂板壓力破碎區(qū)注漿技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，45（3）：98-101.

［11］孟慶學(xué)，宋德林，李朝民.中深孔階段礦房采礦法在急傾斜薄礦體中的應(yīng)用［J］.黃金，2022，43（3）：36-39.

Research and application of roadway pre-grouting technology in Xibaishu MineZhang Lin1，Meng Qingxue1，Song Delin2，Zhang Xiaolong1

（1.Inner Mongolia Baotou Xinda Gold Mining Co.，Ltd.;

2.Institute of Mining and Coal，Inner Mongolia University of Science & Technology）

Abstract：The surrounding rock of the haulage way outside the 855 m level of the No.24 vein in Xibaishu Mine of Xinda company is broken，accompanied by a large amount of water gushing，which makes the excavation problematic with great potential safety hazards，low single-shift platform efficiency，and high support costs.To ensure the safety and efficiency of roadway excavation，the technical measures of in-advance water exploration combined with in-advance pre-grouting and in-advance long bolt support are put forward，the engineering layout of grouting holes and grouting process parameters are given，and the experimental research is carried out.The test results show that the use of in-advance pre-grouting for water plugging，grouting reinforcement，and in-advance bolt can ensure the excavation progress，greatly increase the safety coefficient，effectively reduce the operation time of personnel in the water-pouring environment，and obtain the economic and technical index of 45 m monthly footage and 13 % reduction of support costs，which can provide references for similar mines.

Keywords：roadway excavation;broken surrounding rock;water gushing;pre-grouting reinforcement;in-advance bolt support