張文明

【摘 要】 針對(duì)巷道掘進(jìn)過導(dǎo)水?dāng)鄬用媾R圍巖破碎、承載能力差、支護(hù)困難，涌水量大等問題，將深孔帷幕注漿技術(shù)應(yīng)用到巷道過導(dǎo)水?dāng)鄬又?，取得顯著效果。研究結(jié)果表明：（1）通過深孔帷幕注漿在巷道掘進(jìn)輪廓線外圍形成堵水帷幕圈、混凝土加固帷幕圈，降低巷道過斷層期間的涌水量、提高巖層承載能力;（2）堵水、加固帷幕圈范圍遠(yuǎn)大于巷道掘進(jìn)引起的圍巖松動(dòng)圈，掘進(jìn)引起圍巖裂隙不會(huì)對(duì)注漿堵水效果及圍巖承載力造成影響。采用深孔帷幕注漿為巷道通過導(dǎo)水?dāng)鄬觿?chuàng)造良好環(huán)境，保障了巷道掘進(jìn)安全，為礦井掘進(jìn)巷道過斷層防治水工作開展提供了切實(shí)可行的技術(shù)途徑。

【關(guān)鍵詞】 巷道掘進(jìn);導(dǎo)水?dāng)鄬?破碎圍巖;深孔帷幕注漿;圍巖加固;堵水

【中圖分類號(hào)】 TD745 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）01-0012-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

突水是礦井安全生產(chǎn)的主要事故，絕大多數(shù)礦井發(fā)生突水與斷層、褶曲及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。其中斷層一般是良好的導(dǎo)水通道，周邊巖層破碎、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差是造成礦井突水的主要原因。在巷道掘進(jìn)通過導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)，必須采取有效技術(shù)措施，才可以確保巷道掘進(jìn)安全。深孔帷幕注漿技術(shù)適用于裂隙、節(jié)理、富水地層中，可以有效封堵導(dǎo)水裂隙，提高破巖巖層穩(wěn)定性。根據(jù)深孔帷幕注漿技術(shù)特點(diǎn)，在山西某礦2采區(qū)2201運(yùn)輸巷過DF6-1導(dǎo)水?dāng)鄬又袘?yīng)用該技術(shù)，取得顯著效果。

1 工程概況

山西某礦2采區(qū)2201運(yùn)輸巷沿著2號(hào)煤層底板掘進(jìn)，2號(hào)煤層埋深480m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。在已經(jīng)完成支護(hù)范圍內(nèi)，圍巖控制效果顯著，未發(fā)生表層噴射混凝土開裂、煤壁片幫、頂板淋水等現(xiàn)象，圍巖變形量控制在較小范圍內(nèi)。但是巷道掘進(jìn)至DF6-1斷層50m時(shí)，施工的超前地質(zhì)探測(cè)鉆孔涌水量達(dá)到100m3/h以上，為了確保巷道掘進(jìn)安全在原有圍巖控制措施基礎(chǔ)上，增加布置排距800mmU型鋼棚。巷道掘進(jìn)至斷層10m距離時(shí)，圍巖變形量顯著增加，U型鋼棚出現(xiàn)被壓彎現(xiàn)象。具體煤層頂?shù)装鍘r性見圖1。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，2號(hào)煤層涌水來源為上覆粗粒砂巖裂隙含水層。前期2號(hào)煤層其他巷道掘進(jìn)期間未見頂板淋水，表明2號(hào)煤層頂板砂巖及泥巖具有較強(qiáng)的隔水性。

根據(jù)掘進(jìn)巷道探放水鉆孔排放水記錄，鉆孔涌水量在100m3/h以上，2號(hào)煤層上覆粗粒砂巖裂隙含水層涌水量在140m3/h，兩者的涌水量較為接近，同時(shí)2號(hào)煤層附近未有其他含水層，判定探放水鉆孔涌水是由于上覆粗粒砂巖裂隙水被DF6-1斷層聯(lián)通所致，具體巷道掘進(jìn)前方斷層結(jié)構(gòu)見圖2。

在2201運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭前方存在DF6-1、DF6-3斷層，同時(shí)不能排除兩個(gè)斷層附近存在的其他伴生小斷層。DF6-1落差在4m、DF6-3落差在12m，上覆粗粒砂巖裂隙水沿著斷層破碎帶向2號(hào)煤層頂板滲透、浸泡泥巖、砂巖，從而引起泥巖、砂巖出現(xiàn)軟化，強(qiáng)度降低。盡管巷道掘進(jìn)迎頭距離DF6-1仍有10m，但是頂板巖層在水作用下承載力降低，這也是導(dǎo)致巷道圍巖控制U型鋼棚被壓彎、頂板冒落的主要原因。

2斷層破碎巖層加固及堵水方案

2.1深孔帷幕注漿技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

在巷道迎頭進(jìn)行超前深孔注漿，并保留厚度5m的止水巖帽后可以確保后續(xù)巷道有100m以上安全掘進(jìn)距離。

注漿漿液有效擴(kuò)散范圍廣，能夠有效對(duì)導(dǎo)水裂隙進(jìn)行封堵，安全系數(shù)高。

巷道掘進(jìn)后在圍巖內(nèi)產(chǎn)生的新的微小裂隙擴(kuò)展范圍遠(yuǎn)小于帷幕注漿形成的堵水及加固圈范圍，對(duì)已經(jīng)實(shí)施的注漿加固方案不會(huì)造成影響。

2.2深孔帷幕注漿方案

為了確保深孔帷幕注漿止水效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)DF6-1及其他次生斷層可能存在的向2201運(yùn)輸巷涌水通道封堵，并在巷道周邊形成厚度圓形混凝土帷幕，具體設(shè)計(jì)的深孔帷幕注漿方案為：

2.2.1注漿鉆場(chǎng)

在距離掘進(jìn)巷道迎頭15m位置處布置2號(hào)鉆場(chǎng)，在2號(hào)鉆孔后方5m位置處布置1號(hào)鉆場(chǎng)，確保止水巖帽的有效厚度在10m以上且1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)間施工相互無干擾。

2.2.2注漿鉆孔

為了確保進(jìn)行深孔注漿后在巷道掘進(jìn)前方DF6-1斷層周邊形成厚度在10m以上的注漿封堵圈，注漿壓力按照3MPa進(jìn)行，注漿鉆孔漿液有效擴(kuò)展半徑為2.5m，注漿鉆孔布置見圖3、4，參數(shù)見表1。

2.2.3鉆孔套管

采用直徑φ42mm鉆桿配套直徑φ127mm鉆孔先施工2m深鉆孔。

在鉆孔孔口安裝直徑φ108mm一級(jí)套管，長(zhǎng)度2070mm，在套管的外露端焊接法蘭盤（直徑φ108mm），采用鉆機(jī)將一級(jí)套管頂入施工的鉆孔內(nèi)。

將套管外露端法蘭盤與托盤采用高強(qiáng)螺栓連接，后將直徑φ25mm高壓管插入到快速接頭內(nèi)，并開啟注漿泵，將注漿漿液充填鉆孔孔壁與一級(jí)套管間的孔隙，待漿液凝固后一級(jí)套管施工完畢。

采用直徑φ42mm鉆桿配套直徑φ89mm鉆頭從孔口一級(jí)套管底端鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度控制在80m。

2.3注漿材料

2201運(yùn)輸巷掘進(jìn)至DF6-1斷層附近時(shí)，圍巖變形嚴(yán)重，U型鋼棚出現(xiàn)壓彎、頂板出現(xiàn)巖層冒落。表明，巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)的圍巖自身承載能力低下，巖層松散，此外還受到斷層及涌水影響。因此，注漿材料應(yīng)首先選擇快速堵水材料，后選用圍巖加固材料。根據(jù)上述要求，在注漿過程中首先選擇水泥-水玻璃漿對(duì)導(dǎo)水裂隙進(jìn)行快速封堵，隨后采用封堵納米材料提高斷層影響范圍內(nèi)的圍巖承載能力及穩(wěn)定性，從而使得應(yīng)用的深孔帷幕注漿技術(shù)可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體采用的注漿材料優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

3注漿工藝及參數(shù)

3.1注漿加固范圍

由于2201運(yùn)輸巷掘進(jìn)前方存在DF6-1、DF6-3兩個(gè)導(dǎo)水?dāng)鄬?，兩個(gè)斷層間的水平距離在110m左右，并考慮到兩條斷層周邊的一些其他伴生斷層，巷道設(shè)計(jì)的注漿范圍為120m，分兩次進(jìn)行，每次注漿的范圍為80m。

3.2注漿壓力

注漿壓力對(duì)注漿漿液的有效擴(kuò)展范圍，裂隙充填程度以及導(dǎo)水裂縫封堵效果等均有顯著影響，為了達(dá)到封堵導(dǎo)水裂隙并提高破碎圍巖穩(wěn)定性、承載能力目的，選取確定的注漿應(yīng)能克服地層壓力以及涌水壓力影響。注漿壓力可以采用經(jīng)驗(yàn)公式確定，具體為：P=Po+2～4。

其中P表示注漿壓力;Po表示涌水壓力，取值為1MPa。

本次注漿選取的注漿壓力為計(jì)算值的上限值，即P=Po+4=5MPa。

3.3注漿量

注漿鉆孔單孔注漿量Q計(jì)算可以采用下式：

Q=πR2Lnaη

其中：R表示注漿漿液有效擴(kuò)展半徑，取值2.5m;L表示注漿段長(zhǎng)度，取值80m;n表示注漿巖層裂隙率，取值4%;α表示注漿漿液在裂隙中填充擴(kuò)展系數(shù)，取值0.9;η表示注漿漿液消耗率取值1.1。計(jì)算求得注漿鉆孔單孔注漿量為62m3。

3.4注漿順序、速度及停注標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)注漿鉆孔的涌水量高于100m3/h，注漿選取水泥—水玻璃雙液漿，注漿孔注漿速度控制在0.3m3/min;當(dāng)鉆孔涌水量小于100m3/h，注漿采取封孔納米材料，注漿孔注漿速度控制在0.2m3/min。

水泥漿中水灰比按照重量為1：0.8，水泥漿與水玻璃漿按照體積比為1：1。封孔納米材料水灰比控制在0.45：1。

當(dāng)注漿鉆孔的注漿量低于0.02m3/min，且注漿壓力達(dá)到5MPa、持續(xù)時(shí)間在10min以上時(shí)，則可認(rèn)為單個(gè)鉆孔的注漿量已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)需要。否則，應(yīng)持續(xù)對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿或者采用停歇方式進(jìn)行注漿，直至注漿滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4應(yīng)用效果分析

2201運(yùn)輸巷過DF6-1斷層前就采用深孔帷幕注漿技術(shù)，在巷道前方通過斷層外圍形成堵水帷幕，有效對(duì)斷層破碎帶范圍內(nèi)的導(dǎo)水裂隙進(jìn)行封堵，將巷道涌水量從注漿封堵前的100m3/h降低至25m3/min。同時(shí)通過深孔帷幕注漿，在巷道掘進(jìn)輪廓線外圍形成了混凝土帷幕，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層引起的破碎帶加固，提高了圍巖自身承載能力，確保了巷道掘進(jìn)安全。通過采用深孔帷幕注漿，實(shí)現(xiàn)了巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)U型鋼架棚支護(hù)滯后掘進(jìn)迎頭5m的圍巖控制方式。

通過采用深孔注漿帷幕，為2201運(yùn)輸巷順利通過DF6-1導(dǎo)水?dāng)鄬觿?chuàng)造有利條件，實(shí)現(xiàn)了巷道安全、順利通過該斷層。同時(shí)也為礦井掘進(jìn)巷道過斷層防治水工作開展積累可行經(jīng)驗(yàn)。

5結(jié)論

DF6-1斷層圍巖破碎，并與上覆粗砂巖裂隙含水層溝通，采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式無法有效對(duì)掘進(jìn)巷道圍巖進(jìn)行控制，通過運(yùn)用深孔帷幕注漿技術(shù)，在巷道掘進(jìn)輪廓線外圍形成堵水帷幕圈、混凝土加固帷幕圈，不僅降低巷道掘進(jìn)通過斷層期間的涌水量，而且提高巖層承載能力。

采用深孔帷幕注漿技術(shù)后，在保留10m止水巖帽后，巷道的安全掘進(jìn)距離可以達(dá)到100m以上，有效提升了巷道掘進(jìn)效率。

深孔帷幕注漿鉆孔漿液的有效擴(kuò)展半徑達(dá)到2.5m以上，能夠有效對(duì)動(dòng)壓水進(jìn)行封堵，減少動(dòng)壓水向掘進(jìn)巷道的涌水量，降低巷道后期掘進(jìn)難度，提升掘進(jìn)安全系數(shù)。同時(shí)采用深孔帷幕注漿加固技術(shù)后形成的堵水、加固帷幕圈范圍遠(yuǎn)大于掘進(jìn)巷道引起的圍巖松動(dòng)圈范圍，巷道掘進(jìn)引起圍巖裂隙不會(huì)對(duì)注漿堵水效果及圍巖承載力造成顯著影響。

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