趙寶峰，胥海東

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710177；3.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 麥垛山煤礦，寧夏 銀川 750011）

注漿是破碎煤巖體加固的有效方法，廣泛應(yīng)用于煤礦井下圍巖控制，注漿加固是通過施加一定的壓力將不同類型的漿液注入到煤巖體中，隨著漿液的凝固，使破碎的煤巖體形成一個完整的整體，達(dá)到改善煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)及完整性的目的[1]。

注漿技術(shù)自從19 世紀(jì)初開始出現(xiàn)，主要用于礦井和隧道圍巖的加固，后來逐漸應(yīng)用于礦井的堵水工程，國內(nèi)外學(xué)者針對注漿理論、材料、方法、技術(shù)及應(yīng)用開展了大量的研究，取得了豐碩的成果。Lombardi[2]對漿液的擴(kuò)散特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了未考慮漿液時變性的擴(kuò)散半徑；Hassler[3]等考慮了裂隙傾角、水及漿液時變性等因素，得到了漿液的擴(kuò)散公式；Amadei[4]等給出了賓漢姆漿液在平行板之間的非穩(wěn)定流解析解，反應(yīng)了流核的變化；張慶松[5]等通過選擇適當(dāng)?shù)淖{材料和配套工藝，對隧道灰?guī)r角礫巖破碎帶涌水進(jìn)行了注漿治理；許延春[6]等根據(jù)注漿鉆孔涌水量對工作面底板突水危險區(qū)進(jìn)行劃分，指出斷層對底板富水性和注漿有著明顯的影響；徐斌[7]等探索了不同配比下漿液的穩(wěn)定性能及其沉積析水規(guī)律，并驗(yàn)證了漿液穩(wěn)定性直接衡量法與間接衡量法的等效關(guān)系；王俊杰[8]對空巷垮落區(qū)域劃分不同注漿區(qū)域、設(shè)計注漿鉆孔參數(shù)，針對不同注漿區(qū)域研發(fā)了多性能注漿材料；李金龍[9]等嘗試采用充填注漿、間歇式注漿及快速封堵注漿相結(jié)合的方式對工作面頂板裂隙進(jìn)行了封堵；秦勇[10]采用化學(xué)注漿材料GRT-103 對巷道集中淋水段進(jìn)行了注漿堵水；楊成忠[11]等針對隧道進(jìn)口段破碎程度高、完整性差、地下水發(fā)育等特點(diǎn)，確定以小導(dǎo)管預(yù)注漿和全斷面徑向注漿為主的加固方案；董宏宇[12]等采用不同的水泥漿對共面雙裂隙砂巖注漿充填，研究了不同注漿材料作用下砂巖的強(qiáng)度及變形破壞特征；方剛[13]等對煤層富水機(jī)理進(jìn)行了分析，通過注漿材料組合、鉆探注漿等工藝，在井筒與富水煤層之間形成帷幕，減少井筒涌水量。

以往針對東部礦區(qū)煤層底板水害防治開展的底板注漿加固和改造實(shí)踐較多，對于避免底板水害的發(fā)生起到了重要作用，近年來隨著西部侏羅紀(jì)煤炭資源開發(fā)力度加大，注漿技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于頂板水害防治。侏羅紀(jì)煤田主采煤層上覆通常為砂巖含水層，含水介質(zhì)以孔隙為主，部分區(qū)域受到地應(yīng)力或礦壓的作用，裂隙發(fā)育，當(dāng)掘進(jìn)巷道頂板覆巖中存在裂隙時，通常會溝通上覆含水層，造成集中涌水，甚至?xí)T發(fā)頂板事故。為此，采用了泄水降壓、引流注漿與間歇式循環(huán)注漿等方法對掘進(jìn)巷道頂板砂巖裂隙進(jìn)行封堵和加固，從而達(dá)到減小巷道頂板涌水和增強(qiáng)巷道圍巖完整性的目的。

1 研究區(qū)掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)條件

1.1 研究區(qū)概況

寧東煤田為我國批準(zhǔn)建設(shè)的14 個億噸級煤炭生產(chǎn)基地之一，包括鴛鴦湖、馬家灘和碎石井等礦區(qū)，麥垛山煤礦位于鴛鴦湖礦區(qū)南部，是寧東煤化工基地的主力供煤礦井。煤炭資源可采儲量11.4 億t，生產(chǎn)規(guī)模8.00 Mt/a，服務(wù)年限為102 年，主要可采煤層為2 煤、6 煤、18 煤。

1.2 掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)條件

2 煤巷道掘進(jìn)過程中主要受頂板直羅組下段含水層（Ⅱ含水層）和1～2 煤間延安組含水層（Ⅲ含水層）的威脅，Ⅱ含水層在井田內(nèi)廣泛分布，巖性主要為灰綠、藍(lán)灰、灰褐色夾紫斑的中、粗粒砂巖，夾少量粉砂巖或泥巖，底部為1 層厚層灰白、黃褐或紅色的含礫粗砂巖，通常稱“七里鎮(zhèn)”砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，且膠結(jié)程度較差。Ⅲ含水層在井田內(nèi)部分區(qū)域分布，巖性為灰白、黃褐或紅色的粗砂巖。Ⅱ含水層滲透系數(shù)為3.673～6.297 m/d，單位涌水量為3.74～5.83 L/（s·m），Ⅲ含水層滲透系數(shù)為1.741～2.184 m/d，并且通過放水試驗(yàn)查明2 個含水層之間存在密切的水力聯(lián)系[14]。

2 煤大巷在掘進(jìn)過程中實(shí)施了對Ⅲ含水層的探放水工程，2 煤大巷探放水鉆孔平、剖面圖如圖1。

圖1 2 煤大巷探放水鉆孔平、剖面圖Fig.1 Horizontal and sectional views of water exploration and drainage borehole in 2# coal roadway

根據(jù)鉆孔水量觀測資料，部分鉆孔水量較大，其中D6-4 和D2-4 鉆孔終孔水量分別為85.5 m3/h 和80 m3/h，D4-2 鉆孔終孔水量達(dá)到了151 m3/h，并且衰減速度較慢，進(jìn)一步說明Ⅲ含水層富水性和滲透性較強(qiáng)，同時Ⅱ含水層對Ⅲ含水層存在一定的水量補(bǔ)給。

110207 工作面為2 煤的首采工作面，2 煤頂板隔水層均值為9.62 m，其上部為Ⅲ含水層，均厚為12.83 m，工作面距離Ⅱ含水層平均32.54 m，Ⅲ含水層是工作面巷道在掘進(jìn)過程中的主要充水水源，Ⅱ含水層通過Ⅲ含水層對掘進(jìn)巷道進(jìn)行充水，通過鉆孔觀測，2 個含水層的水壓約1 MPa。110207 工作面綜合柱狀示意圖如圖2。

圖2 110207 工作面綜合柱狀示意圖Fig.2 Comprehensive column diagram of 110207 working face

2 掘進(jìn)巷道頂板涌水概況

110207 工作面機(jī)巷和輔運(yùn)巷的1#聯(lián)絡(luò)巷在掘進(jìn)過程進(jìn)行支護(hù)時，當(dāng)錨索鉆機(jī)鉆進(jìn)至5.1 m 時出現(xiàn)淋水，之后水量逐漸增大至20 m3/h，頂板隨即出現(xiàn)下沉，下沉量約50 mm，下沉段長度約4 m，通過在頂板下沉段架設(shè)木垛，避免了頂板事故的發(fā)生，頂板集中涌水導(dǎo)致巷道無法繼續(xù)掘進(jìn)，需要對頂板進(jìn)行相應(yīng)的治理。

結(jié)合涌水點(diǎn)巷道頂板覆巖分析，涌水點(diǎn)處巷道頂板粉、細(xì)砂巖隔水層正常厚度10 m 左右，錨索鉆機(jī)在鉆進(jìn)至5.1 m 時出現(xiàn)較大涌水，是由于鉆機(jī)在施工錨索孔時揭露了局部發(fā)育的裂隙，裂隙溝通上部Ⅲ含水層，導(dǎo)致頂板遇水軟化失穩(wěn)下沉。巷道頂板涌水的直接充水水源為Ⅲ含水層，裂隙為導(dǎo)水通道。根據(jù)前期放水試驗(yàn)結(jié)果，Ⅲ含水層與Ⅱ含水層存在較好的水力聯(lián)系，涌水點(diǎn)在短時間內(nèi)水量自然衰減的可能性較小，同時受到臨時排水系統(tǒng)的限值，故在巷道掘進(jìn)過程中針對頂板砂巖含水層不宜采用大規(guī)模疏水降壓。為了保障1#聯(lián)絡(luò)巷的盡快貫通，擬對涌水點(diǎn)巷道頂板砂巖裂隙進(jìn)行注漿封堵。

3 掘進(jìn)巷道頂板砂巖裂隙注漿技術(shù)

3.1 鉆探工程

3.1.1 長距離定向鉆孔

為了在對涌水點(diǎn)進(jìn)行注漿時避免過高的注漿壓力破壞巷道頂板，在涌水點(diǎn)兩側(cè)110207 工作面輔運(yùn)巷和機(jī)巷上部施工長距離定向鉆孔FY1-1 和FY1-2，鉆孔長度500 m，在平面上位于輔運(yùn)巷和機(jī)巷的正上方，在垂向上位于1～2 煤間延安組含水層底部，對含水層進(jìn)行泄水降壓，同時起到引流注漿的作用[15]。

3.1.2 常規(guī)鉆孔

常規(guī)鉆孔的鉆場布置在11 采區(qū)2 煤輔助運(yùn)輸巷靠近涌水點(diǎn)附近，鉆孔在平面上呈扇形布置，覆蓋涌水點(diǎn)及其周邊區(qū)域，長距離定向鉆孔與常規(guī)鉆孔平面布置圖如圖3。注漿鉆孔開孔與終孔位置剖面圖如圖4。各鉆孔參數(shù)與終孔涌水量一覽表見表1。

表1 各鉆孔參數(shù)與終孔涌水量一覽表Table 1 Parameters of each borehole and water inflow

圖3 長距離定向鉆孔與常規(guī)鉆孔平面布置圖Fig.3 Layout of long distance directional drilling and conventional drilling

圖4 注漿鉆孔開孔與終孔位置剖面圖Fig.4 Section drawing of opening hole and final hole of grouting hole

鉆孔開孔位置在剖面上呈“梅花狀”布置，分為上下2 排鉆孔，分別距離巷道底板2.5 m 和2.0 m，同排鉆孔開孔位置平距為0.7 m；上下排鉆孔終孔位置距離1#聯(lián)絡(luò)巷頂板分別為10.0 m 和6.0 m。鉆孔開孔和終孔位置呈“梅花狀”即可以實(shí)現(xiàn)對1#聯(lián)絡(luò)巷頂板砂巖全覆蓋，又可有效避免各鉆孔距離太近，容易發(fā)生串漿或溝通的現(xiàn)象。鉆孔施工時先施工下排編號為偶數(shù)的鉆孔，再施工上排編號為奇數(shù)的鉆孔。

由表1 判斷，D7 鉆孔在鉆進(jìn)至40 m 時涌水量達(dá)到了120 m3/h，遠(yuǎn)大于其它鉆孔涌水量，判斷其揭露了涌水點(diǎn)處的裂隙，D3 和D5 鉆孔的涌水量分別為7.2 m3/h 和3 m3/h，說明巷道頂板泥巖段靠近上部1～2 煤間延安組含水層處不同程度發(fā)育有裂隙，D3、D5、D7 鉆孔揭露了規(guī)模不等的裂隙，造成了涌水量較大，其中以D7 鉆孔終孔位置處裂隙規(guī)模最大。

3.2 注漿工程

注漿方式采用上行式注漿，注漿次序與鉆孔施工次序一致，后序施工的鉆孔可以對前序施工的鉆孔進(jìn)行引流注漿，并且可以作為補(bǔ)充注漿鉆孔，對前序鉆孔的注漿效果進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2.1 注漿材料及漿液配比

選用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥作為主要注漿材料，注雙液漿時，選用水玻璃的模數(shù)為2.4～2.8，濃度為30～45°Bé。

單液漿水灰比選擇范圍為：1∶0.8～1∶1.2，終孔涌水量較大的鉆孔初期注漿水灰比為1∶1.2，當(dāng)注漿壓力升高至1.5 MPa 以后，漿液水灰比逐漸降低至1∶0.8；其他終孔涌水量較小的鉆孔注漿水灰比為1∶0.8～1∶1。鉆孔注雙液漿時水灰比為1∶0.8，加入5%水玻璃。

3.2.2 注漿方案

當(dāng)鉆進(jìn)過程中鉆孔涌水量小于30 m3/h 時，可以選擇直接在孔口安裝注漿裝置進(jìn)行注漿。當(dāng)鉆孔涌水量大于30 m3/h 時，需安裝導(dǎo)水管將孔內(nèi)涌水通過導(dǎo)水管導(dǎo)出孔外，利于漿液到達(dá)孔底，進(jìn)而對砂巖進(jìn)行注漿加固。不同鉆孔涌水量時注漿方案示意圖如圖5。

圖5 不同鉆孔涌水量時注漿方案示意圖Fig.5 Schematic diagrams of grouting with different water inflow

D1 鉆孔在注漿過程中與FY1-2 鉆孔存在聯(lián)通現(xiàn)象，為了不影響FY1-2 鉆孔疏水降壓，D1 鉆孔注漿采用間歇式循環(huán)注漿，并且在后期注漿過程中將水泥漿更換為雙液漿，加速漿液的凝固。根據(jù)前節(jié)分析，D3、D5、D7 鉆孔揭露了規(guī)模不等的裂隙，故在后期對這幾個鉆孔進(jìn)行間歇式循環(huán)注漿。D7 鉆孔的首次注漿量最大，達(dá)到了45.6 m3，其次是D5 鉆孔（注漿量2.5 m3）；后期間歇式循環(huán)注漿過程中D5 和D7鉆孔注漿量最大，分別為17.7 m3和14.1 m3，說明了前期涌水量較大的鉆孔注漿量也相應(yīng)較大，即裂隙發(fā)育區(qū)域注漿量較大，而對于相對完整地層的砂巖注漿量則較小，各孔的注漿結(jié)束壓力為2 MPa。各注漿孔注漿量一覽表見表2。

表2 各注漿孔注漿量一覽表Table 2 List of grouting quantity of each grouting borehole

3.3 砂巖裂隙注漿效果

1）鉆探取心。未注漿前在鉆探過程中對D7 鉆孔進(jìn)行了取心，其取心率為36.64%，說明D7 鉆孔揭露的裂隙周邊地層較為破碎；在注漿后施工了1 個鉆孔對注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，D8 鉆孔取心率達(dá)86.7%，說明注漿對巷道頂板的裂隙進(jìn)行了有效封堵，頂板巖層完整，取心率較高。

2）巷道頂板涌水。D7 鉆孔鉆進(jìn)至28.5 m 時涌水量達(dá)120 m3/h，此處距離巷道頂板5.5 m，與錨索鉆機(jī)鉆進(jìn)至巷道頂板5.1 m 開始淋水增大相一致，說明D7 鉆孔揭露了規(guī)模較大的裂隙，并且D7 鉆孔注漿量是本次總注漿量的57.78%，通過間歇式循環(huán)注漿，110207 工作面1#聯(lián)絡(luò)巷頂板已無淋水，巷道頂板的原始裂隙導(dǎo)水通道得到了封堵。

3.4 應(yīng)用情況

針對110207 工作面機(jī)-輔1#聯(lián)絡(luò)巷頂板涌水進(jìn)行了砂巖裂隙注漿，對巷道頂板發(fā)育的裂隙空間進(jìn)行了注漿充填，實(shí)現(xiàn)了對頂板破碎帶加固的同時有效減少了掘進(jìn)巷道頂板涌水量。與110207 工作面相鄰的110205 工作面帶式輸送巷機(jī)頭硐室和110207工作面風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中也出現(xiàn)了類似110207 工作面機(jī)-輔1#聯(lián)絡(luò)巷的頂板涌水情況，由于錨索孔和局部發(fā)育的裂隙導(dǎo)通Ⅲ含水層，巷道頂板出現(xiàn)不同程度下沉、漿皮開裂，同時頂板淋水量大幅增加。在采取了局部泄水降壓和注漿封堵裂隙后，巷道頂板的涌水量顯著減小，說明頂板砂巖裂隙注漿技術(shù)是治理掘進(jìn)巷道頂板集中涌水的有效方法。頂板砂巖裂隙注漿技術(shù)應(yīng)用區(qū)域及效果見表3。

表3 頂板砂巖裂隙注漿技術(shù)應(yīng)用區(qū)域及效果Table 3 Application area and effect of grouting technology for sandstone roof fissure

4 結(jié) 語

1）掘進(jìn)巷道頂板砂巖裂隙注漿時需要泄水降壓和注漿封堵同時進(jìn)行，可提高注漿的效率，并且避免局部注漿壓力過高，破壞頂板的完整性。

2）相對完整的砂巖注漿效果并不是很好，而對于揭露裂隙的鉆孔涌水量較大，并且注漿量也較大，說明裂隙發(fā)育的砂巖注漿效果較好。

3）注漿可以有效封堵裂隙，同時實(shí)現(xiàn)加固圍巖的目的，通過在3 個區(qū)域?qū)嵤┝松皫r裂隙注漿堵水技術(shù)，顯著減少了掘進(jìn)巷道頂板集中涌水量。