防治水災害中巷道過斷層破碎帶注漿技術的應用與探討

蔡 驥

（山西焦煤西山煤電（集團）公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

0 引言

煤炭資源在我國經(jīng)濟發(fā)展中占有極為重要的地位，是我國經(jīng)濟發(fā)展的基石[1]。近年來，隨著易采資源的逐漸枯竭，復雜地質(zhì)條件煤層開采成為煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)展方向[2]。其具體難度在巷道掘進方面，體現(xiàn)為巷道過斷層破碎帶，尤其當巷道受到突水威脅時的防治水的問題，若防治水作業(yè)出現(xiàn)失誤，則會直接導致淹井事故的發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，近一段時期，巷道掘進突水淹井事故不斷發(fā)生并呈現(xiàn)相互增長趨勢，嚴重影響煤礦企業(yè)的安全高效生產(chǎn)[3]。若防治水作業(yè)過度，則會嚴重影響煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益。

眾多學者從不同角度對巷道掘進時防治水的理論分析和技術措施方面進行了研究，學者宗義江[4]基于礦井遇到的高承壓水巷道掘進實際問題，利用數(shù)值模擬的方法，分析了高承壓水巷道的突水機理，提出了巷道多級支護方法。學者董守義[5]從礦井防治水實際出發(fā)，提出了管棚支護與巷道注漿技術相結合的措施。但這些研究并用從防治水系統(tǒng)出發(fā)，沒有將理論與實際有效結合，無法對現(xiàn)場實際進行有效指導。

本文針對屯蘭礦南翼8#煤膠帶巷過斷層破碎帶防治水的工程實際出發(fā)，對巷道過斷層破碎帶的巷道掘進與防治水工程提出了一整套行之有效的措施，有效降低了巷道突水危險系數(shù)，保證了屯蘭礦的高效安全生產(chǎn)。

1 掘進工作面概況

1.1 掘進工作面概況

工作面地表位于原平河及梁莊村以東，房車溝附近，臨近設計的南六回風井，地面標高1041～1087m，蓋山厚度384～407m。井下北西接南翼8#煤膠帶機巷，臨近土地溝斷層下盤，南西鄰南六回風巷(已施工300m至南六風井底)。巷道由從K21號點前5.4m處開始以+3.6°起坡，方位143°18′向前施工156m，然后以+3‰向前施工106m，拐彎與南六回風巷貫通。

1.2 地質(zhì)構造情況

根據(jù)已施工的南六回風巷揭露情況分析，巷道向前21m揭露土地溝斷層（H=90∠70°，破碎帶寬度40m），另外向前施工還將揭露數(shù)條大小不一的正斷層。

2 水文地質(zhì)情況

2.1 土地溝斷層情況

土地溝斷層在該巷道揭露落差為90m，該斷層從結構面性質(zhì)看應為壓扭性正斷層，巖層較為破碎，裂隙發(fā)育，破碎帶以煤屑和砂巖充填，鏡面擦痕明顯，下盤有明顯牽引。

2.2 斷層處奧灰峰峰組富水性評價

斷層破碎段全區(qū)帶壓，主要含水層為奧陶系灰?guī)r含水層，該區(qū)奧灰含水層富水性中等，奧灰水混合水位靜水位標高為860m，工作面底板標高670～680m，工作面水壓1.80～1.90MPa，土地溝斷層下盤段及破碎帶突水系數(shù)0.0629～0.0643MPa/m，上盤段突水系數(shù)0.0237～0.0257MPa/m。

現(xiàn)計劃施工的南翼8#煤膠帶機巷斷層下盤距奧灰峰峰組頂界面為35m，該區(qū)峰峰組厚約110.56m。

2.3 土地溝斷層賦水性探測情況

采用Protem瞬變電磁儀對斷層賦水性進行探測，順層方向、偏底板方向如圖1，探測成果平面圖如圖2，分析可知，斷層破碎帶僅局部視電阻率略低，判斷為巖層局部弱含水引起，南翼8#煤膠帶巷揭露土地溝斷層時，其破碎帶發(fā)生出水的可能性較小。但由于該段巷道與奧灰間距較近，且為構造破壞帶，為防止斷層滯后出水，必須制定南翼8#煤膠帶巷過土地溝斷層防治水方案。

圖2 南翼8#煤探測成果平面圖

3 南翼8#煤膠帶巷過土地溝斷層防治水方案

3.1 施工前預注漿

施工前對土地溝破碎帶進行預注漿，使巷道周圍至少20m范圍內(nèi)形成帷幕，由于破碎帶充填壓實情況不明，暫按照5～10m擴散半徑設計，注漿過程中漿液需先稀后稠，一個孔注漿2～3次。

注漿材料及配比：為提高注漿抗壓強度，增加漿液的結石率，水泥選用新鮮的Po42.5普通硅酸水泥或XPM型納米灌注劑；為減少漿液的流失，增加抗壓效果，在出現(xiàn)跑漿時使用水泥或XPM型納米灌注劑-水玻璃雙液漿封堵。水玻璃選用3.0～3.2模數(shù)，波美度40～45。主要以單液為主，雙漿為輔，準備鋸末等注漿骨料的在空隙較大時使用。水灰比：1：0.6；水泥漿或 XPM 型納米灌注劑和水玻璃比：1：0.8、1：0.5,可以根據(jù)施工情況進行現(xiàn)場調(diào)整配比。預注漿鉆孔施工鉆孔預注漿形成的保護帶范圍見圖3：

圖3 預注漿保護帶示意圖

3.2 巷道掘進與支護

掘進過程中采用“U”型鋼拱架加固，快速掘進，為減少裝藥量等措施防止爆破造成圍巖的破壞，隊組掘進過程中需縮小循環(huán)進度、增加炮眼布置。斷層兩側支護距離需根據(jù)導水斷層防隔水巖柱留設情況計算斷層處支護寬度，如式（1）[6]。

式中：L為支護段留設寬度，m；K為安全系數(shù)，取5；M為巷高，取 4.75m；P 為水頭壓力，取 1.9MP；Kp為砂質(zhì)泥巖的抗拉強度，取2.26MPa。

帶入值后計算得支護寬度L為19m，L取20m。故要求斷層前后至少20m范圍內(nèi)采用“U”型鋼拱架加固進行支護。

施工過程中需留設預埋件：預埋件為5吋管，長度為0.5m，共埋設17組，組間距為5m，每組9個預埋件，如圖4所示。

圖4 預埋件布置示意圖

3.3 巷道施工過程中的二次注漿

施工過程中如發(fā)現(xiàn)圍巖或頂?shù)装逵袧B水現(xiàn)象，需及時停掘，施工注漿孔，對巷道進行二次注漿，及時封堵涌水通道；如施工過程中無出水，巷道快速掘進過土地溝斷層破碎帶后20m后，停止掘進，對土地溝斷層破碎帶及前后20m范圍進行砌碹，并對該段進行壁后注漿。

3.4 現(xiàn)場應用

經(jīng)過現(xiàn)場應用，實測巷道最大涌水量為1888m3/d，即79m3/h。現(xiàn)場南翼8#煤膠帶巷出水排至南翼8#煤水倉，經(jīng)水倉排水泵排至南二軌道巷后自流至中央水倉。目前南翼8#煤水倉處配備三臺110kW水泵，同時開啟其中兩臺的排水能力大于最大涌水量2倍（158m3/h），排水能力符合要求。實踐證明該方法實用有效，未出現(xiàn)巷道突水災害現(xiàn)象。

4 結 論

1）運用多種方法詳細分析了土地溝斷層的水文地質(zhì)情況，綜合判斷可知其破碎帶發(fā)生出水的可能性較小。但由于該段巷道與奧灰間距較近，且為構造破壞帶，為防止斷層滯后出水，必須制定巷道過土地溝斷層防治水方案。

2）提出了“超前預注漿＋‘U’型鋼拱架＋二次注漿”的巷道過斷層破碎帶綜合防治水措施并在屯蘭礦南翼8#煤膠帶巷得到了良好應用。

3）在工程實踐中，應當注重對斷層帶的水文地質(zhì)調(diào)查，并在此基礎上，提出適合礦井自身條件的防治水措施。