辛置煤礦10-425工作面斷層破碎帶綜合防水技術(shù)實(shí)踐

李志杰

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦10-425工作面位于東四左翼采區(qū)，東面為10-427設(shè)計(jì)工作面，南面為H=40m斷層，西面為南土壁保安煤柱，北面為東四左翼軌道巷、皮帶巷。工作面底板距下伏奧灰頂面平均間距為32m，工作面突水系數(shù)0.014～0.030MPa/m，小于0.06MPa/m，屬于安全可采區(qū)域，奧灰水位標(biāo)高505m，工作面帶壓0.42～0.92MPa。10-4252巷沿10#煤層掘進(jìn)，掘進(jìn)至32#點(diǎn)前25m處揭露D542H=17m斷層底板出水，出水點(diǎn)底板標(biāo)高為+407.2m，出水量從8m3/h逐漸增大至100m3/h，為防止工作面回采期間受采動(dòng)擾動(dòng)底板（擾動(dòng)破壞深度9～10m）滯后導(dǎo)通奧灰水，造成水害事故，需針對(duì)10-425工作面斷層破碎帶進(jìn)行具體的防水方案設(shè)計(jì)、施工。

2 斷層破碎帶防水方案的選擇

2.1 斷層防水煤柱留設(shè)

根據(jù)10-425工作面的地質(zhì)情況可知所采10#煤位于O2含水層上方，因此設(shè)計(jì)防水煤柱時(shí)，將O2含水層水文地質(zhì)參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，斷層的防水煤柱留設(shè)需考慮兩個(gè)方面的因素：一是煤層底板隔水層能否抵抗含水層水壓；二是煤層能否抵抗斷層導(dǎo)水沿煤層的壓力。對(duì)于沿煤層的突水，按照《煤礦防治水規(guī)定》附錄八之二方法直接計(jì)算煤柱寬度L；對(duì)于煤層底板突水，按照《煤礦防治水規(guī)定》附錄八之四方法計(jì)算煤柱寬度L[1-2]，保證煤層底板距斷層面之間的最小距離大于安全煤柱的高度Ha。根據(jù)兩種方法計(jì)算結(jié)果取較大的數(shù)字作為煤柱最后留設(shè)寬度，但不能小于20m。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》計(jì)算后確定防水煤柱的寬度為38m。

2.2 防水技術(shù)的確定

為保證10-425工作面回采期間D542H斷層破碎帶附近不會(huì)導(dǎo)通奧灰水出現(xiàn)水害事故，綜合分析工作面的地質(zhì)條件后在斷層破碎帶范圍內(nèi)采用澆筑防水密閉墻+注漿防水的方式進(jìn)行堵水。

根據(jù)防水密閉墻設(shè)計(jì)水壓，防水密閉墻形式設(shè)計(jì)為矩形，并采用注漿加固。根據(jù)10-425工作面的地質(zhì)資料可知正副巷巷道的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 10-405工作面正巷與副巷尺寸參數(shù)

根據(jù)相關(guān)研究和工程實(shí)踐得出防水密閉墻長(zhǎng)度的公式（1）[3-4]，并根據(jù)10-425工作面的具體情況進(jìn)行取值：

式中：

L-防水密閉墻長(zhǎng)度，m；

α-凸緣基座支承面與硐室中心線的夾角，一般取20°～30°，本設(shè)計(jì)取20°；

γ0-結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；

γf-作用的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；

γd-結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.2～1.75，水壓大、硐室凈斷面積大時(shí)取大值，取1.5；

fcc-素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，其值由混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以系數(shù)0.95確定，取14.25N/mm2；

B-閘墻墻體前、后巷道凈寬，取4.2m；

H-防水密閉墻體前后巷道凈高，取2.7m；

P-防水密閉墻設(shè)計(jì)承受的水壓，取1.0N/mm2。

通過將上述數(shù)據(jù)代入式（1）中能夠計(jì)算得出墻體長(zhǎng)度為0.33m，安全系數(shù)取7，本設(shè)計(jì)取防水密閉墻墻體長(zhǎng)度L=2.31m。基于上述計(jì)算，采用楔形防水密閉墻設(shè)計(jì)時(shí)，防水密閉墻長(zhǎng)度為2.31m。考慮到礦井實(shí)際技術(shù)條件難以滿足施工效果，為此，將防水密閉墻設(shè)計(jì)為“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的形式，增強(qiáng)防水密閉墻的防水能力。在進(jìn)行密閉墻施工作業(yè)時(shí)先施工迎水墻，閉墻施工結(jié)束后凝固3～5d，再施工背水墻，背水墻施工結(jié)束后凝固3～5d，對(duì)兩防水密閉墻中間部分進(jìn)行注漿作業(yè)。具體10-405工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的防水布置形式如圖1所示。

圖1 10-425工作面防水結(jié)構(gòu)布置形式平面圖

3 綜合防水技術(shù)方案及效果

3.1 綜合防水技術(shù)方案

對(duì)于防水密閉墻的施工作業(yè)，首先在防水密閉墻迎水墻距離起始端0.2m處，先支設(shè)2根橫5m的11#工字鋼，后支設(shè)2根縱3m的11#工字鋼成“井”，用于增加迎水墻強(qiáng)度，進(jìn)行迎水墻、背水墻開挖工作。迎水墻厚度為1.6m，共計(jì)3.2m；背水墻厚度為1m，共計(jì)2m。內(nèi)墻施工完畢后用混凝土澆筑內(nèi)外墻之間的空間，注漿隔水體采用加固鋼筋的形式與巷道進(jìn)行連接，具體10-405工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷防水密閉墻的布置形式如圖2所示。

防水墻施工所需的材料包括水泥、料石、沙、石子、水玻璃等，迎水墻和背水墻采用料石砌筑。水泥∶砂=1:3（體積比），注漿隔水體采用素水泥注漿。水泥∶水玻璃=1:1（體積比），混凝土加固澆筑層。水泥∶砂∶石子=1:1:2（體積比）噴漿層，水泥選用425#硅酸鹽水泥，砂子用中粗河沙，石子用粒徑20mm的石子。

3.2 注漿加固設(shè)計(jì)

根據(jù)10-425工作面D542H工作面的具體情況，對(duì)斷層破碎帶區(qū)域的注漿隔水體區(qū)域的各項(xiàng)注漿參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

（1） 注漿材料與水灰比

本次注漿材料選用水泥與水玻璃雙液漿，在綜合考慮了施工條件、材料消耗及漿液固結(jié)強(qiáng)度等因素后，確定漿液的水灰比為0.6。

（2） 注漿壓力

在對(duì)10-425工作面進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，由于斷層破碎帶內(nèi)裂隙發(fā)育程度較差，并且設(shè)計(jì)注漿孔較深，基于此確定注漿壓力為5～6MPa。

（3） 注漿孔深及布置形式

在對(duì)注漿孔深及布置形式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證漿液能夠盡可能多的滲入破碎圍巖中。根據(jù)工作面的具體情況，并綜合考慮到機(jī)具條件后確定正巷的注漿孔深為8m，副巷的注漿孔深為6m。其中孔口管長(zhǎng)度為2m，孔口管采用3寸孔口管，在擋墻施工的同時(shí)，需將孔口管放入注漿孔內(nèi)，并固定牢固，確保擋墻施工完成后注漿效果達(dá)標(biāo)。在背水側(cè)靠近巷道兩幫施工，往幫內(nèi)偏移30°，最上一個(gè)孔向上偏移25°，最下一個(gè)孔向下偏移25°，排距為6m。具體注漿孔的布置形式如圖3所示。

圖2 10-405工作面回采巷道防水密閉墻布置平面圖

3.3 施工工序方法及要求

10-425工作面斷層破碎帶綜合防水技術(shù)的施工順序如下：

（1） 進(jìn)行迎水墻、背水墻開挖工作。迎水墻厚度為1.6m，共計(jì)3.2m；背水墻厚度為1m，共計(jì)2m。進(jìn)行墻體開挖工作，先開挖巷道頂部，再施工兩幫，最后開挖巷道底部基巖，掏槽深度為1m。挑頂采用放震動(dòng)炮作業(yè)，并輔以風(fēng)鎬，盡量減少對(duì)圍巖的破壞。

（2） 施工迎水墻最外側(cè)料石墻，再施工內(nèi)側(cè)料石墻。施工1～1.5m內(nèi)墻后，用混凝土澆筑內(nèi)外墻之間的空間。

（3） 待混凝土內(nèi)外墻的空間充填完成后進(jìn)行注漿作業(yè)。在進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，具體的注漿作業(yè)流程為先在設(shè)計(jì)位置用鉆機(jī)打設(shè)鉆孔，鉆孔打設(shè)完畢后為防止塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)安放注漿花管，待鉆孔打設(shè)完畢且注漿花管安裝好后，進(jìn)行封孔作業(yè)，待封孔結(jié)束后約40min左右時(shí)，便可開始注漿施工。巷道斷面內(nèi)注漿順序?yàn)橄锏理敯遄髠?cè)到右側(cè)依次進(jìn)行注漿作業(yè)。在單孔注漿作業(yè)完成后，應(yīng)及時(shí)用清水對(duì)注漿管路進(jìn)行清洗。

圖3 防水密閉注漿孔布置形式示意圖

在進(jìn)行混凝土施工作業(yè)時(shí)，其施工中的要求及注意事項(xiàng)如下：

（1） 為了保證混凝土的連續(xù)澆筑，攪拌地點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在靠近防水密閉墻處，且應(yīng)運(yùn)輸方便，有足夠的攪拌能力。

（2） 對(duì)每一施工段內(nèi)不能連續(xù)澆筑混凝土?xí)r，接茬處必須按處理施工縫的要求預(yù)埋連接鋼筋。

（3）必須用一個(gè)品種的水泥配制混凝土，澆筑混凝土必須采用震動(dòng)器進(jìn)行搗固，混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)應(yīng)采用對(duì)稱連續(xù)澆筑，并分層搗固。

（4）澆筑混凝土，邊角需要攔堵混凝土?xí)r，可用磚堵，但必須在24h內(nèi)取出，并指定專人負(fù)責(zé)，以防漏取。

（5）應(yīng)按預(yù)定位置放置預(yù)埋管路，在澆筑混凝土?xí)r應(yīng)注意注漿管不要被混凝土所堵塞，

3.4 防水效果

在對(duì)10-425工作面斷層破碎帶區(qū)域采用“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的技術(shù)方案進(jìn)行有效防水后，通過在回采巷道斷層破碎帶區(qū)域注漿加固范圍內(nèi)打設(shè)檢查孔的方式對(duì)防水效果進(jìn)行驗(yàn)證，得出檢查孔的最大涌水量?jī)H為18m3/h，綜合防水方案對(duì)斷層破碎帶起到了較好的改造效果。10-425工作面在回采過程中未出現(xiàn)突水、下沉及異常涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了10-425工作面安全順利回采。

4 結(jié)論

通過對(duì)10-425工作面斷層破碎帶的具體分析，確定防水煤柱的寬度為38m，采用“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的綜合防水方案，并對(duì)防水方案的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。綜合防水方案實(shí)施后工作面在回采過程中未出現(xiàn)突水、下沉及異常涌水現(xiàn)象，有效地保障了10-425工作面安全順利回采。