挖金灣煤業礦井下巷道水害防治方案的應用

溫小偉

（同煤集體挖金灣煤業公司，山西 大同 037003）

挖金灣煤業位于山西省大同市，是同煤集團下屬的一個核心煤礦。5137 底抽巷設計長度 853m，巷道布置在 6#煤層中，采用綜掘機掘進，支護方式為11#工字鋼配合錨網錨索支護。2018 年12 月5137 底抽巷掘進至 305m 處時，迎頭頂板及左手幫鉆場底板涌水明顯增大，涌水點水量 9.5m3/h，出水持續周期 16d。巷道向前掘進 420m 時巷道迎頭頂板及煤壁出現不同程度淋水，初期涌水量 23m3/h，15d 后水量減小為 15m3/h。5137 底抽巷于4 月份施工順煤層探水鉆孔過程中，發生孔內涌水，隨著孔內水量增大，超出巷道排水能力，發生巷道被淹事故，給煤礦井下的綜采作業安全造成了較大的隱患。為了提升煤礦井下綜采作業安全性，煤礦成立了安全改善小組，對5137 巷的涌水情況進行分析。結合煤礦井下實際地質條件，安全改善小組提出了建立防水閘墻、突水點封堵注漿等防治水害的技術方案[1]。根據在挖金灣煤業5137 底抽巷的實際應用表明該綜合水害防治方案具有顯著的效果，極大地提升了煤礦井下綜采作業效率和安全性，目前已在大同煤業各礦井得到了廣泛的應用。

1 防水閘墻設計

防水閘墻主要用于對井下涌水進行封堵，避免出現透水事故。結合挖金灣煤礦井下的實際情況，提出了采用防水閘墻的方案。

5137 底抽巷所采用的防水閘墻的整體結構呈現倒錐子型，防水閘墻設置時的閘門墻體的應力衰減段的長度Li、防水閘門硐室最大掘進斷面積S2可分別表示為[2]：

式中：

r0-結構重要性系數，取1.1；

ri-作用的分項系數， 取 1.3；

rd-結構系數，取 2.0；

P-硐室設計承受的水壓，軌道巷水閘墻P= 2.4MPa；

fi-混凝土軸心抗拉強度設計值，C25 混凝土fi= 1.3MPa。

式中：

rsd-作用不定性系數，取 2.0；

fcc-混凝土軸心抗壓強度設計值，C25 混凝土fcc= 12.5MPa；

S-閘門墻前后巷道凈斷面積，S=11m2。

式中：

L-閘門的墻體長度，m；

L0-閘門墻體回升段長度，取 2.0～2.5m；

經綜合分析，5137 底抽巷所采用的防水閘墻的長度L=7m，其他結構尺寸如圖1 所示[3]。

圖1 煤礦井下防水閘墻結構示意圖

防水閘墻位置選擇在距離涌水點后圍巖穩定、相對完整、強度較高的地段。先清理巷道底板淤泥和松動巖層，清理基礎深度以挖到實巖為準。排水管路鋪設在距離巷道底板標高以上 0.8m、1.6m 和 2m 的三個位置，水平鋪設，共計4 趟108×8mm的無縫鋼管。閘墻內側管口安裝濾網，閘墻外側管口安裝有高壓閘閥、壓力表，外端外露墻體 0.5m，控制排水水量并監測水壓，管路要每隔 300mm 焊鋼筋以防滑動。

注漿管路共計鋪設兩組，第一組用于加固墻體間空間與圍巖裂隙，第二組備用于注漿封堵涌水點。在閘墻外側管口安裝高壓閘閥和壓力表，外端外露墻體 0.5m，用于安裝注漿孔口裝置。管路要每隔 300mm 焊鋼筋以防滑動。可再預埋兩趟Φ108 ×8mm 無縫鋼管，下斜 15°左右，安裝高壓閥門，為后期注漿鉆孔施工做準備，對墻體內外側巷道的四周采用 200mm 厚的混凝土加固 5m。墻體四周掏槽，深度不小于 0.2m。澆注前掏槽和刷大斷面時，為使原巖體不受破壞，只能采用風鎬剝離，不得使用爆破。

防水閘墻頂底板、圍巖開槽完成后，需進行進一步錨桿加固，以便增加圍巖強度及閘墻和圍巖之間的穩定性。錨桿設計在兩幫打Φ16mm×1800mm 錨桿，排距 500mm，外漏 600mm，在正式施工前應先進行錨桿的現場試驗。混凝土墻體完工一周后進行注漿。對防水閘墻疏水鉆孔關閉進行耐壓試驗，在墻體不發生滲漏水現象的情況下，壓力穩定24h，符合設計要求。

2 突水點封堵注漿

煤礦井下突水點的封堵注漿工藝主要包括了鉆機鉆孔、注漿、掃孔、反復注漿等工序，其中鉆機鉆孔對封堵注漿效果影響顯著。5137 底抽巷由于隔水層內構造裂隙發育，奧灰含水層富水性強，奧灰水具有一定導水高度，為確保鉆探過程中的安全，底板探查孔宜采用兩級套管作為孔口管。鉆孔結構：開孔孔徑為Φ168mm，提前下入5m 長Φ146mm 地質套管，固管掃孔后更換Φ133mm 鉆頭繼續鉆進至 15m（具體施工過程中，根據鉆孔位置承受水壓大小確定孔口管長度），下入Φ108mm 孔口管。固管后繼續換Φ89mm 鉆頭鉆進至終孔。鉆孔結構如圖2 所示。

圖2 煤礦井下鉆孔結構示意圖

注漿的材料可以選擇42.5 普通硅酸鹽水泥，其質量應符合國家GB175-2007 標準[4]，不得使用受潮結塊的水泥或過期的水泥。該礦井下注漿時選擇了水泥—粉煤灰混合漿，該漿液適用于巖溶裂隙發育，但未見大溶洞、水量大于50m3/h 的鉆孔。水固比 1:1～3:1，固相比（水泥∶粉煤灰）1:1～1:3，可采用連續注漿方式，但注漿時間不超過漿液的初凝時間。

注漿量可根據單個鉆孔的注漿量計算公式進行計算，單孔的注漿量Q可表示為[5]：

式中：

A-漿液消耗系數，為0.12～0.15；

R-以注漿孔中心為基點的漿液有效擴散半徑，取15.0m；

H-注漿段高，這里暫取注漿段高10m；

n-裂隙率，取5%；

B-漿液充填系數，為0.9～0.95；

m-漿液結石率，為0.85。

經計算10m 孔深預計單孔注漿量Q約45m3。5137 底抽巷工作面需注入16524m3水泥漿（水灰比 1:1），按 60%的有效注漿段計算，需42.5 水泥約8500t。注漿時需要特別注意每孔注漿前都要觀測鉆孔水量和水壓，并進行單孔放水，放水時間不少于 10min，以孔內無巖粉、水變清為宜。安裝注漿管路后向孔內壓水，其目的是擴張裂隙，確定鉆孔的吸水量，以便調整注漿參數，提高注漿效果。壓入孔內的水量不少于管路總體積的2 倍，無異常變化時才可以開始注漿。

目前該井下綜合防治水方案已經在挖金灣煤業5137 巷進行了實際驗證，根據對優化后情況的跟蹤監控，在整個綜采作業期間未再出現過涌水事故，極大地提升了煤礦井下綜采作業的安全性，而且確保了井下綜采作業的連續性。綜采作業效率提升12.1%以上，得到了集團的高度認可。

3 結論

本文針對挖金灣煤業5137 底抽巷在綜采作業過程中出現涌水，嚴重影響煤礦井下綜采作業安全的情況，結合井下實際地質條件，提出了建立防水閘墻、突水點封堵注漿等防治水害的技術方案，根據在挖金灣礦的實際應用表明：

（1）防水閘墻位置選擇在距離涌水點后圍巖穩定、相對完整、強度較高的地段，且注漿管路共計鋪設兩組，第一組用于加固墻體間空間與圍巖裂隙，第二組備用于注漿封堵涌水點。

（2）注漿的材料可以選擇42.5 普通硅酸鹽水泥，注漿時可選擇水泥—粉煤灰混合漿料，水固比 1:1～3:1，固相比（水泥∶粉煤灰）1:1～1:3。

（3）采用防水閘墻、突水點封堵注漿綜合封堵方案，能夠有效地降低井下出現突水的概率，提升煤礦井下綜采作業的安全性和穩定性。