東曲礦斜巷穿灰巖含水層注漿堵水技術研究與應用

李 榮

（西山煤電集團東曲礦，山西古交030200）

1 工程概況

山西焦煤集團西山煤電東曲礦排矸斜巷主要為井下工作面回采排矸使用，排矸斜巷掘進寬度為3.2m，高度為3.2m，巷道與水平方向的角度為25°，在排矸斜巷掘進期間，當巷道掘進至115m，會穿過L1灰巖含水層，L1灰巖層含水豐富，局部巖溶、裂隙發育，透水性較強，均厚5～6m，為8# 煤層直接頂板。在巷道掘進接近L1灰巖層頂部位置時，掘進迎頭底板位置出現大量涌水現象，涌水總量40m3/h，現為保障斜巷工作面掘進通過L1灰巖含水層時的安全性，擬采用對灰巖含水層超前注漿的方式進行堵水，保障巷道斜巷掘進時的安全性。

2 動力水注漿漿液擴散規律

2.1 漿液擴散形態

根據排矸斜巷及L1灰巖含水層的具體地質條件，可知該次注漿屬于裂隙網絡動水注漿堵水，為有效分析注漿漿液在裂隙網絡中的擴散規律，現采用MATLAB 軟件進行數據處理模擬分析，本次模擬分析主要針對完全封堵型的漿液擴散規律進行分析，模型建立時將坐標原點設置在注漿孔中心，X 軸設置為水流方向，Y 軸設置為垂直于水流的方向，注漿漿液采用水泥- 水玻璃雙液漿，水灰比設置為0.6:1，依據漿液的各項參數進行模型參數的賦值。

圖1 注漿擴散模型圖及不同時段擴散形態圖

數值模擬模型如圖1(a)所示，根據數值模擬結果能夠得出漿液在不同擴散時間下的擴散形態，現具體對漿液在擴散60s、130s 和漿液擴散最終形態時漿液的擴散形態進行具體出圖，如圖1(b)～圖(d)所示。

通過具體分析不同時段時漿液擴散的具體形態可知，漿液的裂隙網絡內的擴散主要可劃分為自由擴散、部分封堵和殘留通道封堵三個階段，具體各個階段的特征如下：

1）自由擴散階段：當漿液注入到含水層內部的裂隙網絡后，由于漿液還未達到其凝固時間，其在含水層裂隙內的流動主要表現為牛頓流體的特征，該階段漿液的擴散形態主要受到裂隙開度和含水層內動力水的流動速度影響，該階段漿液基本以注漿鉆孔為中心向兩側均勻擴散；

2）部分封堵階段：隨著注漿作業的進行，漿液進入裂隙內后，會逐漸出現凝固的現象，凝固后的漿液會與裂隙的壁面之間產生一定的粘結性能，當漿液與裂隙壁面間的粘結力達到一定強度時，漿液便會停止前進，進而對已擴散的裂隙進行封堵，已封堵的裂隙會阻止漿液的進一步擴散，進而致使后續注入的漿液的只能沿著其余未被封堵的裂隙進行擴散，被注介質內的水流通道面積會逐漸減小，水流的速度會明顯增大；該階段內漿液仍然具有較好的流動性，但該階段裂隙開度較小的主流通道基本已被封堵，僅剩下一些裂隙開度較小的分支通道未被漿液封堵[1-2]；

3）殘留通道封堵階段：隨著漿液的進一步擴散，此階段內僅剩下一些開度較小的裂隙未被封堵，隨著漿液的進一步擴散，漿液在注漿壓力作用下會逐漸向這些開度較小的裂隙內流動，并逐漸凝固封堵，隨著含水層內開度較小裂隙的封堵，漿液的擴散形態基本達到終態，漿液的注漿壓力會逐漸達到設定壓力值而最終停止。

根據數值模擬結果，具體漿液在不同注漿時間下漿液的最大擴散距離、擴散面積與注漿時間之間的關系曲線如圖2 所示。

圖2 漿液在不同時間下的擴散距離與面積曲線圖

2.2 注漿壓力變化曲線

在數值模擬過程中，為有效監測注漿漿液的出口位置處設置監測點，進行漿液注入壓力的監測作業，根據數值模擬結果能夠得出不同注漿時間下漿液的壓力曲線如圖3 所示。

圖3 不同注漿時間下注漿壓力曲線圖

根據圖3 可知，注漿堵水作業開始后，隨著注漿時間的增加，注漿的壓力呈現出注漿增大的趨勢，根據上述分析可知，漿液的擴散呈現出自由擴散、部分封堵和殘余通道封堵三個階段，結合圖3 可知，在注漿初始漿液的自由擴散階段，漿液的注漿壓力基本呈現出穩定的狀態，漿液的壓力基本穩定在1MPa；隨著注漿作業的進行，漿液擴散面積達到一定的程度，漿液進入到部分封堵階段，此階段注漿壓力逐漸提升,漿液的壓力提升到1.7MPa 左右，并在一定的范圍內波動；當注漿達到殘余通道封堵階段時，注漿壓力進一步升高，與部分封堵階段相比，注漿壓力升高的幅度明顯減小，該階段漿液的注漿壓力最大值為2.0MPa。

3 注漿堵水方案

3.1 注漿方案設計

由于目前排矸斜巷已經掘進接近L1含水層區域，在掘進采動影響下巷道底板的裂隙發育很可能會與含水層之間貫通，同時為保障巷道掘進通過含水層時的安全，現確定采用掘進至距離含水層垂直高度最短為1.5m 時，現進行巷道加固底板的注漿作業，隨后進行帷幕注漿作業，具體注漿各項參數如下：

1）加固底板注漿：巷道掘進作業時，掘進至與底板含水層垂直高度小于1.5m 時，進行底板注漿作業，沿著巷道掘進頭位置，布置注漿鉆孔，鉆孔成孔直徑為φ75mm，深度為5.0m，與巷道底板成75°夾角，即沿垂直方向打設，布置3 排鉆孔，每排布設3 個，注漿鉆孔排間距為2.0m×1.5m，由于鉆孔為垂直注漿作業，設置鉆孔的封孔長度為0.3m，具體底板注漿作業鉆孔布置形式如圖4(a)所示。

2）帷幕注漿：當底板加固注漿作業完成后，隨后進行帷幕的打孔注漿作業，沿著巷道掘進頭位置，布置注漿鉆孔，鉆孔成孔直徑為φ75mm，鉆孔長度為13～15m，鉆孔的俯角為 - 10°～30°之間，帷幕注漿鉆孔布置5 排，鉆孔在巷道底板布置2 排，排間距為2.0m×1.5m，，在掘進頭上布置3 排鉆孔，排間距為1.0m×1.5m，設置鉆孔的封孔長度為0.5m;打孔作業時，先以直徑為φ108mm 鉆頭開孔，開孔深度為2.5m，隨后進行φ75mm 鉆頭進行成孔，具體帷幕注漿作業鉆孔布置形式如圖4(b)所示。

圖4 注漿鉆孔布置形式示意圖

3）注漿材料：由于L1灰巖含水層內裂隙較為發育，裂隙之間基本以網絡的形態賦存，故本次注漿材料選用水泥- 水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比設置為0.6:1，水玻璃型號為40 波美度，水泥漿與水玻璃間的比例為1:1。

4）注漿壓力：根據L1灰巖含水層的具體地質條件，結合本次誰用水泥水玻璃漿液的性能參數，基于數值模擬結果，為保障注漿效果，最終確定注漿的終孔壓力為2MPa。

5）注漿量：排矸斜巷對含水層進行注漿作業的最終目的是在巷道掘進通過含水層時形成帷幕，進而保障巷道掘進通過含水層區域時不會出現突水現象，具體注漿量可用下式估計：

式中：Q 為注漿量（m3）；v 為被注巖層的體積（m3）；n 為被注巖層的孔隙率，取 10%；λ 為漿液耗損系數，取1.2；η 為空隙的漿液充填率，取80%；根據材料斜巷及L1 含水層的具體情況， 取 λ=1.2，n=10%，η=80%，v=3.14×132×5.5=2918m3，代入式（1）中能夠計算出Q=280m3。

6）注漿順序：在進行底板注漿加固作業時，從遠離掘進頭的位置向掘進頭位置逐漸進行注漿作業，同排鉆孔注漿作業時由兩邊到中間進行注漿作業；帷幕注漿鉆孔采用間隔施工的方式，根據圖3 中的鉆孔編號方式，先進行奇數號的注漿作業，當奇數孔全部注漿完成后，再進行偶數孔的打孔注漿作業。

3.2 注漿效果分析

在注漿堵水的工程實踐中，由于注漿為隱蔽工程，無法有效評價漿液在被注介質體內的擴散形態及規律，故采用堵水率作為堵水效果的評價指標。堵水率（簡稱SE）即為注漿結束后含水層動力水流的流量與初始動力水流的差值與初始動力水流量的比值[3-4]，具體數學表達式為：

式中：SE 為堵水率；Qg為注漿結束后穩定后的動水流量；Q0為初始動水流量；根據眾多的理論研究與工程注漿堵水實踐的結果，將注漿堵水的效果劃分為6 個等級，具體劃分標準及效果評價如表1 所示。

表1 堵水效果等級劃分

排矸斜巷在采用加固底板注漿+ 帷幕注漿后，巷道在掘進通過含水層區域時，根據現場觀測可知漿液對含水層進行密實充填，掘進作業時無明顯的突水情況出現，注漿加固后涌水水量小于1m3/h，未注漿堵水前的涌水量為40m3/h，基于此能夠計算出SE=97.5%，注漿堵水效果非常好。

4 結 論

根據排矸斜巷與L1含水層的具體地質條件，通過數值模擬分析動力水注漿漿液擴散規律，確定采用底板加固+ 帷幕注漿的堵水方案，并確定了各項注漿參數，注漿結束后，根據現場觀測得出注漿堵水率達到97.5%，注漿效果良好，保障了巷道掘進通過含水層區域的安全。