煤礦井下導水斷層注漿堵水改造研究

（晉能控股煤業集團永定莊煤業有限責任公司水暖區 山西 037003）

煤礦斷層屬于連接含水層及掘進巷道的重要通道，一旦掘進巷道出現水害時，則會引發嚴重的安全事故，給煤礦企業帶來極大的經濟壓力，所以在井下作業時，必須對所有的導水斷層運輸巷、通風巷展開鉆孔預注漿堵水工藝，以讓斷層提前止水和加固，進而保證井下作業的安全、穩定。

1.井田地質與水文地質的現狀

(1)井田地質現狀

本文主要以某煤礦為例，因為該煤礦屬于典型煤礦，所以具有代表性，由此便對其展開了深入的研究，該煤礦的生產水平為6.00×106t/a。該井田非常的寬廣，其南北長共為17km，東西長共為7.4km，總儲量有1.109544×109t，能夠開采的儲量有9.43992×108t，開采量最大的就是3號煤層，開采量高達76%。井田的斷裂情況還不是非常嚴重，南北、東西、北西呈三組斷裂，整個井田較大的正逆斷層有六條，就使地層變化較為嚴重。井田共有五個含水層段，其中最為危險的就是奧陶系石灰巖含水層，位于煤系的底端，涌水量在0.1-2.0L/(s·m)。

(2)水文地質現狀

該煤礦二采區的東西長共為2017m，南北長共為2411m，開采范圍在5.39×106m2。通過對地質資料的深入研究能夠發現此區域的水文地質情況非常復雜，尤其是奧陶系石灰巖含水層的結構更加復雜，因為此地層的傾斜情況非常嚴重，許多地方都是背向斜構造，其斷層可達30多條，而影響掘進作業的斷層就有7條。DF14斷層在該區域的中間，其長度共1270m，落差在0-34m，此斷層帶有一些導水性能。

2.DF14斷層注漿加固措施

(1)設計加固的范圍

首先在此斷層將巷道作為中心點，確定其注漿的半徑是30m，然后對30m范圍之內的圍巖實施注漿加固。對于平面來說，其加固的范圍是巷道斷層兩邊的30m內以及沿斷層兩邊的30m內，整個平面注漿面積是6500m2。

(2)制定注漿參數

通常注漿應用的是分段式，其工藝流程為：先充填封堵注漿，然后按照實際狀況實施加固注漿。常用的漿液就是單液水泥漿，并添加一些水泥速凝漿、水玻璃與水泥雙液漿、細砂等應用。通常水泥漿的濃度有四個等級，根據水灰比進行劃分為：0.6:1、0.8:1、1:1、1.25:1。當注漿完成時，就應用1:1的漿液水泥漿。通常注漿的壓力情況為：開始壓力為3.0MPa，終端壓力為4.5MPa以上。注漿量不可超過10L/min。等注漿的稀漿、終量和終壓均達到規定標準時，再將其穩定20min。

(3)加固方案

在制定加固方案時，需要特別注意四個方面，分別為：鉆孔布置、鉆孔技術、注漿準確和注漿要求。

首先，鉆孔布置。在此階段應以預計巷道和斷層面的交匯作為中心，然后向巷道與斷層方向延長30m進行鉆孔，在鉆孔時應向巷道方向進行，之后以此鉆孔為中心向旁邊布孔。按照經驗來看，其周邊孔距應是15m，慢慢向外擴大直到30m完成注漿。其次，鉆孔技術。鉆孔的位置是進風巷的頭；鉆孔的數量為13個；鉆孔的結構采用的是裂隙淋水，為避免裂隙和孔管跑漿，便使用了Φ146mm的合金鉆頭實施鉆孔，并下入Φ127mm的護壁套，再用Φ108mm的鉆頭進行鉆進，最后下入Φ89mm的止水套管。上述套管都采用的無縫鋼管以及高標的水泥進行注漿。

再次，注漿準備。在準備注漿時，應先成立臨時注漿站，一般可將巷道用作注漿站，然后把注漿設施放在后面的巷道中。當巷道的底端水泥硬化時，便對場地進行平整，然后在注漿站的后面巷道中設置水窩，水窩的標準為10m×2m×1.5m，并配兩臺揚程、100m3/h排量的潛水泵，使電源和水源都符合規定。一般儲灰臺會安裝在注漿后面，能夠儲存30t的水泥。通常注漿泵和拌漿的距離不可低于3m，主要是為了保護注漿設施。然后選取適當的材料，一般充填物有：鋸末、細砂和黃豆等等。因為水是流動的，所以初期應運用一些CS雙液漿，不過只能用少量，以免影響強度，然后運用一些單液漿，來增強結石的強度。在此煤礦使用的是425#、525#水泥。在注漿加固的過程中，應當全部運用水泥單液漿。對于材料用量來說，可借助公式得到，以此注漿工段為例，先把注漿的范圍乘以0.15%裂隙率，然后算出裂隙的總體積V=254m3，假設材料的消耗系數為1.3，則根據1t水泥得到1m3注漿計算，可知該工段的水泥用量是331t，水玻璃、鋸末、細砂等若干。

最后，注漿要求。此注漿采用的是靜水注漿，正常壓力為3.0MPa，注漿材料主要是單液水泥漿，在注漿過程中，按照裂隙實際狀態來確定用不用灌注鋸末、細砂等。注漿形式為低壓、間斷和反復升壓，要是注入10t水泥之后，還不升壓，就可加入CS雙液漿，當壓力上升時再換成單液漿，如此循環，不僅能夠有效降低注漿的耗量，而且還能縮短注漿時間。在鉆孔過程中，如果發現注漿段存在裂隙，壓力還不上升時，則可充填骨料，充填骨料的順序應為：水→骨料，停料的順序應為：骨料→水。通常單液水泥漿的濃度有四種，分別是：0.6:1、0.8:1、1:1、1.25:1。

在制漿的時候，應當先打開攪拌機，然后放入一半的水，再放入灰，這樣做的目的是為了防止電機燒壞，同時為避免有雜質進入，還應在一次攪拌池上安裝過濾篩。當灰、水攪拌均勻之后，就可放至二次攪拌池中，二次攪拌池上也要安裝過濾篩。在注漿的時候，要是連續注漿超過1h，其壓力及吸漿量均沒有變化，則可調濃漿液，這樣注漿壓力會顯著上升、吸漿量會顯著降低。如果鉆孔的吸水量超過18L/min，還沒有升壓，就可使用CS雙漿液，不過在使用之前，必須進行凝膠實驗，以免出現堵塞情況。

另外，在注漿之前還應展開壓水試驗，其是為了監測孔管是否存在漏水現象，試驗的對象包括：輸漿管的各個接頭、煤壁裂隙等等，經過壓水試驗便能得出鉆孔的吸水量，進而選用適宜的漿液，一般壓水的時間應為10-20min，并記錄壓力的變化情況，最大值就是終壓。掃孔、復注是在注漿完的16h以后進行，主要是對出水量大于0.5m3/min的鉆孔展開的。

3.注漿效果研究

此注漿是在2016年6月開始的，在7月完成，共經歷了四十五天，總長度為1762.2m，注漿量共為275t。在注漿時，又對出水量大于0.5m3/min的鉆孔實施了復注，總共復注了六個鉆孔，隨后又對復注情況采取了掃孔驗證。通過掃孔驗證能夠發現所有的鉆孔出水量都小于0.1m3/min，便展開了注漿封孔，其壓力都在4.5MPa，并對注漿前后斷層導水展開了模擬，詳見圖1所示。通過圖1能夠發現注漿前的斷層具有較強的導水通道，所以水流就會進到地下的煤柱，以產生導水通道，水從此處就進到了巷道中。在注漿以后，因為地表斷層使用高強度的注漿材料代替，所以斷層的導水通道就被充填，這就阻止了斷層與地表水的接觸，使得水進不到斷層中。不過，巖體都呈多孔結構，其內部具有大量的空隙及裂縫，所以水就會受壓力的影響，從周圍的巖體進入到斷層，但注漿斷層的導水通道因其周圍的巖體都較為完整，所以透水性很低，僅有少量的水會從煤柱導水隙中進到巷道里。

圖1 注漿前后斷層導水的具體情況

4.總結

通過上述內容我們可知：應用煤礦井下鉆孔預注漿不僅可以有效加固井下導水斷層的破碎帶，而且還能顯著提升斷層圍巖的強度，其要比地面注漿的優勢強很多，不僅很大程度的縮短了工期，降低了成本，而且還給施工帶來了便捷，使得管理更加的高效、快速，所以此方法被廣泛用于煤礦井下導水斷層堵水當中，給煤礦企業帶來了很大的經濟效益。