井上下聯合注漿在巷道掘進過導水斷層中應用

郭曉軍

(山西汾西瑞泰正中煤業有限公司，山西 靈石 031308)

當井下巷道掘進期間遇到地質構造復雜帶時，巷道掘進過程中經常出現圍巖變形、支護難度大以及圍巖淋水等各種問題，給巷道掘進效率以及掘進安全帶來制約[1-3]。由于斷層影響區內煤巖體破碎、整體穩定性較差以及強度較低，巷道圍巖無法給錨網索提供相對可靠、穩定的錨固端，同時圍巖淋水、涌水等會嚴重影響巷道掘進安全[4-6]。對斷層影響區進行超前注漿不僅可實現導水通道封堵、提高巷道圍巖整體穩定性，而且有助于提高巷道掘進效率。受到井下施工條件制約，井下注漿距離較短，只能通過分段注漿同時止漿量較小，無法滿足巷道掘進過大型斷層防治水以及圍巖加固需要[7]。隨著鉆進設備以及鉆進技術不斷發展，地面注漿技術在煤礦防滅火、防治水等方面應用不斷增加，通過地面注漿可實現大型斷層影響區內大范圍加固，同時輔助井下注漿避免出現注漿空白帶，不僅有助于維護斷層構造影響區內圍巖穩定、降低圍巖變形量、實現導水裂隙封堵而且可有效避免巷道掘進期間出現淋水、突水等問題，確保掘進安全[8-10]。文中就以山西某礦2301運輸巷掘進過DF02斷層為工程實例，提出采用井上下聯合注漿方式對DF02斷層影響區內導水裂隙以及破碎煤巖體等進行加固，實現巷道安全高效掘進。

1 工程概況

山西某礦設定產能為200萬t/a，礦井現階段生產主要集中在3號煤層，埋深260 m，煤層厚度9 m，采用綜放開采工藝，采高控制在3.5 m、放煤高度5.5 m.2301運輸巷為2盤區3煤主要運輸巷道，承擔采區煤炭運輸、行人以及進風等任務。巷道設計斷面為直墻半圓拱型，采用綜掘方式掘進，沿著3號煤層頂板泥巖掘進。根據現有地質資料顯示，2301運輸巷掘進期間會揭露有DF02斷層，該斷層落差超過45 m，斷層破碎帶寬度超過38 m，上下兩盤影響范圍均超過50 m.在DF02斷層影響范圍內圍巖破碎、裂隙發育，同時斷層可能與底板承壓水以及頂板裂隙水含水層連通，在巷道掘進過該斷層期間可能出現圍巖淋水、變形量大甚至突水等問題。

在DF02斷層影響范圍內，通過施工鉆孔進行超前注漿，可實現斷層影響范圍內導水裂隙封堵并加固圍巖，以便實現2301運輸巷安全高效掘進通過DF02斷層。文中就對該礦現場采用的井上下聯合注漿技術工藝進行分析。

2 井上下聯合注漿工藝

2.1 井上注漿工藝

2.1.1 注漿設備

井下注漿是通過鉆孔將地面制備好的注漿漿液注入到DF02斷層影響范圍內，以便實現斷層影響區內加固以及導水裂隙封堵。井上注漿采用的漿液為水泥漿，漿液通過高速旋輪機制作并將制備完成的漿液暫時存儲在存儲罐中，通過加壓泵、注漿鉆孔將漿液注入到斷層影響區。地面注漿時注漿泵注漿壓力控制在13 MPa，注漿流量控制在35～60 L/min.地面注漿鉆孔鉆進深度設計為2 956 m，施工、注漿共耗時65 d，具體鉆孔參數如表1所示。

表1 地面注漿鉆孔參數

地面注漿鉆孔施工采用礦井引進的ZYL-17000D履帶式液壓鉆機，鉆機額定轉矩控制在17 000 N·m，配套使用的鉆桿類似為通纜鉆桿，可實時獲取鉆孔鉆進軌跡并修正鉆孔鉆進方位，以便提高鉆孔鉆進精度。具體地面鉆孔施工時使用的鉆進系統設備配備情況及技術參數如表2所示。

表2 地面鉆進系統設備配備情況及技術參數

2.1.2 注漿層位及注漿鉆孔布置

由于2301運輸巷掘進過斷層期間出水水源主要源于底板灰巖承壓水含水層，含水層內水通過DF02斷層破碎帶裂隙涌向掘進空間，從而給巷道掘進安全帶來影響。為此，地面注漿鉆孔注漿點主要集中在巷道底板，通過注漿封堵底板承壓水向回采巷道涌出量，以便實現巷道安全掘進通過DF02斷層。在地面布置注漿鉆孔，注漿鉆孔有1個主孔以及4個分支孔，分支孔均從鉆孔二開位置分散并按照設計鉆孔層位鉆進，通過分支孔注漿實現DF02斷層影響區導水裂隙以及巖體加固。通過對底板進行注漿，可將底板改造成為隔水層，實現導水通道封堵以及消除底板承壓水給巷道掘進影響。

地面注漿鉆孔施工完成后，通過地面注漿鉆孔向2301運輸巷底板區域進行注漿，實現導水裂隙封堵。注漿期間對鉆孔注漿壓力進行持續監測(圖1)，當注漿壓力增至15 MPa后繼續穩壓30 min即停止注漿。注漿采用分段注漿工藝，單段注漿長度控制在10 m，注漿時間控制在15～30 min.注漿選用水泥單液漿，漿液水灰比控制在1∶1.08，在水泥漿中添加一定量的速凝劑改善注漿漿液性能。

圖1 地面鉆孔布置示意

2.2 井下注漿

在2301運輸巷與DF02斷層相距超過70 m時，即通過鉆探+物探方式對斷層導水性以及圍巖破碎程度進行探測。施工的探測鉆孔不僅可實現探測，而且可對斷層內積水進行疏排，并作為后續注漿孔使用。對斷層影響區內裂隙進行充填、涌水通道進行封堵，以便降低巷道掘進過斷層期間圍巖涌水量，提高巷道圍巖支護效果。具體巷道掘進期間施工的探測鉆孔布置如圖2所示。施工的探測鉆孔可實現巷道頂底板及巷幫掘進外輪廓線25 m范圍探測，鉆孔鉆進使用ZLJ-400鉆機，鉆頭D45 mm、鉆桿長度1 000 mm.

圖2 探測鉆孔布置圖

在2301運輸巷掘進迎頭與至DF02斷層相距30 m時，無論施工的探測鉆孔是否出水均通過鉆孔向斷層內進行注漿。注漿選用漿液為水泥單液漿，注漿壓力控制在5～8 MPa.

3 現場應用效果分析

在2301運輸巷與DF02斷層相距超過70 m時，即通過探測鉆孔對詳細探測斷層位置并對斷層內積水進行探測；在與斷層相距30 m時，對斷層進行注漿，不僅可進一步封堵導水裂隙、降低巷道掘進期間圍巖淋水量而且可增強巷道圍巖強度及穩定性。

在2301運輸巷掘進過DF02斷層期間，巷道頂板未出現淋水情況、底板未有涌水，施工的探測鉆孔均未有出水情況。表明通過井上鉆孔對斷層導水裂隙進行超前注漿封堵以及后續井下采用的超前疏排、注漿方式可實現斷層導水裂隙封堵，為2301運輸巷安全掘進創造良好條件。同時2301運輸巷采用錨網索噴+U型鋼架棚支護方式，可實現圍巖變形有效控制，后續監測期間圍巖(頂底板及巷幫)最大變形控制在15 mm以內，圍巖控制效果顯著。

4 結 語

1) 巷道掘進過大型導水斷層期間，防治水治理難度大、影響掘進安全不利因素多，如何實現巷道安全掘進以及圍巖變形有效控制是巷道掘進期間需重點解決問題。注漿是實現導水斷層治理的主要措施，通過注漿可封堵導水裂隙從而為巷道掘進創造良好條件。但是由于斷層影響范圍大、潛在的導水裂隙發育，若僅通過井下注漿方式進行注漿封堵則面臨注漿材料運輸量大、注漿鉆孔施工工程量大、注漿與巷道掘進無法同步開展以及注漿地面施工受限等問題。地面注漿具備有施工方便、不會影響井下生產、效率高以及安全性好等優點。文中以2301運輸巷過DF02斷層為背景，采用地面注漿方式對巷道底板斷層影響區導水裂隙、涌水通道等進行封堵，并實現巷道掘進圍巖超前注漿加固。

2) 對地面及井下注漿鉆孔布置方案進行設計，同時為確保2301運輸巷掘進過DF02斷層影響區安全，在地面超前注漿區域內掘進時巷道掘進迎頭仍布置探測鉆孔對斷層影響區進行探測、超前疏排，并通過探測鉆孔對斷層進行注漿，提高斷層影響范圍內圍巖強度及穩定性；現場應用后，巷道掘進過DF02斷層期間圍巖未出現淋水情況，同時變形量較小，巷道得以實現了安全高效過斷層。