峪溝煤業8105工作面斷層注漿加固治理技術應用研究

杜琳

（大同煤礦集團 同生峪溝煤業有限公司，山西 朔州 036002）

1 工程概況

峪溝煤業8105回采工作面位于4號煤層一采區，工作面可采長度608 m，巷道走向282°，煤層傾角5°~17°，平均11°，4號賦存穩定，煤層平均厚度7.22 m、4號煤層頂板為中粒砂巖，厚度0~6 m，底板直接底為泥巖厚度1~1.4 m，老底中砂巖0.8～1.95 m。采煤方法為走向長壁采煤法，采煤工藝采用綜合機械化低位放頂煤采煤，全部垮落法管理頂板。

2 工作面斷層及出水點位置分析

8105工作面位于DF2-DF3、DF4正斷層之間，DF2正斷層走向北東，傾向北西，傾角70°～75°，斷距25~60 m，DF2斷層在8105工作面5105回風順槽切眼外220~270 m處已揭露，根據鉆探結果探測DF2斷層屬于一條不規則斷裂帶，從相切點部位分別開始揭露后，以巷道217 m段為最近點上盤區域，無出水現象。

工作面形成后按照要求在8105回風順槽向底板探測斷層和下部9號煤層時，設計鉆孔2個，1號鉆孔位于切眼外310 m處，1號鉆孔鉆至46 m時出水，涌水量為25 m3/h，在孔深47 m處，涌水量增大為50 m3/h，2號鉆孔位于巷道470 m處鉆孔傾角為-80°，開孔標高965.52 m，孔深55 m。50 m時出水涌水量為16.5 m3/h，1號、2號鉆孔出水后，取水樣化驗，水質分析接近于奧灰水水質指標。

根據該礦《奧灰水突水危險性評價報告》資料顯示，SW1號水文孔隔水層厚度為91.9 m，奧灰水水位靜止標高為1 051.81 m，水頭壓力1.835 MPa，4號煤層底板標高956.45 m，奧灰水突水系數計算如下：

1號鉆孔處突水系數為：

2號鉆孔處突水系數為：

經過上述計算結果，2個鉆孔已鉆探至奧灰頂界，深度實際突水系數小于底板構造破壞塊段突水臨界值0.06 MPa/m。

雖然構造破壞塊段實際突水系數小于突水臨界值，但通過巷道實際揭露的地質資料分析，巷道部分點揭露DF2斷層帶（圖1），8105工作面回風順槽煤層底板距奧灰含水層有效隔水層厚度減小至46 m，區域性巖層結構較復雜，通過對鉆探結果分析和化驗報告分析，兩孔均鉆至奧灰頂界，揭露奧灰地層，工作面隨著采回采面積的增大，圍巖壓力的破壞，斷層活化導通奧灰水水量勢必會增加。為了提高整體圍巖的密實度與固結性能，對巷道揭露斷層帶接近范圍210 m進行鉆探孔注漿加固，充填加固斷層導水裂隙，達到預防采動滯后出現突水的目的，實現安全回采。

3 注漿加固設計方案

3.1 注漿加固原則目標

對8105工作面回風順槽斷層裂隙帶進行注漿堵水加固，防止采后擾動破壞隔水層造成底板奧灰水突水事故。

3.2 注漿加固鉆孔設計及方法

（1）8105工作面回風順槽注漿治理措施。向底板施工15個注漿孔，鉆孔孔間距15 m，1號鉆孔從巷道217 m段底板開始鉆探，以此類推向上鉆設其他鉆孔，對每個鉆孔角度、見煤深度、終孔深度進行控制，終孔深度不得打穿有效隔水層（落地在鋁質泥巖層位之上），漿液盡可能注入斷層裂隙帶，靠近斷層帶方向鉆設，注漿加固斷層裂隙帶，具體設計參數見表1，巷道鉆孔施工設計布置如圖2所示。

圖2 巷道鉆孔施工設計布置Fig.2 Design arrangement of roadway drilling hole construction

表1 鉆孔設計數據Table 1 Drilling hole design data

（2）鉆孔前需要下放注漿套管，一級套管長度8 m，采用φ68 mm鋼管安設注漿閥門后，用鉆機在套管內按照設計深度進行鉆孔注漿作業，鉆孔采用ZLJ-700D坑道鉆機，鉆機專門前進式注漿，后退式注漿一次性完成注漿作業，不需要鉆孔后再下放注漿管，注漿套管，整個注漿作業從開孔到終孔，包含鉆孔、注漿一次性完成，砂層、巖層，可分層進行注漿作業，鉆頭直徑45 mm，可以減小涌水量，更好的一次性封堵鉆孔，從而達到注漿加固預防圍巖的目的。

（3）套管下放完成后對套管四周，以鉆孔點為圓心，1.5 m為半徑，布設周圍鉆孔4個（孔口管同樣深度）作為圍巖加固孔進行注漿，加固套管周圍松散圍巖，保持鉆孔周圍圍巖的承載力；固管及圍巖加固注漿完成后，鉆機鉆桿放入孔口管內，分層鉆孔進行注漿，鉆設1 m，進行注漿，往復循環，直至鉆至設計深度，采用后退式注漿方法，逐個進行封孔，孔口段采用RSS粉料加固堵水材料進行封堵加固。施工采用低密度，擴散性強的RSS-系列高分子無機化學加固堵水材料結合水泥基注漿材料，水泥砂漿，輔助注漿材料配合施工，一旦水量較大，注漿漿液需配置反應時間最短，凝結最快，強度最大，迅速控制水量且逐漸提高圍巖密實性。

（4）注漿結束的標準。一般認為實際漿液注入量大于或接近設計計算的注入量；注漿壓力呈規律性增加，并達到注漿設計終壓，經改變漿液的種類配比后仍不能注入漿液，即停止該孔注入；達到注漿終壓時的最小吸漿為10~20 L/min；水泥漿液維持注漿終壓和最小吸漿量的時間為30~45 min停止注漿。

（5）注漿壓力。注漿壓力是推動漿液在含水層裂隙及溶洞內運動、擴散、充塞壓實的動力。是注漿參數中最重要的參數之一，亦可人為控制，從而達到預期效果。

據經驗公式，參照《建井工程手冊》，化學漿液的注漿壓力由下式計算：

式中：P為注漿初壓，Kgf/cm2；P1為靜水壓，Kgf/cm2；P2為注漿正常壓，Kgf/cm2；P3為注漿終壓，Kgf/cm2。

因注漿終壓應為靜水壓力的3～3.5倍，即

一般來講，注漿壓力可人為控制，注漿壓力應由低向高逐漸過渡，在注漿剛開始的前幾個孔，注漿壓力要控制低一些，一次注漿達不到終壓而注入量較大時，可在低壓下結束注漿，而后復注，直到本孔段達到終壓，后注孔，因巖層的大中裂隙已被充塞，初期壓力較高，因此注漿終壓常要提高到10 Kgf/cm2，以保證注漿效果。

（6）底板注漿鉆孔總計15個，初步設計每米注漿1 m3，用水∶水泥為1∶0.8配置水泥漿液。

3.3 漿液的選擇及配備

根據工程地質、水文地質情況，注漿采用水泥漿液加固斷層裂隙帶，出現涌水現象采用水玻璃，RSS-化學無機加固堵水材料，根據現場情況，任意中的2種漿液通過端頭的漿液混合器充分混合。漿液對巖層裂隙有很強的滲透性，采用調節漿液配比和注漿壓力的辦法可使注漿范圍人為控制，凝結硬化時間可根據實際工程需要進行調整，使巖層的孔隙間充滿漿液并固化，改變圍巖的性狀，本漿液對地下水不會造成污染。注漿材料采用漿液采用水泥單液漿，出現涌水突水現場采用水泥水玻璃雙液漿，化學堵水材料雙液漿。注漿材料見表2，注漿參數見表3。

表2 注漿材料Table 2 Grouting materials

表3 主要注漿參數Table 3 Main grouting parameters

整個注漿過程，注漿壓力根據現場情況進行調試，單孔注漿初始壓力設計0.5 MPa，終孔壓力設計4 MPa，特殊情況特殊調試。

3.4 工藝流程

施工準備—測量放線—定位鉆孔—下8 m孔口管—孔口管周圍加固—孔口管內穩鉆—分層注漿—鉆注至設計深度—后退式分層注漿封孔—注漿完成。鉆孔注漿工藝流程如圖3所示。

4 注漿后底板突水性預評價

（1）回采后底板破壞深度按20 m計算，8105工作面回風順槽巷一切眼往外210 m范圍內經計算突水系數為0.081~0.065 MPa/m，根據《煤礦防治水細則》第七十三條第三項規定注漿加固底板結束后，采煤工作面突水系數不得大于0.1 MPa/m。

（2）8105工作面回風順槽巷210 m范圍內，底板破壞深度按20 m計算，經計算突水系數為0.05～0.046 MPa/m，小于底板受構造破壞段臨界突水系數0.06 MPa/m，屬于安全區。

（3）回采時受DF2斷層影響范圍內210 m尾應控制采高，以減輕回采對底板隔水層的破壞。

5 注漿加固治理效果

通過對8105工作面斷層裂隙帶注漿加固堵水的治理，底板向下探測斷層2個鉆孔封堵良好，已無出水現象；回風順槽巷道揭露斷層帶注漿210 m范圍只有1處受到底板注漿擠壓后巷道幫部滲水，水量較小為0.03 m3/h，經過回采期間6個月的觀測，較治理前采空區水量明顯減小，順利安全的完成了8105工作面回采，達到了預期治理效果。

6 結 論

（1）基于8105工作面對斷層裂隙帶注漿加固堵水順利實施，效果明顯，對該礦后期二采區開拓遇斷層等構造開采起到了很好的借鑒作用。

（2）進行注漿加固的主要影響因素為巖層裂縫的大小、漿液的濃度和注漿量。裂隙大小不易控制，所以通過掌握漿液濃度的變化及調節泵量的大小來控制壓力的變化尤為重要。

（3）隨著開采深度、開采面積的擴大，斷層裂隙帶、構造導水、陷落柱導水、附近開采溝通奧灰水誘發底板突水的可能性加大，實際開采中，通過先進的物探設備、留設安全的防隔水煤柱、注漿加固等手段可對奧灰水進行防治，效果比較理想，達到了安全回采的目的。