潞寧煤業(yè)掘進巷道頂板富水區(qū)域探查與注漿加固技術

韓玉春

（潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

1.1 工作面概況

潞寧煤業(yè)22117 工作面主采2#煤層，為侏羅系大同組上部煤層，煤層傾角3°～5°（平均4.5°），煤層厚度2.0～5.2 m，平均4.0 m，屬穩(wěn)定可采厚煤層，煤層結構簡單，局部含有不連續(xù)薄層碳質(zhì)泥巖夾矸。煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y構

22117 工作面位于井田二二采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22115 采空區(qū)，煤柱15.3 m，下部為二二采區(qū)22119 回采工作面，未形成回采工作面，東南為2#煤層采區(qū)三條下山，西北部為該礦二二采區(qū)三條下山。

1.2 水文地質(zhì)條件

影響潞寧煤業(yè)公司22117 工作面安全生產(chǎn)的主要含水層為2#煤頂板的基巖孔隙裂隙水含水層和2#煤層與3#煤層之間的砂巖含水層及22115 采空區(qū)積水。其中：

（1）2#煤頂板含水層主要由大同組灰色砂巖組成，該水源主要沿2#煤層頂板的裂隙構造、個別錨桿孔和錨索孔淋入工作面。

（2）2#煤層與3#煤層之間的砂巖含水層，水頭較高，流量小，屬多年貯存下來的水，在有構造裂隙溝通或揭露含水層的情況下，將發(fā)生涌水現(xiàn)象。

（3）22115 綜采工作面采空區(qū)地勢為內(nèi)高外低，預計該工作面不存在大量積水，但仍需加強觀測。

1.3 工作面周邊構造

22117 工作面區(qū)域地層整體為一南東向傾斜的單斜構造，煤層走向N48°W，傾向S138°E。根據(jù)地面三維地震、井下工作面坑透、巷道揭露等資料綜合分析，22117 工作面已穿過陳半溝河區(qū)域，埋深在420～430 m，對22117 工作面回采不會產(chǎn)生影響。

2 探放水及注漿鉆孔設計

2.1 施工目的

通過在22117 工作面回采巷道掘進前布置定向長距離鉆孔，對掘進區(qū)域前方的2#煤層頂板富水異常區(qū)域進行探查，并通過定向鉆孔進行預放水，隨后通過鉆孔預注漿對圍巖進行改造加固[1-6]，保證巷道的安全高效掘進。

2.2 定向探放水鉆孔

（1）鉆孔設計原則

定向探放水鉆孔由鉆孔套管段、定向傾斜段及定向水平段組成。根據(jù)2#煤層的賦存條件及水文地質(zhì)情況，定向鉆孔長度一般在500 m 左右。鉆孔在巷道頂板上沿平面展開，向掘進方向以一定的仰角傾斜施工，垂直高度為15 m，護壁套管的直徑為127 mm。鉆孔具體布置原則如下：

① 鉆孔目標層位高度應超過2#煤層的頂板泥巖層及錨索的支護高度。

② 設計鉆孔長度應與鉆進設備的能力相匹配。

③ 當鉆進深度在150 m 內(nèi)遇到鉆孔塌孔的情況時，先對鉆孔孔壁進行注漿，加固破碎圍巖體。若加固后仍無法正常鉆進時，應停止施工并封孔，待巷道掘進過塌孔區(qū)域時再布置鉆孔；而當在鉆進深度超過150 m 時遇到塌孔的情況，應立即停止鉆進，待巷道掘進過塌孔區(qū)域時再布置鉆孔。

（2）鉆孔參數(shù)設計

為避免定向鉆孔施工影響巷道的正常掘進，需在巷道內(nèi)施工專用鉆場硐室，將配套設備布置在硐室內(nèi)進行鉆孔施工。鉆場寬×深×高=6.0 m×5.0 m×4.0 m，在巷道內(nèi)每隔400 m 布置一個鉆場，共計布置5 個鉆場。定向鉆孔總工程量為4573 m，具體鉆孔參數(shù)見表2。

表2 定向鉆孔具體參數(shù)

2.3 富水區(qū)注漿鉆孔設計

定向鉆孔探查到富水異常區(qū)域后，先進行放水，然后另設鉆孔采取注漿加固的方式進行堵水。注漿鉆孔的具體設計如下：

（1）注漿鉆孔終孔位置位于煤層上方10 m 處，漿液加固范圍應覆蓋巷道圍巖松動圈，鉆孔間距5 m，起始鉆孔布置在富水異常區(qū)30 m 的范圍內(nèi)。

（2）鉆孔長度根據(jù)實測水壓確定，鉆孔直徑為90 mm。

（3）注漿漿液的水灰比為0.5:0.8，漿液所用水泥的強度等級高于42.5。

2.4 注漿鉆孔封孔工藝

（1）為確保漿液能夠均勻地充實套管及孔壁間隙，孔口管的外露長度應小于0.3 m，并間隔120°安裝扶正裝置。

（2）在孔口外環(huán)埋設長度大于1.5 m 的注漿管，并在注漿管管口安設逆止閥。

（3）通過注漿管將水泥漿注入環(huán)向孔口，并候凝8～10 h。

（4）待孔口候凝結束，進行二次注漿，注漿壓力控制在2 MPa 以內(nèi)，待填滿套管與孔壁間隙后，停止注漿。

2.5 鉆孔注漿工藝流程

（1）先用一級套管進行注漿，待孔口出現(xiàn)返漿后，停止注漿，用水泥漿及玻璃水混合材料對一級套管與鉆孔的間隙進行封堵。

（2）二級套管及三級套管注漿時，先打開一級套管的截止閥，然后進行注漿，待截止閥返漿后，將其關閉，然后按照設計的注漿壓力進行注漿。

（3）為保證注漿效果，需對各級套管進行耐壓試驗，其中一級套管耐壓為7 MPa，二級及三級套管的耐壓為13 MPa。

3 應用效果分析

3.1 富水異常區(qū)探查情況

以施工結束的FZ1 鉆場為例，其具體探查結果如下：

（1）FZ1-1 號鉆孔探查異常區(qū)的剖面圖如圖1。圖中縱坐標為標高，橫坐標為巷道走向剖面。

圖1 FZ1-1 號鉆孔探查異常區(qū)剖面圖

鉆孔鉆進至60 m時遇水，水量較小，為2.8 m3/h，隨后水量減少，鉆進至93 m 時見水，水量為16 m3/h，鉆進至130 m 時的水量猛增至47 m3/h，鉆進至185 m 處時的水量為62 m3/h，鉆進至233 m 處的水量增加至77 m3/h，鉆進至301 m 處時，水量增加至84 m3/h，鉆進至342 m 處時的水量為91 m3/h，隨后的鉆進過程中水量基本保持在91 m3/h 左右，鉆進至終孔450 m 處時的水壓為1.1 MPa，提鉆后的水量為106 m3/h。由FZ1-1 號鉆孔探查結果可知，該鉆孔探查區(qū)域內(nèi)93 m、130 m、85 m、233 m、301 m、342～450 m 等區(qū)域為富水異常區(qū)，需對其進行注漿加固。

（2）FZ1-2 號鉆孔探查異常區(qū)的剖面圖如圖2。圖中縱坐標為標高，橫坐標為巷道走向剖面。

圖2 FZ1-2 號鉆孔探查異常區(qū)的剖面圖

鉆孔鉆進至60 m時遇水，水量較小，為2.8 m3/h，隨后水量減少，鉆進至74 m 時見水，水量17 m3/h，鉆進至104 m 時的水量猛增至29 m3/h，鉆進至188 m 處時的水量為42 m3/h，鉆進至201 m 處的水量增加至55 m3/h，鉆進至218 m處時水量增加至62 m3/h，鉆進至264 m 處時的水量為74 m3/h，鉆進至320 m處時的水量為80 m3/h，鉆進至357 m 處時的水量為91 m3/h，隨后鉆進過程中水量基本保持在91 m3/h 左右，鉆進至終孔450 m 處時的水壓為1.1 MPa，提鉆后的水量為101 m3/h。由FZ1-2 號鉆孔探查結果可知，該鉆孔探查區(qū)域內(nèi)74 m、104 m、188 m、201 m、218 m、264 m、320 m、357～450 m 等區(qū)域為富水異常區(qū)，需對其進行注漿加固。

3.2 富水異常區(qū)注漿效果

掘進前對FZ1 鉆場的2 個鉆孔探查的富水異常區(qū)域進行注漿封堵，注漿長度為100 m，注漿結束后，圍巖表面及孔口未出現(xiàn)滲流水情況，說明該注漿技術有效封堵了含水層的裂隙通道，取得了良好的堵水效果。

4 結論

（1）根據(jù)潞寧煤業(yè)22117 工作面回采巷道的賦存條件及2#煤層的水文地質(zhì)條件，對定向長距離探放水鉆孔及注漿鉆孔的參數(shù)及工藝進行了設計。

（2）現(xiàn)場應用結果表明，定向長距離探放水鉆孔通過水量變化精準探查出掘進面前方的富水異常區(qū)。根據(jù)探查結果進行注漿加固后，消除了圍巖的滲流水情況，保證了巷道的安全高效掘進。