高連榮

(冀中能源峰峰集團辛安礦，河北 邯鄲 056201)

1 前言

突水是制約礦井生產安全的重要因素，大多數(shù)礦井突水事故多發(fā)生在地質構造帶附近[1-2]。由于斷層作用導致近巖層強度低、自身穩(wěn)定性以及隔水性差，具有良好導水性。斷層這些性質導致有底板承壓水巷道掘進通過斷層時需要制定合理安全技術措施，確保巷道掘進安全[3-5]。導水斷層注漿封堵是避免巷道掘進導水事故發(fā)生的一個有效技術手段，通過將注漿材料注入到破碎巖體中，通過注漿漿液擴散、凝固，從而實現(xiàn)提高巖層硬度及封堵導水通道作用[6]?，F(xiàn)階段最常用的注漿封堵材料由水泥漿、化學漿液材料以及水泥- 水玻璃漿等[7]。

2 工程概述

2.1 掘進巷道概況

某礦井田主采6號煤層，底板標高+602～+689m，具體煤層頂?shù)装鍘r性見表1。對6號煤層開采造成威脅的含水層主要為奧陶系灰?guī)r含水層，該含水層水量豐富，發(fā)育范圍廣泛，對應的水位標高+902m。6號煤層與下部含水層間間距48.4m，若發(fā)育有斷層、陷落柱等地質構造時，就會引起煤層與含水層間出現(xiàn)水力聯(lián)系，給煤炭開采工作帶來不利影響?，F(xiàn)階段，礦井正掘進6號煤層3采區(qū)回風、運輸以及輔助運輸大巷，根據(jù)地質資料顯示，三條掘進巷道均與DF21斷層(196°、∠63°、H=18m)相交，巷道過斷層期間有突水危險性，因此，有必要采取合理的安全技術措施，確保巷道掘進安全。

表1 頂?shù)装鍘r性及厚度

2.2 含水層

6號煤層底板奧陶系灰?guī)r承壓含水層厚度為146.2～248.7m，為復合型水體，平均厚度210.6m。

巖溶水埋藏深度272.7～410.2m，對應的標高+850m，礦井開采位于巖溶水裂隙補給區(qū)范圍內，巖溶裂隙水主要補給水源為附近河流滲透補給以及北側巖溶水側向補給，其次補給水源為大氣降水，巖溶裂隙水從東北進入井田從西南流出。

2.3 隔水層

6號煤層下部主要隔水層本溪組泥巖、鋁質泥巖以及砂巖為主，厚度14.3～34.3m，平均厚度20.7m，巖層厚度較為穩(wěn)定。

2.4 DF21斷層參數(shù)

采用物探、鉆探等技術手段，對斷層發(fā)育情況以及導水性等進行探測，探測出DF21斷層斷距5.0～6.1m，斷層落差18m，傾角63°，該斷層具有導水性，直接與下部奧陶系灰?guī)r連接，經過水質化驗，DF21斷層主要涌水源為底板奧灰水，同時6號煤層頂板裂隙水也有參與，水源補給較為穩(wěn)定。

2.5 放水試驗

在礦井回風大巷中布置底板探水鉆孔，進行為期5d放水試驗，具體變化如圖1所示，從探測結果看出，探測鉆孔最終的涌水量穩(wěn)定在1.1m3/h，表明涌水點處涌水較為穩(wěn)定，根據(jù)放水鉆孔觀測結果，探測出的水位標高6號煤層底板奧灰水含水層水位標高相近，可以判定放水鉆孔充水的主要來源為底板承壓奧灰水。

圖1 回風大巷底板探水鉆孔涌水量變化曲線

3 巷道掘進過DF21防治措施

為了確保巷道安全、順利過DF21斷層，避免巷道在掘進過程或者掘進后期出現(xiàn)突水事故，最大程度保證巷道使用安全，對巷道掘進區(qū)域圍巖進行注漿，以便對導水裂隙進行封堵。通過注漿改造，實現(xiàn)巷道掘進空間與底板奧灰水之間通道隔絕，在巷道掘進引起的松動圈外圍布置環(huán)形隔水帷幕，確保巷道在掘進過斷層期間安全性，阻止底板奧灰水沿著斷層向巷道掘進空間涌入。

3.1 巷道底板注漿加固

1)注漿鉆孔設計

在6號煤層回風巷及運輸機巷間中心線為界，在回風大巷附近由近及遠分別施工3排鉆孔，每一排布置5個注漿鉆孔。將第一排鉆孔布置在DF21斷層東部30m位置處；將第二排鉆孔終孔位置布置在DF21斷層與底板奧灰?guī)r截割處；將第三排鉆孔終位置布置在DF21斷層西側30m位置處。每一排鉆孔的終孔間距為10m，鉆孔的最南側布置距離回風大巷20m處，3排注漿鉆孔的終孔位置布置在底板奧灰?guī)r上部邊界下方10～30m處。對3排鉆孔進行注漿，以便對回風巷道掘進區(qū)域內的導水裂隙進行封堵，具體注漿鉆孔布置如圖2所示。

圖2 底板注漿鉆孔平面布置示意圖

2)注漿鉆孔結構

為了有效對注漿區(qū)域導水裂隙進行封堵，并降低注漿對掘進回風大巷圍巖穩(wěn)定影響，避免在施工過程中造成底板水涌入到施工現(xiàn)場，鉆孔設計為兩開結構，一開采用15m長套管護壁，二開采用40m長套管護壁，在安裝套管時先采用鉆機將套管定入到鉆孔底部，后采用注漿材料將套管與鉆孔孔壁縫隙進行填充。

3)鉆孔鉆進及注漿工藝

(1)鉆孔鉆進過程中先采用直徑75mm鉆孔開孔，鉆進17m后使用直徑159mm鉆孔進行擴孔，鉆孔距離為17m。

(2)在鉆孔內下放長度15m直徑146mm套管，套管外露200mm，端部與法蘭盤(DN150)連接。

(3)向鉆孔內注水水泥單液漿(水灰比0.7∶1)，直至水泥漿從孔底返出到孔口為止。

(4)注漿完成48h后，進行套管耐壓試驗，試驗水壓為4MPa，持續(xù)試驗時間控制在30min以上，若止水套管不出現(xiàn)松動、套管外未返水，則表明施工的一級止水套管成功。

(5)使用直徑133mm鉆頭從17m位置繼續(xù)鉆進至42m位置，在鉆孔鉆進過程中采用扶正器，確保鉆孔鉆進軌跡與設計軌跡一致。

(6)在鉆孔中下放長度為40m，直徑為108mm套管，套管外露200mm，端部與法蘭盤(DN100)連接。

(7)在套管上裝入悶蓋后，注水水泥單液漿(水灰比0.7∶1)，直至水泥漿從鉆孔孔底返出至鉆孔以外。

(8)注漿結束后48h，再次進行耐壓試驗，若套管無松動及管外未有返水，則表明二級套管布置合理。

(9)在對鉆孔進行耐壓試驗成果之后，鉆孔繼續(xù)鉆進至奧灰?guī)r頂板邊界下方10～30m；鉆孔鉆進過程中涌水量超過5m3/h時，應先進行鉆孔注漿后再進行鉆孔鉆進；若鉆孔涌水量突然增加，則應保證臨時排水設備滿足排水要求后方可退出鉆桿，待采取處理措施后方可繼續(xù)進行鉆孔鉆進。

3.2 巷道止水帷幕施工

在巷道掘進至DF21斷層破碎帶附近時進行帷幕注漿，注漿半徑設計為11m，鉆孔終孔位置確定在斷層破碎帶后方10m位置，具體止水帷幕鉆孔布置如圖3所示。為了保證止水帷幕防治水效果，并降低鉆孔工程量，鉆孔分序進行鉆進施工，即先施工圖3中1- 1～1- 5鉆孔，并將該鉆孔兼做探測鉆孔；先進行1- 1～1- 5鉆孔鉆進、注漿，后再開始2- 1～2- 8鉆孔鉆進、注漿。

鉆孔鉆進中涌水量若超過5m3/h，可以提前對鉆孔進行注漿，注漿鉆孔注漿壓力控制在4MPa以上，待注漿后48h，才可繼續(xù)進行鉆孔，注漿采用水泥單液漿(水灰比0.7∶1)。若鉆孔注漿后鉆孔涌水量仍在1m3/h以上，則對鉆空進行掃孔，隨后再進行注漿，如此反復進行，確保鉆孔單孔涌水量在1m3/h以內。

圖3 止水帷幕鉆孔布置示意圖

3.3 注漿防治水效果

在回風大巷掘進期間共布置施工28個注漿鉆孔，其中底板注漿鉆孔15個，止水帷幕鉆孔13個，共注入水泥量118t。巷道通過DF21斷層期間，僅頂板存在少量淋水(涌水量<0.4m3/h)，淋水水源主要為頂板裂隙含水層，通過注漿確保了回風大巷掘進過導水斷層安全。

4 結論

礦井在回風大巷掘進過DF21導水斷層，斷層與6號煤層底板奧灰水承壓含水層相聯(lián)通，通過采用物探及鉆探方式，在充分分析斷層導水性、產狀等斷層參數(shù)基礎上，制定巷道過斷層防治水措施，主要為底板鉆孔注漿封堵導水裂隙，在巷道掘進過破碎帶范圍內施工注漿鉆孔布置止水帷幕，隔斷底板奧灰水與斷層間的水力聯(lián)系，同時也可以對斷層破碎帶進行加固，提高巷道掘進安全系數(shù)。