邢茂林

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

我國東部礦區(qū)開發(fā)深部煤炭資源面臨高水壓、高地應力和高水溫的復雜地質(zhì)環(huán)境，災害防治措施應向源頭預防和超前區(qū)域治理轉變[1]?！睹旱V防治水細則》要求煤礦防治水工作應當堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，巷道穿斷層破碎帶和含水層的超前探查治理工作是非常必要的。目前，巷道穿含水層綜合采用超前探放水[2-4]和注漿改造[5-8]，過斷層破碎帶常采用錨網(wǎng)、錨索、錨桿等支護工藝以及圍巖預注漿技術[9-11]。地面定向鉆注漿技術在煤礦水害超前防治中應用日益成熟[12，13]，也逐步用于巷道穿深大斷裂和含水層的超前治理，如鄭士田[14-16]等利用地面定向孔注漿技術對巷道掘進方向的多組深大斷裂帶進行預注漿加固取得良好效果。

在淮南煤田和淮北煤田中南部發(fā)育有逆掩斷層，底板灰?guī)r含水層被推覆至開采煤層頂板或側上方形成特殊地質(zhì)結構[17]。深部掘進巷道群穿灰?guī)r推覆體施工，面臨高承壓灰?guī)r水和斷層破碎帶治理兩大難題[18-20]。同時，地面勘探孔對含水層和斷層帶的空間位置和形態(tài)的控制精度很差，根據(jù)井下底板注漿經(jīng)驗高水壓下井下注漿效果差，因此巷道掘進過程中在井下探查和治理含水層和斷層的難度很大。

針對鄒莊煤礦87采區(qū)大巷群穿F25逆掩斷層推覆體面臨的高承壓水和破碎帶治理問題，采用地面定向多分支孔預注漿治理技術，對主體巷道所經(jīng)灰?guī)r推覆體進行探查和高壓注漿改造，消除巷道掘進過程中的主要水害隱患，同時對斷層破碎帶進行預注漿加固，保障巷道群安全掘進。

1 推覆體水文地質(zhì)概況

鄒莊礦87采區(qū)位于井田西部F25逆掩斷層(傾角30°～60°，落差大于300m)下盤，上盤太原組1～4灰(局部1～6灰)逆沖至松散層底界或被其他斷層切割，形成的灰?guī)r推覆體覆蓋在主采煤層之上或呈“對口”接觸。推覆體覆蓋煤層(7煤和8煤)南北長約5000m、東寬0～460m，面積1.1km2，壓煤1400余萬噸。

鉆孔揭露推覆體太原組地層厚度13.12～84.04m，自然水位標高-2.12～1.72m，q=0.00002～0.19L/(s·m)，K=0.000032～0.717m/d，富水性弱～中等。鉆孔揭露斷層帶寬6.96～8.73m，巖石較為破碎，充填物以泥巖為主、粉砂巖與砂巖次之，擠壓揉皺現(xiàn)象比較明顯，巖芯采取率低(約10%)，巖石完整性較差，q=0.00177～0.008L/(s·m)，K=0.0049～0.021m/d，富水性弱。

采區(qū)回風巷、軌道巷、帶式輸送機巷和回風聯(lián)巷4條主體巷道需要穿推覆體灰?guī)r和斷層帶，巷道設計標高-710～-820m，承受水壓高達7.1～8.2MPa。

2 地面定向多分支孔預注漿治理

針對巷道群穿灰?guī)r推覆體面臨的水文及工程地質(zhì)問題，解決思路是：采用地面定向多分支鉆孔分段注漿改造，鉆孔順巷道掘進方向進入推覆體灰?guī)r含水層，順巷道中心線鉆進，通過分段高壓注漿對其進行有效改造，消除水患；穿過灰?guī)r后，探明F25斷層帶并延伸至安全防隔水巖柱寬度，對斷層帶進行預注漿加固，改善工程地質(zhì)條件。

2.1 治理范圍

治理范圍以滿足巷道穿含水層和斷層留設的防隔水巖柱寬度為原則。參考《煤礦防治水細則》，防隔水巖柱計算如圖1所示，巷道穿推覆體前段防隔水巖柱寬度按式(1)計算，穿過推覆體和斷層之后按式(2)計算。

圖1 防隔水巖柱計算

式中，L1、L2分別為巷道穿推覆體前段和后段防隔水巖柱寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，這里取3；M為巷道高度，取3.8m；p為實際水壓，取8MPa；Kp為巖體抗拉強度，取0.4MPa；α為斷層傾角，取45°；Ha為安全防隔水巖柱的寬度，m；Ts為臨界突水系數(shù)，取0.1MPa/m。

根據(jù)上述公式和參數(shù)計算的L1=44m，Ha=90m，L2=127m。

巷道掘進安全隔水層厚度按式(3)計算。

式中，t為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，巷寬5.2m，考慮兩側松動圈為1.5m，取8.2m；γ為底板隔水層的平均重度，取0.026MN/m3。

據(jù)此計算t=25m，即對各巷道注漿改造范圍應不小于25m。

2.2 鉆孔布置

根據(jù)區(qū)域治理的工程實踐經(jīng)驗，區(qū)域太原組灰?guī)r注漿擴散距離約30m，鉆孔順巷注漿能夠滿足工程需求。據(jù)此布置一個地面定向孔組，包括1個主孔5個分支孔，治理范圍及鉆孔布置如圖2所示，1-1#和1-2#孔分別沿回風和軌道大巷中心布置，1-3#和1-4#分支孔分別沿帶式輸送機巷和回風聯(lián)巷中心布置，1#和1-5#孔在主體巷道之間填補空白區(qū)。

圖2 治理范圍及鉆孔布置

2.3 注漿方式

注漿目的：一是改造推覆體灰?guī)r含水層形成隔水圈帶；二是加固F25斷層破碎帶，增強巷道圍巖穩(wěn)定性。

注漿分三段：第一段揭露推覆體灰?guī)r含水層，遇沖洗液漏失則進行高壓注漿；第二段揭露F25斷層帶，無論漏失與否，均進行高壓注漿；第三段至終孔全段注漿。

注漿材料選擇P.O 32.5水泥。有效注漿壓力為靜水壓力的1.5～2倍，即孔口終壓不小于12MPa。注漿結束標準為達到終壓，且吸漿量小于60L/min，維持30min。

2.4 探查及注漿成果

鉆孔揭露推覆體各層灰?guī)r和F25斷層帶的孔深見表1，根據(jù)隨鉆測斜數(shù)據(jù)繪制各層灰?guī)r和斷層帶邊界如圖3所示，灰?guī)r和斷層帶的實際位置和形態(tài)與預想差異明顯，尤其是1灰和2灰呈現(xiàn)“Z”字型，而3灰和4灰則逐漸緩和且趨于穩(wěn)定；F25斷層面略呈鋸齒狀，顯然逆沖構造作用下地層發(fā)生明顯的彎折和揉皺。

表1 鉆孔揭露推覆體各層灰?guī)r和斷層帶的孔深 m

圖3 實際揭露的推覆體各層灰?guī)r和斷層帶邊界

各孔探查得到的推覆體灰?guī)r及斷層帶厚度見表2。太原組1、2灰較薄，3灰和4灰較厚，3灰平均9.3m，4灰平均24.5m。1#孔揭露3灰時漏失大于65m3/h，揭露4灰漏失5m3/h，1#孔注漿后其余鉆孔未漏失。太原組3、4灰是推覆體主要含水層，穩(wěn)定水位標高-16.2～-2.7m。斷層帶寬7～18m，平均12.7m，充填物大致以泥巖、砂巖為主，偶見煤屑，局部含灰?guī)r50%～70%，未漏失。

表2 推覆體灰?guī)r及斷層帶厚度 m

灰?guī)r和斷層帶不同壓力段注漿量如圖4所示。各孔灰?guī)r段注漿量49～120t，平均111t，斷層帶44～140t，平均71.8t，灰?guī)r注漿量大于斷層帶。將4～8MPa劃分為低壓階段，8～12MPa劃分為高壓階段，灰?guī)r高壓階段注漿量平均占比約46%；斷層帶主要在高壓階段可注，高壓階段注漿量平均占比68%?？紤]到二者厚度不同，計算各層的單位注漿量如圖5所示，可知斷層帶單位注漿量0.35～0.94t/m，大于灰?guī)r的0.19～0.59t/m，說明斷層帶在高壓階段可注性比灰?guī)r好，以高壓劈裂注漿為主。

圖4 推覆體灰?guī)r和斷層帶分壓力段注漿量

圖5 推覆體灰?guī)r和斷層帶單位注漿量

3 效果驗證

3.1 效果檢驗方法

通過地面井下聯(lián)合驗證的方式進行效果檢驗。地面通過對比注漿前后地層透水率檢驗注漿效果，井下通過探放水鉆孔的出水量和巷道掘進過程中揭露的圍巖固結情況進行檢驗。

井下探放水孔布置如圖6所示，井下探放水鉆孔按巷中、頂板、底板、左幫、右?guī)头较蚋?孔，終孔穿過F25斷層下盤30m，終孔點距巷道法距不小于25m的原則設計。

圖6 井下探放水孔布置

3.2 治理效果分析

地面定向鉆孔注漿前后透水率變化如圖7所示，隨著注漿的進行，后續(xù)鉆孔注前透水率有明顯的降低趨勢，各孔注后透水率小于0.02Lu，較注前平均下降85%以上，表明灰?guī)r含水層和斷層得到充分改造。

圖7 注漿前后透水率變化

井下探放水孔布置如圖8所示。軌道大巷施工3輪驗證孔，最大單孔水量1.3m3/h，實測灰?guī)r水壓7.0MPa；帶式輸送機巷施工1輪驗證孔，最大單孔出水量2m3/h，實測水壓7.0MPa；回風大巷施工2輪驗證孔，最大單孔涌水量2m3/h。同時，探放水孔對四個物探異常區(qū)進行了驗證。

圖8 井下探放水孔布置

治理區(qū)內(nèi)外探放水孔涌水量對比如圖9所示，井下灰?guī)r驗證孔單孔涌水量均小于2m3/h，鉆孔出水率16%，注漿改造范圍外施工的放水孔表現(xiàn)出較高的出水概率(約64%)和較大的出水量(最大單孔涌水量31.9m3/h)，根據(jù)鉆孔出水位置與地面定向孔空間關系判斷，注漿改造有效半徑30～35.5m。

圖9 治理區(qū)內(nèi)外探放水孔涌水量對比

井下斷層帶驗證孔均未出水，無明顯卡鉆、埋鉆現(xiàn)象。大巷過斷層期間綜掘截割順利，大巷穿斷層破碎帶后巷道成型良好，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，采用錨噴支護可順利穿過F25斷層破碎帶。

4 結 論

1)利用地面定向孔順巷鉆進探查，可以實現(xiàn)巷道掘進方向灰?guī)r含水層和斷層破碎帶的空間位置和形態(tài)的精確刻畫。高壓注漿在灰?guī)r含水層中有效改造半徑大于30m，改造后的含水層滲透性、鉆孔出水率和單孔涌水量顯著降低，改造后的破碎帶強度和完整性得到明顯改善。

2)水害和破碎圍巖是掘進巷道面臨的主要水文和工程地質(zhì)問題，地面定向孔順巷鉆進分段注漿是解決這些問題的有效手段，通過高壓注漿在巷道周圍形成隔水圈帶，固結斷層破碎帶巖體，保障巷道安全快速掘進。

3)地面定向多分支孔注漿技術具有施工條件好、探查精準和有效注漿壓力高的優(yōu)勢，實現(xiàn)了掘進巷道圍巖和水害問題由井下治理到地面治理、邊掘邊治到掘前治理、逐段治理到區(qū)域治理的理念轉變，可廣泛應用在巷道穿深大斷裂或高承壓含水層的超前治理。