张文明

【摘 要】 针对巷道掘进过导水断层面临围岩破碎、承载能力差、支护困难，涌水量大等问题，将深孔帷幕注浆技术应用到巷道过导水断层中，取得显著效果。研究结果表明：（1）通过深孔帷幕注浆在巷道掘进轮廓线外围形成堵水帷幕圈、混凝土加固帷幕圈，降低巷道过断层期间的涌水量、提高岩层承载能力;（2）堵水、加固帷幕圈范围远大于巷道掘进引起的围岩松动圈，掘进引起围岩裂隙不会对注浆堵水效果及围岩承载力造成影响。采用深孔帷幕注浆为巷道通过导水断层创造良好环境，保障了巷道掘进安全，为矿井掘进巷道过断层防治水工作开展提供了切实可行的技术途径。

【关键词】 巷道掘进;导水断层;破碎围岩;深孔帷幕注浆;围岩加固;堵水

【中图分类号】 TD745 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）01-0012-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

突水是矿井安全生产的主要事故，绝大多数矿井发生突水与断层、褶曲及陷落柱等地质构造有关。其中断层一般是良好的导水通道，周边岩层破碎、强度低、稳定性差是造成矿井突水的主要原因。在巷道掘进通过导水断层时，必须采取有效技术措施，才可以确保巷道掘进安全。深孔帷幕注浆技术适用于裂隙、节理、富水地层中，可以有效封堵导水裂隙，提高破岩岩层稳定性。根据深孔帷幕注浆技术特点，在山西某矿2采区2201运输巷过DF6-1导水断层中应用该技术，取得显著效果。

1 工程概况

山西某矿2采区2201运输巷沿着2号煤层底板掘进，2号煤层埋深480m，采用锚网索支护。在已经完成支护范围内，围岩控制效果显著，未发生表层喷射混凝土开裂、煤壁片帮、顶板淋水等现象，围岩变形量控制在较小范围内。但是巷道掘进至DF6-1断层50m时，施工的超前地质探测钻孔涌水量达到100m3/h以上，为了确保巷道掘进安全在原有围岩控制措施基础上，增加布置排距800mmU型钢棚。巷道掘进至断层10m距离时，围岩变形量显著增加，U型钢棚出现被压弯现象。具体煤层顶底板岩性见图1。

根据地质资料显示，2号煤层涌水来源为上覆粗粒砂岩裂隙含水层。前期2号煤层其他巷道掘进期间未见顶板淋水，表明2号煤层顶板砂岩及泥岩具有较强的隔水性。

根据掘进巷道探放水钻孔排放水记录，钻孔涌水量在100m3/h以上，2号煤层上覆粗粒砂岩裂隙含水层涌水量在140m3/h，两者的涌水量较为接近，同时2号煤层附近未有其他含水层，判定探放水钻孔涌水是由于上覆粗粒砂岩裂隙水被DF6-1断层联通所致，具体巷道掘进前方断层结构见图2。

在2201运输巷掘进迎头前方存在DF6-1、DF6-3断层，同时不能排除两个断层附近存在的其他伴生小断层。DF6-1落差在4m、DF6-3落差在12m，上覆粗粒砂岩裂隙水沿着断层破碎带向2号煤层顶板渗透、浸泡泥岩、砂岩，从而引起泥岩、砂岩出现软化，强度降低。尽管巷道掘进迎头距离DF6-1仍有10m，但是顶板岩层在水作用下承载力降低，这也是导致巷道围岩控制U型钢棚被压弯、顶板冒落的主要原因。

2断层破碎岩层加固及堵水方案

2.1深孔帷幕注浆技术优点

在巷道迎头进行超前深孔注浆，并保留厚度5m的止水岩帽后可以确保后续巷道有100m以上安全掘进距离。

注浆浆液有效扩散范围广，能够有效对导水裂隙进行封堵，安全系数高。

巷道掘进后在围岩内产生的新的微小裂隙扩展范围远小于帷幕注浆形成的堵水及加固圈范围，对已经实施的注浆加固方案不会造成影响。

2.2深孔帷幕注浆方案

为了确保深孔帷幕注浆止水效果，实现对DF6-1及其他次生断层可能存在的向2201运输巷涌水通道封堵，并在巷道周边形成厚度圆形混凝土帷幕，具体设计的深孔帷幕注浆方案为：

2.2.1注浆钻场

在距离掘进巷道迎头15m位置处布置2号钻场，在2号钻孔后方5m位置处布置1号钻场，确保止水岩帽的有效厚度在10m以上且1号、2号钻场间施工相互无干扰。

2.2.2注浆钻孔

为了确保进行深孔注浆后在巷道掘进前方DF6-1断层周边形成厚度在10m以上的注浆封堵圈，注浆压力按照3MPa进行，注浆钻孔浆液有效扩展半径为2.5m，注浆钻孔布置见图3、4，参数见表1。

2.2.3钻孔套管

采用直径φ42mm钻杆配套直径φ127mm钻孔先施工2m深钻孔。

在钻孔孔口安装直径φ108mm一级套管，长度2070mm，在套管的外露端焊接法兰盘（直径φ108mm），采用钻机将一级套管顶入施工的钻孔内。

将套管外露端法兰盘与托盘采用高强螺栓连接，后将直径φ25mm高压管插入到快速接头内，并开启注浆泵，将注浆浆液充填钻孔孔壁与一级套管间的孔隙，待浆液凝固后一级套管施工完毕。

采用直径φ42mm钻杆配套直径φ89mm钻头从孔口一级套管底端钻进，钻进深度控制在80m。

2.3注浆材料

2201运输巷掘进至DF6-1断层附近时，围岩变形严重，U型钢棚出现压弯、顶板出现岩层冒落。表明，巷道掘进范围内的围岩自身承载能力低下，巖层松散，此外还受到断层及涌水影响。因此，注浆材料应首先选择快速堵水材料，后选用围岩加固材料。根据上述要求，在注浆过程中首先选择水泥-水玻璃浆对导水裂隙进行快速封堵，随后采用封堵纳米材料提高断层影响范围内的围岩承载能力及稳定性，从而使得应用的深孔帷幕注浆技术可以达到预期设计目标。具体采用的注浆材料优缺点见表2。

3注浆工艺及参数

3.1注浆加固范围

由于2201运输巷掘进前方存在DF6-1、DF6-3两个导水断层，两个断层间的水平距离在110m左右，并考虑到两条断层周边的一些其他伴生断层，巷道设计的注浆范围为120m，分两次进行，每次注浆的范围为80m。

3.2注浆压力

注浆压力对注浆浆液的有效扩展范围，裂隙充填程度以及导水裂缝封堵效果等均有显著影响，为了达到封堵导水裂隙并提高破碎围岩稳定性、承载能力目的，选取确定的注浆应能克服地层压力以及涌水压力影响。注浆压力可以采用经验公式确定，具体为：P=Po+2～4。

其中P表示注浆压力;Po表示涌水压力，取值为1MPa。

本次注浆选取的注浆压力为计算值的上限值，即P=Po+4=5MPa。

3.3注浆量

注浆钻孔单孔注浆量Q计算可以采用下式：

Q=πR2Lnaη

其中：R表示注浆浆液有效扩展半径，取值2.5m;L表示注浆段长度，取值80m;n表示注浆岩层裂隙率，取值4%;α表示注浆浆液在裂隙中填充扩展系数，取值0.9;η表示注浆浆液消耗率取值1.1。计算求得注浆钻孔单孔注浆量为62m3。

3.4注浆顺序、速度及停注标准

当注浆钻孔的涌水量高于100m3/h，注浆选取水泥—水玻璃双液浆，注浆孔注浆速度控制在0.3m3/min;当钻孔涌水量小于100m3/h，注浆采取封孔纳米材料，注浆孔注浆速度控制在0.2m3/min。

水泥浆中水灰比按照重量为1：0.8，水泥浆与水玻璃浆按照体积比为1：1。封孔纳米材料水灰比控制在0.45：1。

当注浆钻孔的注浆量低于0.02m3/min，且注浆压力达到5MPa、持续时间在10min以上时，则可认为单个钻孔的注浆量已经满足设计需要。否则，应持续对钻孔进行注浆或者采用停歇方式进行注浆，直至注浆满足标准要求。

4应用效果分析

2201运输巷过DF6-1断层前就采用深孔帷幕注浆技术，在巷道前方通过断层外围形成堵水帷幕，有效对断层破碎带范围内的导水裂隙进行封堵，将巷道涌水量从注浆封堵前的100m3/h降低至25m3/min。同时通过深孔帷幕注浆，在巷道掘进轮廓线外围形成了混凝土帷幕，实现对断层引起的破碎带加固，提高了围岩自身承载能力，确保了巷道掘进安全。通过采用深孔帷幕注浆，实现了巷道采用锚网索支护U型钢架棚支护滞后掘进迎头5m的围岩控制方式。

通过采用深孔注浆帷幕，为2201运输巷顺利通过DF6-1导水断层创造有利条件，实现了巷道安全、顺利通过该断层。同时也为矿井掘进巷道过断层防治水工作开展积累可行经验。

5结论

DF6-1断层围岩破碎，并与上覆粗砂岩裂隙含水层沟通，采用常规的锚网索支护方式无法有效对掘进巷道围岩进行控制，通过运用深孔帷幕注浆技术，在巷道掘进轮廓线外围形成堵水帷幕圈、混凝土加固帷幕圈，不仅降低巷道掘进通过断层期间的涌水量，而且提高岩层承载能力。

采用深孔帷幕注浆技术后，在保留10m止水岩帽后，巷道的安全掘进距离可以达到100m以上，有效提升了巷道掘进效率。

深孔帷幕注浆钻孔浆液的有效扩展半径达到2.5m以上，能够有效对动压水进行封堵，减少动压水向掘进巷道的涌水量，降低巷道后期掘进难度，提升掘进安全系数。同时采用深孔帷幕注浆加固技术后形成的堵水、加固帷幕圈范围远大于掘进巷道引起的围岩松动圈范围，巷道掘进引起围岩裂隙不会对注浆堵水效果及围岩承载力造成显著影响。

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