龍固煤礦巖巷注漿堵水中基于關鍵孔的信息化治理體系研究

王 利

（中煤科技集團公司，北京市朝陽區，100013）

龍固煤礦巖巷注漿堵水中基于關鍵孔的信息化治理體系研究

王 利

（中煤科技集團公司，北京市朝陽區，100013）

針對龍固煤礦二號輔助運輸大巷幾個層位突涌水現象較為嚴重的問題，在巷道注漿堵水過程中提出了關鍵孔治理思想，制定了鉆孔評價標準和關鍵孔的多因素層次優選方法。從材料消耗和堵水效果監測方面對關鍵孔的作用效果進行了評價。通過對鉆孔的評價和優選，提高了鉆孔的利用效率。

巷道注漿堵水 關鍵孔 鉆孔評價標準 信息化 龍固煤礦

1 工程背景

山東新巨龍能源有限責任公司龍固煤礦設計能力為600萬t／a，其首采水平為-810 m，地面標高+43.6 m，埋深大、表層土厚、斷層構造極為發育。

二號輔助運輸大巷穿越多個巖層，其中，灰巖、泥巖、泥質細砂巖、粉砂巖、細砂巖等幾個層位突涌水現象較為嚴重。突涌水的主要原因是該區域內的三灰含水層被兩處張扭性斷層FL8-1、FL8-2切斷，進而為地下水的流通額外產生了一條垂直方向的通道，促進了地下水的排泄。

二號輔助運輸大巷涌水區域總長度約310 m，涌水量為720 m3／h，涌水初始揭露水壓為7.5 MPa，經過疏排后水壓為2.5～3.5 MPa，涌水溫度約為49℃，屬于典型的高溫、高壓、大流量涌水，工程治理難度極大。根據涌水點位置、特征及涌水量大小，將涌水段劃分為4個分區，分別為頂板淋水區、頂板冒落集中涌水區、巷道散點涌水區及巷道底板涌水區，其中頂板淋水段位于斷層FL8-1兩側，主要為從巷道頂板向底板穿越的斷層破碎帶，底板涌水段主要分布于FL8-2附近。同時，二號輔助運輸大巷圍巖多為巖石強度低的軟巖層，在斷裂構造運動影響下較破碎，穩定性差，在外力作用下易發生坍塌事故。二號輔助運輸大巷涌水段及主要涌水點分布見圖1。

圖1 二號輔助運輸大巷涌水段及主要涌水點分布示意圖

2 關鍵孔注漿思想

基于上述工程實際，二號輔助運輸大巷治理需采取科學合理的注漿堵水技術措施保證煤礦建設和生產安全。輔二運輸大巷初步方案設計深部注漿孔78個，鉆探總進尺5750m。但在初期施工幾個鉆孔都無水，效果較差，而且還為后來的注漿以及鉆孔設計增加了難度。為找到最佳引排鉆孔和最佳注漿孔，在充分利用鉆孔的補充探測基礎上引入關鍵孔注漿思想。

關鍵孔是指在注漿、引排水、圍巖加固中起到主要作用的鉆孔。關鍵孔往往具有較好的連通性，能夠揭露主導通裂隙，通過關鍵孔的鉆探、探測可以建立圍巖含、導水構造的分布模型，確定注漿堵水工程治理關鍵區域。

關建孔注漿實施的關鍵在于鉆孔設計以及鉆孔質量評價進而優選出關鍵孔進行注漿治理，為此，引入關鍵孔信息化治理體系，通過提出鉆孔質量評價標準，結合鉆孔質量評價因素來綜合選孔。

3 工程現場應用

3.1 鉆孔設計

通過涌水區域地質及水文地質條件分析，確定涌水水源含水層，根據現場水文地質條件采用瞬變電磁法對現場涌水區域進行物探，基本探查出主要含、導水構造發育特征及重點涌水區域富水性情況，確定注漿堵水工程治理關鍵區域為巷道頂板淋水區，結合探測分析結論，針對關鍵區域巷道頂板淋水區的治理，初步設計4個鉆場。

3.2 鉆孔質量評價

鉆孔質量涉及施工安全、進度、效益等多個問題，所以鉆孔質量評價標準的制定顯得尤為重要。通過制定鉆孔質量評價標準，可以實現關建孔的多因素層次優選，進而可以提高鉆孔的利用率。

3.2.1 鉆孔質量評價標準

根據層次分析的計算方法，鉆孔質量評價得分越高，鉆孔質量越好，鉆孔評價得分區間與鉆孔評價因素賦值高低有關，賦值越高，各因素間賦值差距越大，鉆孔得分差距越明顯，由于現場施工條件較差，目標區域小，鉆孔賦值較低，故評價得分也較低。根據二號輔助運輸大巷現場情況和賦值的平均水平，確定了5個鉆孔質量等級，具體情況如表1所示。

3.2.2 鉆孔質量評價因素

鉆孔質量關系到施工安全、引排及注漿治理效果，其質量評價可以分為兩個層次，第一層評價因素分為安全評價、技術評價、環境評價和成本評價4個方面，其中每個方面又可以根據具體工程條件分為諸多小項，針對不同的項目和工程環境，有不同的評價標準，即為第二層評價因素。其中，安全評價包括施工人員安全性評價、工作環境評價及工程安全評價；技術評價包括鉆孔揭露裂隙數及鉆孔涌水量、連通時間或跑漿時間、有效擴散范圍估計及跑漿濃度；環境評價包括通過治理可改善環境、對環境無影響及對環境有破壞作用；成本評價包括鉆孔施工成本、鉆孔吃漿能力及鉆孔及注漿施工難度。

表1 鉆孔質量評價標準

在注漿鉆孔的質量評價因素中，所涉及的評價指標很多。其中有少量的定量指標，如鉆孔涌水量、揭露裂隙數量、水壓等；更多的是模糊性很強的定性指標，如連通性、有效擴散范圍等。實際應用中為了簡化處理，借用模糊理論，根據具體問題不同的復雜程度和需要，每一影響預報效果的因素可按其性質分為若干等級。具體到輔二運輸大巷中，將涌水量、跑漿濃度和跑漿時間3項作為定量評價。實際操作為涌水量評價得分為Qi／Qmax，其中，Qi為本孔涌水量，Qmax為治理段涌水量總和；跑漿時間評價得分可以根據注漿材料初凝時間和施工可操作性綜合確定，以速凝無機注漿材料為依據，其現場初凝時間為30～45 min，跑漿時間太短或太長得分均下降；跑漿濃度評價方法與涌水量評價辦法相似，具體得分為跑漿漿液濃度與注漿漿液濃度的比值。限于篇幅，這里就不作詳細的計算說明。

3.2.3 關建孔注漿設計

根據最終鉆孔質量評價得分，按最大隸屬原則，選擇1個最優關鍵孔和5個次優關鍵孔合計共6個關鍵孔。次優關建孔4-5＃和次優關鍵孔4-6＃如圖2所示。

圖2 關鍵孔4-5和4-6的地質剖面圖

（1）注漿材料選擇。以鉆孔的現場試驗和注漿材料現場凝固試驗為指導，針對涌水治理特點進行如下材料選擇：

以膨脹性輕骨料 （以工業海帶和鋸末為主）為主要注漿材料。由于二號輔助運輸大巷內涌水流量流速較大而巷道涌水道短，所以應該采用能夠遇水膨脹的膨脹性輕骨料進行封堵和填充大裂隙過水通道。

以C.S雙漿液為輔助注漿材料。C.S雙漿液是一種速凝無機注漿材料，其初凝時間為30～40 min。由于巷道內多為高溫、高壓涌水，采用一般漿液不能保證注漿結石體的長期持久性和穩定性。

此外，由于巷道內圍巖多為軟巖層，在斷裂構造運動影響下較破碎，穩定性差，還應該選擇高強復合水泥漿液作為注漿材料。

（2）注漿工藝。根據巷道以及上述3種漿液的特點，按照先膨脹性輕骨料注漿減緩涌水流速，封堵大裂隙，再用C.S速凝雙漿液注漿減水，最后高強復合漿液加固的 “深部注漿堵水，淺層系統加固”思路順序進行注漿，并且采用動水注漿技術。

4 關鍵孔的堵水加固作用效果評價

以治理難度最大的冒頂區和頂板涌水段作為分析對象，對關鍵孔高壓裂隙涌水的注漿減水和加固的作用效果進行評價。

二號輔助運輸大巷冒頂集中涌水段的治理共施工鉆孔35個，其中關鍵孔6個，關鍵孔的材料消耗比率如表2、表3、圖3所示，經過對關鍵孔的系統注漿，頂板涌水段涌水量由原來的85 m3／h減為10 m3／h，注漿后巷道圍巖變形速率小于0.2 mm／d，減水和加固效果顯著，由此可見，關鍵鉆孔注漿對減少涌水量明顯。此外，由圍巖收斂監測數據判斷，圍巖加固效果也較為明顯。

表2 關鍵孔鉆孔參數及注漿消耗表

表3 關鍵孔鉆孔注漿消耗比率

圖3 關鍵孔及其他鉆孔材料消耗對比圖

綜合考慮，在物探基礎上，針對二號輔助運輸大巷富水區域進行鉆孔設計，并根據信息化施工機制，對鉆孔數量和參數進行動態調整，最后實際施工深部注漿孔52個，比原設計減少33.3%；鉆探進尺3312.5 m （不含復鉆），比原設計減少41.4%。

5 結論

（1）針對龍固煤礦涌水為高溫、高壓、大流量的特點，提出關建孔注漿思想，并在具體的工程應用中取得了良好效果。

（2）針對關建孔注漿，提出了運用鉆孔質量評價標準來對其進行優選，為關建孔注漿建立了信息化治理體系，并為后來類似工程提供借鑒和參考依據。

（3）從工程治理效果、經濟效益以及工程量等方面對關建孔注漿作用進行對比、分析發現，關建孔治理思想能科學有效地找到富水異常區或含導水構造，減少鉆孔數量；針對關鍵孔進行注漿設計可有效節約資源，縮短工期。

［1］徐栓祥 .龍固礦深立井大流量工作面預注漿堵水研究 ［J］.中國煤炭，2009 （5）

［2］辛恒奇，徐栓祥 .掘進巷道涌水斷裂縫隙探測及注漿堵水技術 ［J］.煤炭科學技術，2011（5）

［3］張霄，李術才，張慶松等 .關鍵孔注漿方法在高壓裂隙水封堵中的應用研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2011 （7）

［4］李術才，李樹忱，張慶松等 .巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2007（2）

Research on informatization control system based on key borehole for water plugged by grouting into strata roadway in Longgu Coal Mine

Wang Li
（China Coal Technologies Group Corporation，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aimed at the severe water inrush in many positions of No.2 auxiliary main haulageway in Longgu Coal Mine，the key borehole control was proposed for water plugged by grouting into roadway and the evaluation criteria for boreholes and the multi-factor optimizing method of key borehole were made.The effect of key borehole was evaluated according to the material consumption and the monitoring on water plugging effect.The utilization efficiency of borehole was enhanced through the evaluation and optimization of boreholes.

water plugged by grouting into roadway，key borehole，evaluation criteria for boreholes，informatization，Longgu Coal Mine

TD743

A

王利 （1969-），男，山東寧陽人，工程師，博士，曾任新汶礦業集團公司華豐煤礦副礦長、內蒙古福成礦業公司黨委書記，現任中煤科技集團公司總經理助理。

（責任編輯 張艷華）