預注漿技術在掘進巷道穿過GF2斷層中的應用

左修波（山東鑫國煤電有限責任公司,山東　肥城　271600）

預注漿技術在掘進巷道穿過GF2斷層中的應用

左修波
（山東鑫國煤電有限責任公司,山東肥城271600）

摘要：山東鑫國煤電有限責任公司GF2斷層最大落差7m，存在著導通下伏本溪組徐家莊灰巖巖溶水的威脅，同時，斷層帶的破碎巖體也將對巷道掘進和支護帶來困難。該礦先后施工3個徐灰注漿孔通過地面預注漿的方式對GF2斷層上下兩盤進行加固，共注入水泥漿62.183t,破碎巖體也得到了有效加固，巷道掘進順利通過了GF2斷層。

關鍵詞：導水斷層;注漿鉆孔;地面注漿

巷道穿過斷層時發生重大突水和冒頂事故的案例常有發生。因此，在穿過斷層前必須查清斷層的導水性及巖體完好程度，并實施相應的巖體加固措施，確保施工安全。

1　礦井及GF2斷層概況

山東鑫國煤電有限責任公司位于肥城市新城以西25km，處于山東省肥城市湖屯鎮行政區內，在肥城煤田的西南部。地面標高為+65.40～+81.42m，井田走向長6.0km，傾斜寬0.5～1.8km，面積約8.6km2；開采深度+16～-360m。

GF2斷層位于礦井-210水平9200采區南部,走向189°～200°，傾向279°～290°，斷層最大落差7m，傾角50°～70°。由于施工9201里運中和9201里風道時，需先穿過該斷層。如果斷層導水性強，則在巷道過越斷層時，下伏于煤層以下的本溪組徐家莊灰巖（簡稱徐灰）可能沿斷層涌入工作面，影響礦井安全。此外，斷層帶巖體比較破碎，對巷道掘進、支護帶來不利影響，影響掘進速度和施工安全。

2　含水層特征

-210水平9200采區主要含水層有：太原群第四層灰巖（第四層灰巖簡稱四灰）、九層煤頂板泥灰巖、本溪組徐家莊灰巖（簡稱徐灰）、奧陶系石灰巖（簡稱奧灰）。（1）泥灰巖厚0～2.3m，平均1.15m，其裂隙發育，局部富水性強。（2）徐灰為井田內主要含水層之一，厚6.22～9.44m，平均7.48m，上距9煤平均23.2m，下距奧灰平均6.37m，中間夾六灰（即草埠溝灰巖）0～2.2m。徐灰質純致密，淺部巖溶裂隙發育，富水性較強。根據本采區鉆孔資料，采區區域徐灰水位為-113.0m,徐灰突水系數為0.06-0.068Mpа/m。（3）奧灰厚800 m左右，在煤田西北東南部山區大面積出露，淺部巖溶裂隙發育，富水性強，連通性好，直接接受大氣降水補給，動水量達2.8萬m3/h。奧灰井田范圍內斷裂構造發育,上距徐灰6.93～8.72m,平均7.83m，上距9煤41.04～43.46m,平均42.25m。徐灰與奧灰間巖層以砂質粘土巖鋁土巖為主,厚2.96m～10.8m,平均6.37m,具良好的隔水性能。因此重點對GF2斷層徐灰上下兩盤重點加固。

3　設計鉆孔參數

（1）方案確定。本次鉆探采用SGZ-IB150型鉆機進行施工，鉆孔按漿液擴散半徑10～30m呈扇形布置,分別在9202里風道、里運中巷道與GF2斷層交叉處底板設計兩個鉆孔，在9202里風道和里運中兩巷道正中設計一個鉆孔（詳見圖1），鉆孔開孔孔口間距不小于0.5m,終孔層位:徐灰底板粘土巖，鉆孔設計深度65～75m。設計鉆場位于9202里運中開門口前7m右幫正中施工一鉆場，鉆場規格：長6m,寬2.8m,高2m。施工現場具備自然泄水條件，沿途水溝及時清挖，確保泄水路線暢通。（2）鉆孔布置及附圖。鉆孔平面位置及預想剖面見附圖，參數如表1。孔口坐標:X=4010067，Y=20460939，Z=-234m。開孔層位:9煤底板；終孔層位:徐灰底板粘土巖。預計水壓：1.21Mpа。鉆孔平面布置示意圖1，圖2。

表1

圖1（上）圖2（下）

4　安全技術措施

（1）一級套管Φ108mm為護孔管下7m，二級套管Φ89mm盡量接近五灰含水層，要求下過10Ⅱ煤以下垂深10m，以鉆孔控制下入套管的長度，注1、注2、注3均為10Ⅱ煤以下19m。（2）鉆孔下入套管用水泥、玻璃水雙液漿進行封固，水泥標號不低于425#，水泥漿比重1.6—1.8,套管下置越淺要比重越大；玻璃水用量以每100kg水泥加入10kg為宜。（3）套管封固后要作耐壓實驗，壓力值：一級管4.0Mpа，二級管6.0Mpа持續時間均不小于30分鐘。試壓期間，套管無松動、退出，孔口及周圍煤（巖）壁無漏水等異常現象視為合格，否則重封。套管試壓合格后，在二級管孔口管上安設相應尺寸的高壓閘閥后方可鉆進。（4）認真做好現場記錄。鉆孔初見五灰含水層的水量、水壓及終孔時的水量、水壓要準確測定。（5）施工人員要根據巖芯資料準確判層，作好記錄。

5　鉆探施工情況

（1）注1孔：0～4.2m粉砂巖，4.2～5.5m煤，5.5～6.8m粉砂巖, 6.8～11.2m煤,11.2～40.6m粉砂巖，40.6～66.8m灰巖，66.8～68.1m粘土巖，終孔。孔深42.4m時，水量3m3/h，水壓0.94Mpа；終孔水量23m3/h，水壓1.18Mpа。（2）注2孔：0～4.4m粉砂巖，4.4～5.7m煤，5.7～7.5m粉砂巖,7.5～11.7m煤,11.7～43.4m粉砂巖，43.4～67.7m灰巖，67.7～72.1m粘土巖，終孔。孔深44.7m時，水量7m3/h，水壓0.98Mpа；終孔水量35m3/h，水壓1.21Mpа。（3）注3孔：0～4.6m粉砂巖，4.6～6.1m煤，6.1～7.8m粉砂巖,7.8～13.3m煤,13.3～45.2m粉砂巖，45.2～68.8m灰巖，68.8～73.2m粘土巖，終孔。孔深46.7m時，水量5m3/h，水壓0.96Mpа；終孔水量27m3/h，水壓1.19Mpа。

6　鉆探資料分析

（1）水文情況分析。1）根據3個徐灰孔資料，終孔水量23～35m3/h，水壓1.18～1.21Mpа，說明該區域五灰富水性較強。2）根據注2孔施工最大五灰水壓1.21Mpа計算安全隔水層厚度：

式中：t-----安全隔水層厚度(m)；

L-----巷道底板寬度(m)取4；

r-------底板隔水層的平均重度(MN/m3)取0.025；

Kp-----底板隔水層的平均抗拉強度(Mpа)取0.1；

p-----底板隔水層承受的水頭壓力(Mpа)1.21。

經計算9煤掘進時安全隔水層厚度為8.9m小于實際最小隔水層厚度23.2m，正常情況下，該巷道掘進不受五灰水威脅，但在礦壓及水壓共同作用下，有可能導致斷層出水。為了確保井下施工安全，提高巷道掘進速度，防止GF2斷層導水，決定采用地面預注漿的措施來加固斷層帶。即通過已施工的3個鉆孔，在地面對斷層上下兩盤進行注漿加固。

注1～注3孔注漿情況統計表

7　地面注漿

（1）注漿材料。粘土水泥漿；（2）技術要求。1）粘土漿比重控制在1.12～1.14，每立方粘土漿中水泥滲入量為0.1～0.4t。粘土水泥漿比重要控制在1.20～1.25之間，但要按先稀后濃的原則，分檔控制，根據進漿情況及時調整漿液比重。2）單孔注漿結束標準：徐灰：當泵量102L/min以下時，注漿孔孔口壓力達到5.5～6.0Mpа時即可結束。3）注漿前先打開鉆孔閥門放水，沖出孔內巖粉，暢通裂隙，時間60分鐘，然后接注漿管路作壓水試驗。其目的：檢查注漿管路是否暢通；鉆孔或巖溶裂隙是否堵塞及堵塞程度。4）按設計要求，嚴格漿液配比。5）觀測與記錄：注漿過程中的泵壓、泵量、孔口壓力、漿液濃度等要進行定時的觀測、記錄。

8　結語

通過對在地面通過3孔對GF2斷層上下兩盤注漿加固，消除了底板承壓水的水患威脅，防止了水害事故的發生，確保了后期巷道掘進的施工安全。

作者簡介：左修波(1983-)，男,山東惠民人,本科，助理工程師。