辛置煤礦10-425工作面斷層破碎帶綜合防水技術實踐

李志杰

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦10-425工作面位于東四左翼采區，東面為10-427設計工作面，南面為H=40m斷層，西面為南土壁保安煤柱，北面為東四左翼軌道巷、皮帶巷。工作面底板距下伏奧灰頂面平均間距為32m，工作面突水系數0.014～0.030MPa/m，小于0.06MPa/m，屬于安全可采區域，奧灰水位標高505m，工作面帶壓0.42～0.92MPa。10-4252巷沿10#煤層掘進，掘進至32#點前25m處揭露D542H=17m斷層底板出水，出水點底板標高為+407.2m，出水量從8m3/h逐漸增大至100m3/h，為防止工作面回采期間受采動擾動底板（擾動破壞深度9～10m）滯后導通奧灰水，造成水害事故，需針對10-425工作面斷層破碎帶進行具體的防水方案設計、施工。

2 斷層破碎帶防水方案的選擇

2.1 斷層防水煤柱留設

根據10-425工作面的地質情況可知所采10#煤位于O2含水層上方，因此設計防水煤柱時，將O2含水層水文地質參數作為設計依據。根據《煤礦防治水規定》，斷層的防水煤柱留設需考慮兩個方面的因素：一是煤層底板隔水層能否抵抗含水層水壓；二是煤層能否抵抗斷層導水沿煤層的壓力。對于沿煤層的突水，按照《煤礦防治水規定》附錄八之二方法直接計算煤柱寬度L；對于煤層底板突水，按照《煤礦防治水規定》附錄八之四方法計算煤柱寬度L[1-2]，保證煤層底板距斷層面之間的最小距離大于安全煤柱的高度Ha。根據兩種方法計算結果取較大的數字作為煤柱最后留設寬度，但不能小于20m。根據《煤礦防治水規定》計算后確定防水煤柱的寬度為38m。

2.2 防水技術的確定

為保證10-425工作面回采期間D542H斷層破碎帶附近不會導通奧灰水出現水害事故，綜合分析工作面的地質條件后在斷層破碎帶范圍內采用澆筑防水密閉墻+注漿防水的方式進行堵水。

根據防水密閉墻設計水壓，防水密閉墻形式設計為矩形，并采用注漿加固。根據10-425工作面的地質資料可知正副巷巷道的各項參數如表1所示。

表1 10-405工作面正巷與副巷尺寸參數

根據相關研究和工程實踐得出防水密閉墻長度的公式（1）[3-4]，并根據10-425工作面的具體情況進行取值：

式中：

L-防水密閉墻長度，m；

α-凸緣基座支承面與硐室中心線的夾角，一般取20°～30°，本設計取20°；

γ0-結構的重要性系數，取1.1；

γf-作用的分項系數，取1.3；

γd-結構系數取1.2～1.75，水壓大、硐室凈斷面積大時取大值，取1.5；

fcc-素混凝土的軸心抗壓強度設計值，其值由混凝土軸心抗壓強度設計值乘以系數0.95確定，取14.25N/mm2；

B-閘墻墻體前、后巷道凈寬，取4.2m；

H-防水密閉墻體前后巷道凈高，取2.7m；

P-防水密閉墻設計承受的水壓，取1.0N/mm2。

通過將上述數據代入式（1）中能夠計算得出墻體長度為0.33m，安全系數取7，本設計取防水密閉墻墻體長度L=2.31m。基于上述計算，采用楔形防水密閉墻設計時，防水密閉墻長度為2.31m。考慮到礦井實際技術條件難以滿足施工效果，為此，將防水密閉墻設計為“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的形式，增強防水密閉墻的防水能力。在進行密閉墻施工作業時先施工迎水墻，閉墻施工結束后凝固3～5d，再施工背水墻，背水墻施工結束后凝固3～5d，對兩防水密閉墻中間部分進行注漿作業。具體10-405工作面運輸巷和回風巷的防水布置形式如圖1所示。

圖1 10-425工作面防水結構布置形式平面圖

3 綜合防水技術方案及效果

3.1 綜合防水技術方案

對于防水密閉墻的施工作業，首先在防水密閉墻迎水墻距離起始端0.2m處，先支設2根橫5m的11#工字鋼，后支設2根縱3m的11#工字鋼成“井”，用于增加迎水墻強度，進行迎水墻、背水墻開挖工作。迎水墻厚度為1.6m，共計3.2m；背水墻厚度為1m，共計2m。內墻施工完畢后用混凝土澆筑內外墻之間的空間，注漿隔水體采用加固鋼筋的形式與巷道進行連接，具體10-405工作面運輸巷和回風巷防水密閉墻的布置形式如圖2所示。

防水墻施工所需的材料包括水泥、料石、沙、石子、水玻璃等，迎水墻和背水墻采用料石砌筑。水泥∶砂=1:3（體積比），注漿隔水體采用素水泥注漿。水泥∶水玻璃=1:1（體積比），混凝土加固澆筑層。水泥∶砂∶石子=1:1:2（體積比）噴漿層，水泥選用425#硅酸鹽水泥，砂子用中粗河沙，石子用粒徑20mm的石子。

3.2 注漿加固設計

根據10-425工作面D542H工作面的具體情況，對斷層破碎帶區域的注漿隔水體區域的各項注漿參數進行具體設計。

（1） 注漿材料與水灰比

本次注漿材料選用水泥與水玻璃雙液漿，在綜合考慮了施工條件、材料消耗及漿液固結強度等因素后，確定漿液的水灰比為0.6。

（2） 注漿壓力

在對10-425工作面進行注漿作業時，由于斷層破碎帶內裂隙發育程度較差，并且設計注漿孔較深，基于此確定注漿壓力為5～6MPa。

（3） 注漿孔深及布置形式

在對注漿孔深及布置形式進行設計時應保證漿液能夠盡可能多的滲入破碎圍巖中。根據工作面的具體情況，并綜合考慮到機具條件后確定正巷的注漿孔深為8m，副巷的注漿孔深為6m。其中孔口管長度為2m，孔口管采用3寸孔口管，在擋墻施工的同時，需將孔口管放入注漿孔內，并固定牢固，確保擋墻施工完成后注漿效果達標。在背水側靠近巷道兩幫施工，往幫內偏移30°，最上一個孔向上偏移25°，最下一個孔向下偏移25°，排距為6m。具體注漿孔的布置形式如圖3所示。

圖2 10-405工作面回采巷道防水密閉墻布置平面圖

3.3 施工工序方法及要求

10-425工作面斷層破碎帶綜合防水技術的施工順序如下：

（1） 進行迎水墻、背水墻開挖工作。迎水墻厚度為1.6m，共計3.2m；背水墻厚度為1m，共計2m。進行墻體開挖工作，先開挖巷道頂部，再施工兩幫，最后開挖巷道底部基巖，掏槽深度為1m。挑頂采用放震動炮作業，并輔以風鎬，盡量減少對圍巖的破壞。

（2） 施工迎水墻最外側料石墻，再施工內側料石墻。施工1～1.5m內墻后，用混凝土澆筑內外墻之間的空間。

（3） 待混凝土內外墻的空間充填完成后進行注漿作業。在進行注漿作業時，具體的注漿作業流程為先在設計位置用鉆機打設鉆孔，鉆孔打設完畢后為防止塌孔現象的出現應及時安放注漿花管，待鉆孔打設完畢且注漿花管安裝好后，進行封孔作業，待封孔結束后約40min左右時，便可開始注漿施工。巷道斷面內注漿順序為巷道頂板左側到右側依次進行注漿作業。在單孔注漿作業完成后，應及時用清水對注漿管路進行清洗。

圖3 防水密閉注漿孔布置形式示意圖

在進行混凝土施工作業時，其施工中的要求及注意事項如下：

（1） 為了保證混凝土的連續澆筑，攪拌地點應盡量選擇在靠近防水密閉墻處，且應運輸方便，有足夠的攪拌能力。

（2） 對每一施工段內不能連續澆筑混凝土時，接茬處必須按處理施工縫的要求預埋連接鋼筋。

（3）必須用一個品種的水泥配制混凝土，澆筑混凝土必須采用震動器進行搗固，混凝土進行澆筑時應采用對稱連續澆筑，并分層搗固。

（4）澆筑混凝土，邊角需要攔堵混凝土時，可用磚堵，但必須在24h內取出，并指定專人負責，以防漏取。

（5）應按預定位置放置預埋管路，在澆筑混凝土時應注意注漿管不要被混凝土所堵塞，

3.4 防水效果

在對10-425工作面斷層破碎帶區域采用“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的技術方案進行有效防水后，通過在回采巷道斷層破碎帶區域注漿加固范圍內打設檢查孔的方式對防水效果進行驗證，得出檢查孔的最大涌水量僅為18m3/h，綜合防水方案對斷層破碎帶起到了較好的改造效果。10-425工作面在回采過程中未出現突水、下沉及異常涌水現象，實現了10-425工作面安全順利回采。

4 結論

通過對10-425工作面斷層破碎帶的具體分析，確定防水煤柱的寬度為38m，采用“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的綜合防水方案，并對防水方案的各項參數進行具體設計。綜合防水方案實施后工作面在回采過程中未出現突水、下沉及異常涌水現象，有效地保障了10-425工作面安全順利回采。