開放條件下防水閘墻注漿加固技術研究

張獻波

（晉控集團 晉中公司，山西 晉中 030600）

1 概況

伍仲礦為葛泉礦相鄰礦井，由于歷史原因，伍仲礦在-17 m 水平開采7 號煤時，越界開采葛泉礦5 號煤，致使其采空區與葛泉礦采空區多處連通。為實現伍仲礦與葛泉礦永久隔離，確保葛泉礦生產安全，2004 年伍仲礦分別在-17 m 水平運輸巷及軌道巷建立2 道防水閘墻。2018 年伍仲礦因突水關井，采空區形成一個大的積水區，正常情況下伍仲礦老空積水不會潰入葛泉礦，但不排除隨著時間的推移，防水閘墻損壞，導致伍仲礦老空積水滲入葛泉礦的可能性。因此，需對伍仲礦-17 m 水平2道防水閘墻附近巷道進行加固處理。

加固點處大巷寬度僅3.5 m，該處對應頂礫厚度約13 m 左右，且礫徑較大，最大的可達300 mm，普通回轉轉進方式很難保證開孔時的垂直度，不利用后期定向穿透下部巷道，斜度大的就會影響投料的效率和成功率，且施工緩慢。加固處一側為水閘墻，一側為開放的巷道，開放條件下利用地面鉆孔在水閘墻外側修筑阻漿墻，并對阻漿墻與水閘墻之間進行充填、注漿加固，難度大，且難以保證注漿加固效果。

2 注漿加固設計方案

（1）在地面利用探水雷達技術探查區域附近積水情況，結合伍仲礦提供的粗略圖紙資料，定位-17 m 水平2 條巷道及水閘墻位置。

（2）此次注漿加固位置為伍仲煤礦-17 m 水平兩條大巷防水閘墻靠葛泉礦一側，加固范圍20 m，孔間距10 m，設計施工6 個鉆孔，分別為J1～6 孔，分為注砂石孔和注漿孔，軌道巷按J1、J3、J2 孔順序施工，運輸巷按J4、J6、J5 孔順序依次施工，其中J1、J3、J4、J6 孔為注砂石孔，J2、J5 為注水泥漿孔，終孔層位均為巷道頂板。注砂石孔下入φ168 mm×8 mm 通天管，注漿孔下入φ127 mm×8 mm 通天管。

注砂石孔施工至巷道頂板后，采用灌漿方式向孔內注石子，石子粒度為30～50 mm，將石子由巷底堆積至巷頂后，下鉆進行旋轉攪拌，然后注入沙子填充石子空隙，最后注入水泥漿，漿液比重不小于1.5，注漿方式采用旋噴注漿，注漿結束后進行效果檢驗，直至壓力起至4 MPa 不跑漿。注水泥漿孔施工至巷道頂板后，注入水泥漿，漿液比重不大于1.3，注漿方式采用旋噴注漿，注漿結束后進行效果檢驗，最終注漿孔必須進行掃孔，做注水試驗檢驗注漿效果。

3 工程實施

3.1 灌骨料和注漿作業

3.1.1 灌骨料

選擇干凈石渣作為骨料，J6 孔前期采用粒徑不超過5 mm 含礫粗砂作為充填骨料。J6 孔后期及其它鉆孔采用10 mm 碎石作為骨料，孔隙率為30%。投渣前期孔內不下鉆桿，在孔口安置溜槽，將水管固定在溜槽內，以20 m3/h 的水量向孔內送水，同時人工上料將骨料送入溜槽內。當骨料頂面高出巷道頂板，將φ50 mm 鉆桿下到孔底，在鉆桿底部接微彎的短桿，啟動鉆機旋轉和上下竄動鉆桿，撥動骨料向四周離散，并在鉆桿內和溜槽內同時向孔內送清水，繼續人工上料。當骨料充填高度超過巷道頂0.5 m，停止注骨料，轉入注漿。

3.1.2 注漿作業

注漿順序。運輸巷由于J4 孔打到隔水閘墻，先注J6 孔封堵巷道南端，利用隔水閘墻和J6 孔注漿體使巷道處于封閉狀態，J6 孔注漿完成后，同時利用J4 孔和J5 孔注漿；軌道巷先注J1 孔和J3孔封堵巷道兩端，便于中間J2 孔注漿時巷道處于封閉狀態，提高巷道充填度和固結體密實度。

注漿施工。先將鉆桿下入孔底，使其插入骨料并達到巷道底板。將攪拌好的水泥漿利用泥漿泵通過鉆桿壓送至巷道底部（因水泥漿比重大，滲透性好，可將將骨料空隙中的水置換或充填空隙，使漿液面逐漸升高），隨后緩慢上提鉆桿，在上提鉆桿過程中注水泥漿不停止，整個過程采用定量灌注，每次注水泥8 t 左右，注漿完畢后讓水泥漿凝固4 h左右，然后再掃孔多次復注，直到過漿通道堵塞，掃孔后孔口水位不下降達到注漿結束標準。為了地表水通過巷道上部基巖裂隙進入巷道，在達到注漿結束標準后，繼續向孔內注1～2 t 水泥漿，使水泥漿面超過φ219 mm 護壁管地段2 m。J2 孔、J4孔、J5 孔是注漿重點，不但將巷道中注骨料殘留空間充填密實，而且還需封堵圍巖的過水通道；首先將鉆孔延伸至巷道底板下2 m，利用鉆桿分別對巷道底板、中部、頂板進行進行反復注漿，最后孔口水位不下降達到注漿結束標準。

3.2 充填量、巷道充填體形態及效果檢驗

各鉆孔充填碎石及水泥數量見表1。其中，軌道巷充填碎石320.25 m3，注P.C 42.5 水泥183 t；運輸巷充填碎石173.70 m3，注P.C 42.5 水泥146.5 t。從以上數據可以看出，運輸巷注碎石量要比軌道巷少146.55 m3，而注水泥只減少了36.5 t，注碎石減少量大，分析原因主要為J4 孔緊靠北側防水閘墻，沒有注碎石造成；注水泥減少不明顯主要為J5 與防水閘墻之間巷道存在有未被碎石充填滿的空間，需全部用水泥漿液充填。各鉆孔充填量見表1。

表1 各鉆孔充填量Table 1 The filling amount of each borehole

根據充填量判定軌道巷J1、J3 及運輸巷J4、J6 之間碎石已經充填至頂板，兩側碎石坡度5°（圖1 和圖2）。軌道巷J1、J3 之間碎石體積為2.8×2×15.1=84.56 m3，其空隙度按40%計，空隙體積為33.82 m3，水泥密度按1.8 t/m3，需要水泥61 t；運輸巷J4、J6 之間碎石體積為2.8×2×19.79=110.82 m3，其空隙度按40%計，空隙體積為44.33 m3，水泥密度按1.8 t/m3，需要水泥80 t。此次注水泥漿水泥用量遠大于該量，說明巷道封堵達到設計要求。

圖1 軌道巷充填體形態示意Fig.1 Shape indication of filling body in track roadway

圖2 運輸巷充填體形態示意Fig.2 Shape of filling body in transport roadway

3.3 巷道封堵質量

3.3.1 鉆孔壓水試驗驗證

鉆孔注漿結束后，讓水泥漿液凝固24 h，然后下鉆進行取芯鉆進，鉆至巷道底板以下0.5 m，并將鉆孔內的沖洗液換為清水，觀察孔內液面變化和巖心情況，觀測8 h，水位下降不超過10 mm，巖心固結良好，若水位下降超過10 mm，重新向鉆孔注入稀水泥漿，直到滿足要求為止。

滿足要求后，孔內下入注漿塞，注漿塞位置位于φ219 mm 護壁管底端。注漿塞安裝完畢后，利用高壓水泵和注漿塞自帶的充氣或充水管，向注漿塞橡膠囊內注水，注水壓力達到4 MPa 停止注水。利用鉆桿和泥漿泵將稀水泥漿壓入孔內，觀察泥漿泵壓力表，壓力升至4 MPa 時停止壓水泥漿，說明巷道封堵良好。

3.3.2 注漿參數驗證

注漿量為充填巷道中碎石空隙，預計注漿液量計算公式如下：

式中：A 為漿液擴散系數（運輸巷取1.3，軌道巷取1.5）；S 為巷道面積，取5 m2；L 為充填巷道長度，運輸巷取19.79 m，軌道巷取15.1 m；n 為空隙率，取40%。

經計算得出，注漿量軌道巷需注入漿液量45.3 m3，折合水泥81.54 t；運輸巷需注入漿液量51.45 m3，折合水泥92.6 t，說明水泥用量滿足計算要求。

3.4 封孔

所有鉆孔加固效果檢驗完畢后進行封孔，封孔材料鉆孔下段為P.C 42.5 水泥，上段為碎石，封孔方法鉆孔下段利用水泥漿封孔，首先利用鉆桿探明孔深（注漿效果檢驗完成后），然后利用泥漿泵和鉆桿注入1 t 水泥的水泥漿；上段直接填入碎石，讓碎石和水泥漿混合形成固結體。該封孔工作切斷了地表水與基巖和巷道的聯系，封孔處理措施得當。

4 技術效果

4.1 頂礫層的處置

鉆孔施工部位有10 多米的卵石層，卵石直徑可達150 mm，采用回轉鉆機很難保證開孔時的垂直度，同時施工進度慢。為此，在先施工的運輸巷3 個鉆孔采用了潛孔錘跟管鉆進，但發現其垂直度偏大，給后續鉆進造成難度；后施工的軌道巷3 個鉆孔采用了沖擊鉆進，解決了頂礫層問題。

4.2 鉆孔垂直度的控制

為使鉆孔全部進入巷道，必須保證鉆孔垂直，此次采用鉆頭+鉆鋌+鉆鋌+φ89 mm 鉆桿的鉆具組合進行鉆進，鉆至85 m 下管后，進行測井斜，調整鉆機底盤進行糾斜，保證鉆孔能夠鉆到巷道中。

4.3 碎石頂部范圍及密實度控制

為保證注碎石在巷道頂部能夠充填滿整個巷道并且密實，需要在充填碎石時在孔內下入鉆桿，進行高速轉動和上下竄動，通過鉆桿轉動撥動碎石向四周離散，但施工所用鉆機為水源1 000 鉆機，鉆桿在孔內無法填碎石，鉆桿轉動速度較慢。為解決該問題，專門配備1 600 巖心鉆機一臺，鉆孔內下入φ50 mm 鉆桿，并在底端安裝有焊接鋼絲繩的短節，高速轉動鉆桿，使碎石能夠四散。

5 結語

利用投料孔構造阻漿墻，在注漿加固段利用旋噴注漿方法完成阻漿墻之間的充填、加固，并通過充填量分析、壓水試驗對注漿加固效果檢驗，完成開放條件下防水閘墻的封堵，并采用取芯鉆進和注水對效果進行了檢驗，效果良好，為解決開放條件下的注漿加固提供了技術依據。