淺埋煤層巷道過溝探查及治理技術

楊 帆，姬中奎，薛小淵，張 池，任智智，羅安昆，楊 柳，高 幸，常寶天

（1.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西神木 719316；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西西安 710077；4.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安 710054）

陜北礦區煤層厚煤質優良，開采條件簡單[1-2]，但陜北地區溝谷發育，煤層埋藏淺上覆基巖薄，掘進巷道和回采工作面不可避免存在過溝問題[3-4]，溝谷處大氣降水、地表水、頂板水均是制約礦井安全生產的客觀因素，必須結合實際地質及水文地質條件進行相應的探查與治理，確保安全生產[5]。

面對工作面過溝回采存在的問題，侯恩科[6]、蔣澤泉[7]、方剛[8]、王慶雄[9]等多位學者從不同角度提出了相應的防治措施和方法，目前相關學者的研究多集中于對淋水巷道圍巖應力分布及變形破壞研究[10]、巷道支護[11]、井下注漿加固和堵水[12-15]等方面，均為巷道掘進揭露異常后采取的相關措施，未進行超前探查與治理方面的研究。為此，以張家峁煤礦3 條巷道過老來溝掘進為例，通過采用多種探查手段，進而采取“地面超前注漿+河道修復+井下補充治理”的方法進行了綜合治理，為類似薄基巖淺埋煤層巷道過溝探查治理提供了重要的參考。

1 研究區概況

張家峁煤礦水庫南部4-2煤14213 工作面輔運巷、運輸巷和14214 工作面回風巷均需穿過老來溝溝底進行掘進，過溝段井上下對照圖如圖1。

圖1 過溝段井上下對照圖Fig.1 Comparison of the upper and lower wells of the cross-ditch section

L2 鉆孔簡易柱狀圖如圖2。位于14214 回風巷上方的L2 鉆孔表明，4-2煤厚度4.05 m，埋深13.03 m，煤層頂板新鮮基巖厚度只有6.14 m，風化基巖厚度為6.59 m。

圖2 L2 鉆孔簡易柱狀圖Fig.2 Simple histogram of L2 drilling

老來溝為井田內主要的河流之一，常年性泉水流量約60 m3/h，主要補給下游的常家溝水庫，此外從紅柳林井田內蘆草溝中引水補給常家溝水庫，而輸水隧道出水口位于本次過溝巷道上方，水量約200 m3/h。

結合水文地質資料及現場踏勘情況，L2 孔并不是現老來溝的溝底最低處，由于神木地區溝谷切割深度大，在煤層頂板新鮮基巖厚度薄、甚至煤層也可能被風化的情況下，4-2煤3 條巷道的掘進中均面臨著巷道頂板淋水突水甚至垮頂潰砂的風險，同時對巷道頂板的地表河道環境造成一定的影響。因此，必須提前開展相關探查工作，查明過溝掘進段4-2煤頂部覆巖結構、基巖風化程度、新鮮基巖厚度和風化帶水文地質特征，保證巷道安全掘進，同時保護地表水水資源。

2 過溝段覆巖探查

2.1 探查方案

根據過溝段覆巖結構和特征，探查中采用的方法手段包括鉆探、壓水試驗、水質全分析風化程度鑒定、鉆孔錄像。

1）鉆探工程。14213 工作面運輸巷、輔運巷和14214 回風巷3 條巷道平面距離分別為19、21 m，結合地形等高線圖及現場施工條件，3 條巷道分別由西向東沿巷道中心線位置以9 m 的孔間距進行布設鉆孔，其中14213 工作面運輸巷中心線布置6 個探查孔，14213 工作面輔運巷和14214 回風巷中心線布置8 個探查孔，共布置22 個探查孔。探查孔終孔進入新鮮基巖或新鮮煤層以下2 m，終孔直徑要求不低于φ91 mm，鉆孔一開孔徑φ127 mm，孔口管長度4 m，全孔取心。

2）壓水試驗。壓水試驗不僅可用來測定地下水位以下的巖體滲透性能，還可用來測定地下水位以上的巖體滲透性能。壓水試驗采用自上而下的分段壓水試驗。結合前期鉆探探查結果，對具有代表性的鉆孔進行壓水試驗。

3）水質全分析。通過選取鉆孔水、地表水進行水質全分析，分析地表水與風化基巖水二者之間的水力聯系及循環徑流條件。

4）風化程度鑒定。巖石風化程度的定性劃分是指從巖石的結構、礦物成分、掘進難易程度、破碎的程度等野外特征進行綜合分析確定，受人的經驗和主觀因素的影響較大。按照巖石風化的特征和深淺，根據GB 50218—2014《工程巖體分級標準》[16]將風化程度分為5 級：未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化。

5）鉆孔錄像。鉆孔錄像適用于工程地質、水文地質、地質找礦、巖土工程、礦山等多個行業，本次探查工程利用鉆孔錄像儀來觀測鉆孔中風化基巖和正常基巖的各種特征及細微構造，如巖性、巖石結構、裂隙、破碎程度等，同時可與巖心結合輔助編錄巖心柱狀圖。設計所有鉆孔均進行鉆孔電視工作，以此來查明過溝段巷道頂板巖石風化破碎程度。

2.2 探查結果

根據鉆探揭露和巖心鑒定，4-2煤層厚度4～4.58 m，平均4.2 m；4-2煤層埋深10～15.8 m，平均13 m；頂板新鮮基巖厚度0～10.4 m，平均5.6 m；風化基巖厚度2～12.2 m，平均5.6 m；4-2煤層頂板與風化基巖間距0～13.4 m，平均5.6 m。據此繪制的4-2煤層與風化基巖間距等值線圖如圖3。

圖3 4-2 煤層與風化基巖間距等值線圖Fig.3 Contour map of the distance between 4-2 coal seam and weathered bedrock

由圖3 可知，在過溝段西北區域煤層與風化基巖之間的間距已不足7 m，由南向北整體上風化基巖厚度越來越厚，4-2煤層頂板新鮮基巖越來越薄，且沿溝谷方向，煤層頂板風化強度由微風化到中等風化程度；結合鉆孔窺視、壓水試驗等結果，沿著溝谷方向，風化基巖裂隙發育、滲透性較好。從水質類型來說，多數以HCO3-Ca 型為主，且礦化度低，表明地下水循環徑流條件好。

通過探查結果可知，巷道支護時7 m 長的錨索必然會進入風化帶，導通風化基巖含水層水，進入井下；其它區域雖煤層頂板風化程度較低，但從鉆孔窺視結果來看，其頂板巖石在部分區域破碎、裂隙發育。因此，考慮圍巖可能失穩、錨索導通風化帶水，地表水補給風化帶水等不利因素，必須對3 條巷道過溝段風化帶進行注漿加固和堵水注漿，同時，對地面河道進行修復治理，杜絕地表長流水潰入井下，以達到巷道安全掘進和保護地表水的目的。

3 治理工程

3.1 技術思路

3.1.1 治理思路

根據探查情況分析可知，3 條巷道過溝段頂板超前治理包括2 項內容：其一是頂板風化裂隙堵水；其二是頂板圍巖加固。治理思路如下：

1）進行地面超前注漿治理。注漿堵水及加固的思路如下：①煤層頂板新鮮基巖厚度不足7 m 時，需對基巖風化帶及新鮮基巖1 m 內段進行全段堵水注漿；煤層頂板有7 m 以上新鮮基巖時（7 m 長錨索不會觸及風化帶出水），此時可以不進行堵水注漿；②所有需要堵水注漿的鉆孔，孔口管以下層段均進行加固注漿；若煤層頂板巖層已被風化，在注漿堵水的同時，要考慮注漿對頂板風化帶進行加固；③各巷道煤層頂板新鮮基巖厚度不足、圍巖可能失穩時需要對基巖風化帶進行加固注漿，注漿段為自鉆孔孔口管以下至新鮮基巖下1 m。

2）進行地面河道修復治理。對地表環境進行修復，加固河床，避免長流水潰入井下。

3）巷道掘進后若井下仍有淋水，則進行井下注漿堵水加固。

綜上，治理方案采用掘進前“地面超前注漿堵水加固+地面河道修復治理”，掘進后井下補充注漿治理，多重手段保障巷道安全掘進，頂板治理工程技術路線圖如圖4。

圖4 頂板治理工程技術路線圖Fig.4 Technical roadmap of roof treatment engineering

3.1.2 鉆探注漿工程

考慮到巷道平面寬度和漿液擴散距離等因素，平面上沿巷道斷面布置3 排鉆孔，在巷道中心線及兩幫各布置1 排，排距3 m，為保證注漿治理及加固效果，孔間距同樣為3 m，注漿孔按正方形進行布置，注漿孔布置示意圖如圖5。

圖5 注漿孔布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of grouting hole layout

注漿孔為垂直孔，從地面開孔，終孔進入新鮮煤、巖層（含煤層）以下2 m，鉆孔一開孔徑φ127 mm，下入φ108 mm 套管，套管進入基巖的長度不低于4 m，鉆孔裸孔段直徑φ91 mm。

由于風化帶裂隙一般較小，風化帶裂隙的可注性不明，本次注漿材料依次優先采用普通硅酸鹽水泥PO42.5、超細水泥和環氧樹脂等注漿材料，在上1種注漿材料注漿效果不好的情況下，可以采取下1種注漿材料。單孔水泥漿（含超細水泥漿）注漿采用分段下行式注漿法，環氧樹脂采用化學漿注漿法。單回次注漿起壓等凝后，需進行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續注漿，然后再掃孔，如此反復，直至掃孔后不吃漿停止單孔注漿。注漿前先進行壓水，壓水壓力采用1 MPa，持續30 min，注漿中若吃漿量小，可用稀漿進行注漿。

單液水泥漿（含超細水泥）采用3∶1～1∶1 的水灰比配比，密度約1.2～1.5 t/m3，密度小的漿液在開始注漿時采用，濃度大、密度大的漿液在二次注漿或吃漿量大及注漿結束時選用。化學漿漿液配制：按高滲透環氧:固化劑=100∶（8～12）的質量比，將固化劑倒入高滲透環氧漿液中充分攪拌，即可用灌漿泵進行灌漿，漿液灌滿后，保持壓力段時間，密切注意灌漿壓力的變化，防止爆管。

終孔注漿壓力暫按2 MPa 控制，當注漿泵泵量為60 L/min 時，將孔口注漿壓力穩定在2 MPa、能夠持續30 min 后即達到注漿結束標準。井下注漿堵水工程參照文獻［12］中相關設計執行。

3.1.3 地面河道修復

在保持原有泄洪標準的基礎上進行河道治理。主要包括：堤岸擋墻、河床加固、砌石護岸、原有排洪渠道修復與疏通等。同時充分利用修整好的水渠，分別在過溝段水渠上游和下游安裝地面遙測儀對過溝段上游和下游的水位、流量進行長期監測。

3.2 治理結果

3.2.1 地面注漿

本次地面注漿孔布設以設計為依據，結合探查情況和施工現場等因素，遵循動態設計、信息化施工的動態管理原則，滿足巷道安全掘進和減少淋滴水的原則，前期探查孔亦為治理工程的注漿孔。共完成63 個注漿孔，4 個檢查孔，地面注漿孔平面布置圖如圖6。

圖6 注漿孔平面布置圖Fig.6 Layout of grouting holes

根據注漿工程的技術需要，在完成一次注漿后，因注漿壓力或單位時間內注漿量未達到設計注漿結束標準，或由于竄漿、注漿量過大等原因而人為停注后，掃孔后進行了二次注漿。本次地面注漿工程嚴格按照設計施工，共計注入水泥339 t，化學漿1.6 t。

各注漿孔注漿時存在跑漿、串漿情況。例如14213 運輸巷ZA5 注漿時，跑漿至與之相鄰的ZA1、ZA2 兩鉆孔，ZA4 注漿時跑漿至B2、ZB4、ZB3、水渠，ZC5 注漿時跑漿至ZB4、ZC4、C2、C3、ZC2、ZC3、水渠；部分鉆孔注漿時跑漿至水渠處，說明局部區域風化裂隙與水渠相通，接受其補給。

對某鉆孔注漿時，觀測注漿孔周圍相鄰巷道旁邊鉆孔跑漿、串漿現象，對未注漿、但串漿的鉆孔掃孔后進行了高清錄像工作，未注漿鉆孔（跑漿）鉆孔電視如圖7。例如，ZA4 注漿時，漿液已從B2 孔流出，而此時B2 孔還未注漿，利用高清錄像儀對B2孔進行觀測，發現其原有裂隙已被漿液充填（圖7（a））；同樣ZC5 注漿時，漿液已從C3 孔流出，從C3孔鉆孔電視結果來看，在未注漿情況下，原有裂隙已基本被漿液凝固體所充填（圖7（b））。因此，說明在過溝區域西南部風化裂隙連通性好，漿液擴散距離較遠，可注性好，從未注漿鉆孔的高清成像可以看出地面注漿起到了對風化帶裂隙加固充填作用。

圖7 未注漿鉆孔（跑漿）鉆孔電視Fig.7 Ungrouted borehole drilling TV

注漿結束后，施工了4 個檢查孔，從鉆孔錄像來看，風化帶原有裂隙已基本被漿液凝固體所充填，從壓水試驗來看，風化帶中已無法壓入水。說明本次注漿效果良好，對風化帶裂隙進行了充填與加固，達到了預期目的。從3 條巷道注漿情況來看，與前期探查情況一致，在巷道過溝區西北方向風化裂隙發育，沿溝谷區域風化程度越強、滲透性和可注性較好。

3.2.2 井下注漿

根據掘進計劃安排，14213 輔運巷和運輸巷過溝段已順利掘進。14213 運輸巷在過溝段頂板有淋、滴水現象，水量整體不大于10 m3/h，14213 輔運巷在過溝后頂板有淋、滴水現象，水量約15 m3/h，因此轉入井下進行補充治理，參照文獻［12］中相關方案，經治理后，2 條巷道淋滴水現象得到有效控制，總水量小于3 m3/h。

3.2.3 地面河道修復

首先沿老來溝河道中線進行河道疏浚，河道疏浚寬度30 m，底部以河床最低點為準。疏浚產生的土石方直接堆放于兩岸。共修改堤岸擋墻4 條，其中河道左右兩側各2 條，均采用C25 素砼澆筑。

河床加固長度55 m，寬度20～30 m。河床底部下層布設250 mm 厚C25 素砼墊層，上層布設150 mm 厚C25 鋼筋砼底板。蘆草溝輸水隧道自河道底部通過，在輸水隧道下游側布設C25 素砼防壩，長度35 m，頂寬度500 mm，面坡1∶1，背坡1∶0.5，高度1.5 m，基礎埋深1 m，嵌入穩定地層。

修建砌石護岸1 條，長度35 m，高度1.8 m，頂寬300 mm，面坡1∶1，基礎埋深500 mm。M7.5 水泥砂漿砌筑，M10 防水水泥砂漿勾縫、抹面。

同時利用修整好的原蘆草溝輸水涵洞水渠和河床底部中線修建的排水渠分別在合適位置安裝地面遙測儀，對輸水涵洞水量和老來溝水位進行長期監測。過溝段河道修復治理前后對比圖如圖8。

圖8 過溝段河道修復治理前后對比圖Fig.8 Comparison chart before and after restoration of the river course across the ditch

3.2.4 治理效果

經采取“地面超前注漿+地面河道修復+井下補充注漿”等技術手段對3 條巷道多方位綜合治理后，14213 運輸巷和輔運巷過溝段已順利掘進，雖有出水但經井下補充注漿后效果良好。一方面避免了巷道直接掘進揭露異常后，治理與掘進沖突，影響采掘接續；另一方面從源頭進行了防控，切斷了地表水與風化基巖水的聯系，使頂板來水可控。

4 結 語

采用鉆探、巖心鑒定、壓水試驗、鉆孔錄像、水化學測試等技術手段，有效查明了淺埋煤層巷道過溝掘進段頂板覆巖結構、基巖風化程度、新鮮基巖厚度和風化帶水文地質特征；淺埋煤層巷道過溝可采取“地面超前注漿+地面河道修復+井下補充注漿”等技術手段進行超前治理，避免巷道掘進揭露頂板后被動治理；實踐證明：以上探查技術及治理手段效果良好，為類似條件下巷道掘進提供了重要參考。