深埋巷道穿越斷層破碎帶防水支護技術探討

游紅江 ，袁勝超

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021； 2.河北省礦山地下水安全技術創新中心， 河北 石家莊 050021)

1 工程概況

某鐵礦礦床地處司馬長復式褶皺帶中，控制范圍總體為走向近南北、西傾的單斜構造。早期褶皺為軸面走向北東東，南東傾開闊不對稱復式褶皺構造，礦區內主要發育F1、F2、F3三條斷裂，對礦體的延伸和地層的破壞具有較大影響。

該礦某回風井-900 m水平掘進至364 m處揭露一破碎帶，發生400 m3/h突水事故。根據地質資料顯示，該突水點臨近F2斷層，處于基巖裂隙中等富水區，為一小型斷層破碎帶。F2斷層自南向北斷續出現，走向近南北，傾角為65°～79°，總體呈現自南向北規模變小，傾角變緩的趨勢。斷裂以輝綠巖脈充填為主，其表現形式為后期充填、斷續出現的輝綠巖脈群，南北兩段均較完整，輝綠巖位于構造影響帶范圍內相對破碎。

斷層破碎帶具有低強度、易變性、透水性大和抗水性差的特征，巷道開挖常會引起斷層活化，極易誘發巷道冒頂和突水事故[1-2]。斷層的形成破壞了巖層的原始應力場，在斷層附近造成應力集中，斷層附近的圍巖體發生剪切破壞，相比較于完整的圍巖體，其強度下降約75%[3]。

工作面涌水發生后，在巷道合適位置建立7.0 m厚C25混凝土止漿墻堵水，并進行了止漿墻后空區注漿充填，便于后期治理施工。一般來說，對井下的涌水處理有“排水”、“截水”、“堵水”或以上方法相結合的解決方案，綜合考慮，采用“堵水”方案施工成本相對低，且工期相對較短[4]。

2 地質概況及治理難點

在工作面（止漿墻）巷道中心布置1個孔深50 m超前地質孔，其目的是掌握巷道前進方向地質資料，為后期堵水治理、掘進施工提供指導。根據其揭露，地層主要為混合花崗巖地層，破碎帶地層分布范圍較大且極不均一，裂隙發育部位充填大量的高嶺土、砂、碎石塊等雜物，局部地層相對完整地段發育微裂隙。

根據該孔注漿情況，該工作面水壓高（8.7 MPa），注漿施工難度較大；破碎帶地層中含高嶺土部位可注性較差，且與水泥漿液固結性差；局部地層存在微裂隙，造成多次重復注漿、掃孔，嚴重影響注漿質量和施工進度。

該工作面采用注漿加固治理后，雖對破碎帶地層穩定性有一定改善，但該工作面破碎帶部位后期掘進施工中巷道斷面承受地層壓力較大，需進一步考慮加固處理措施。

3 重點、難點問題的解決措施

根據超前地質孔地層、注漿反映難點情況，提前做到有針對性地預防處理，具體措施如下。

3.1 沖洗置換

大裂隙破碎帶中充填高嶺土、砂、碎石塊等雜 物，其影響漿液的擴散搭接，且高嶺土成分與水泥漿液膠結性差。為確保堵水治理效果，后期設計注漿鉆孔時分兩序施工，采用將相鄰3個I序（或Ⅱ序）鉆探至破碎帶部位，孔深保持一致，將中間的I序（或Ⅱ序）鉆孔孔口封閉，通過高壓注水沖洗鉆孔，相鄰鉆孔敞口，將鉆孔內高嶺土、泥沙等雜物通過鉆孔排出，直至孔口出水變清水為止，最后將與被注水鉆孔聯通性較好的鉆孔同時或被串鉆孔封堵進行高壓注漿，起到對圍巖加固和堵水的效果。

3.2 微裂隙注漿處理措施

因工作面水壓高且地層較復雜，破碎地段無法使用止漿塞進行分段注漿，只能采用孔口封閉全孔注漿方式，其優點是可以使用較大的注漿壓力和多次重復灌注，有利于保證注漿質量。在鉆孔較深部位微裂隙地層注漿，漿液流動性較慢，漿液中的水泥會在鉆孔周壁逐漸沉淀、凝固，注漿壓力（孔口）突升，造成注漿量較小，堵水效果差。擬采用以下措施。

（1）注漿工藝改進。鉆孔揭露涌水后提出鉆桿，在孔內下入少于孔深1.0 m左右的PPR管，PPR管外接頭與孔口法蘭盤連接。采取該措施后，鉆孔已注漿區段的PPR管外圍被水充填，注漿壓力有效集中在待注漿部位，避免了注漿壓力消散，通過高壓注漿能夠保證漿液有針對性地灌入待注段微裂隙中，從而保證漿液灌入率和擴散半徑，減少了復注次數和重復掃孔工作量（被水充填部位無需掃孔）。PPR小導管注漿如圖1所示。

圖1 PPR小導管注漿示意

（2）注漿材料優化。針對微裂隙或被泥沙充 填導致漿液擴散半徑受阻部位，可采用超細水泥（1000目或1250目）作為注漿材料，保證漿液擴散半徑和堵水效果。

3.3 破碎地層分支孔措施

針對因其他原因造成注漿中斷或滲透性較大地層而導致注漿量異常地段，可采用定向或人為鉆孔造斜措施施工分支孔，以反復多次注漿，從而起到加固圍巖和堵水作用。該措施雖增加鉆探工作量，但能有效保證堵水效果。

3.4 注漿孔超前管棚支護

針對治理區域內存在較厚破碎帶，對破碎帶進行支護處理采用“超前大管棚支護”（兩幫及拱頂部位），主要目的是提高巷道圍巖的整體性、抗滲性和穩定性，防止塌方引起涌水，起到整體支護作用。

管棚支護要充分利用探水、注漿鉆孔，減少投資成本，故布置注漿鉆孔需考慮到后續管棚支護因素，不能距離巷道斷面邊幫太大，否則難以起到支護作用。探水、注漿鉆孔距離巷道邊幫距離控制在2.0 m左右較合適，既能保證漿液封堵裂隙水，同時后期掘進施工中又能起到支護作用。

探水、注漿鉆孔終孔口徑一般為Φ91 mm，故管棚支護材料為Φ73 mm（壁厚4.5 mm）無縫鋼管，連接方式采用“焊接”或“管箍”。無縫鋼管兩端應搭接在破碎地層兩端完整地層至少1.0 m，相鄰鋼管的接頭應至少錯開1.0 m，保證沿巷道縱向方向同一橫斷面內的接頭數不大于50%[5]，管棚施工過程中為了防止注漿過程中發生串漿，每施工完一階段探水、注漿鉆孔即安設無縫鋼管并進行注漿 封孔。

超前管棚支護結構需根據破碎帶地層破碎程度確定其支護密度，若破碎帶屬于破碎、極破碎程度，除探水、注漿孔下放管棚支護外，仍需在其鉆孔中間內插支護孔，以便加密管棚支護密度。本工作面根據超前地質孔取芯情況可知破碎帶屬于較破碎程度，故管棚支護利用探水、注漿鉆孔進行超前管棚支護即可，后期掘進施工中再配合適當的支護、掘進形式，如采用“超前小導管支護”、“多打眼、少裝藥”或“機械”、“人工挖掘”等手段，減少對破碎地層擾動，防止發生坍塌、涌水事故。

4 探水和注漿鉆孔布置

考慮鉆探設備性能及注漿鉆孔一般采用“扇形”布置，若在巷道掌子面按照此形式布置鉆孔，鉆孔淺部破碎帶支護距離巷道掘進斷面較近，后期爆破掘進震動存在一定的影響，且治理范圍越長，鉆孔越深，后方治理范圍孔間距越大，漿液搭接不利于保證堵水效果，綜合考慮上述因素影響并結 合巷道圍巖完整情況，將巷道兩幫及拱頂拓寬 1.50 m，鉆孔布置在拓寬平面位置，以便于鉆孔施工，且減少支護結構受爆破震動影響，其具體鉆孔布置位置及參數見表1和圖2。

表1 探水和注漿鉆孔設計參數

圖2 探水和注漿鉆孔平面布置及終孔落點示意

5 注漿參數設計

（1）治理范圍。設計50 m/循環，根據巷道地層情況一般為治理50 m，掘進40 m，預留10 m作為下一循環止漿巖冒，直至順利穿過斷層破碎帶 為止。

（2）鉆孔口徑。開孔口徑Φ130 mm，下放長度不小于6 m的孔口管，其型號為Φ108 mm地質管，采用水泥和水玻璃雙液漿進行固管后并進行耐壓試驗，試驗壓力不小于注漿終壓的1.2倍，終孔口徑為90 mm。

（3）注漿段長控制。注漿段長控制主要依據地層破碎程度、涌水量情況、鉆探設備性能等，遇到“卡鉆”或“涌水量較大”無法繼續鉆進，需通過注漿固結地層及封堵裂隙確定注漿段。

（4）注漿形式。采用孔口封閉注漿法。

（5）注漿壓力。根據地質資料情況和施工經驗，注漿壓力控制在不小于2.5倍的水頭壓力[6]，考慮到該工作面地質條件較復雜、水壓高，且局部地層可注性較小，故將注漿終壓控制在水頭壓力的3倍。

（6）漿液擴散半徑。漿液擴散半徑影響因素主要為圍巖裂隙發育情況、注漿材料流動性、注漿壓力和注漿流量[7]，通過前期該礦山地層注漿試驗確定漿液擴散半徑為2.5～3.0 m，考慮到本工作面地層復雜性，故本次設計漿液擴散半徑為2.0 m。

（7）注漿材料及配合比。注漿材料主要采用水泥單漿液、水泥水玻璃雙液漿和超細水泥單液漿，水泥選用P·O 42.5水泥，水玻璃40～42 Be，模數不小于3.0。水泥單液漿適用于較大孔隙型受注層段，單液漿水灰比主要為5:1、3:1、2:1、1:1；水泥-水玻璃混合漿適用在孔口管固定和裂隙較發育區；超細水泥單液漿主要針對微裂隙地段，單液漿水灰比主要為6:1、5:1、3:1、2:1。

（8）注漿結束標準。注漿壓力均勻持續上升達到設計終壓，同時滿足鉆孔吸漿量：單液小于10 L/min、雙液小于60 L/min，穩壓時間不小于10 min，即可結束本次注漿。

6 治理效果

通過采取上述有針對性的處理措施治理后，在掘進施工過程中破碎帶部位最大淋散水約20 m3/h， 處于可控范圍內，經有效的淋散水注漿治理后順利穿過了破碎帶，達到了預定的堵水、支護效果，節約了投資成本。

7 結論

（1）針對高水壓斷層破碎帶地層中泥、砂與水泥漿液膠結性差和微裂隙注漿工藝改進、注漿材料選擇等分別采用沖洗置換、PPR管注漿等措施，確保了注漿堵水效果。

（2）針對巷道過富水斷層破碎帶圍巖穩定性的問題，在探水、注漿過程中充分利用了鉆孔并進行超前管棚支護治理的思路，節約投資成本。

采用注漿堵水和超前大管棚技術相結合治理復雜的井巷斷層破碎帶是安全、高效、經濟的方法，并在該礦山成功應用，能為其他礦山解決類似問題提供借鑒。