西柏樹礦巷道預注漿技術研究及應用

張琳,孟慶學,宋德林,張曉龍

摘要：西柏樹礦24號脈855 m中段西脈外運輸巷圍巖破碎，伴隨有較大涌水，使得掘進存在安全隱患大、單班臺效低、支護費用高等問題。為了確保巷道掘進的安全及效率，提出了超前探水結合超前預注漿、超前長錨桿支護技術措施，給出了注漿孔工程布置、注漿工藝參數，并進行了現場應用。結果表明：使用超前預注漿堵水、注漿加固，結合超前錨桿，保證了掘進速度，安全系數大大增加，有效減少了人員在淋水環境下作業時間，取得了月進尺45 m，支護成本下降13 %的經濟技術指標，可為類似礦山提供參考。

關鍵詞：巷道掘進；破碎圍巖；涌水；預注漿加固；超前錨桿支護

中圖分類號：TD265.4文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）05-0024-04doi：10.11792/hj20230507

引言

在巷道開拓中，水害是主要的危害之一，不僅影響掘進施工，同時容易造成井下突水，危害生命。注漿堵水是防治礦井水害的有效方法之一，當前已廣泛應用于國內外礦山及建筑工程。相關學者在巷道注漿堵水、加固方面做了大量研究，孫曉剛等［1］利用超前預注漿技術對焦家金礦望兒山礦區含水構造帶進行了固結，有效阻止了涌水對巷道的影響。夏定華等［2］針對大水礦井巷道涌水的特點，采用注漿堵水的方式，形成注漿帷幕，取得了良好的經濟效益。曹勝根等［3］對焦作礦區巷道突水現象采取巷道預注漿技術，取得了良好的堵水效果。陳少帥等［4］運用分段下行式注漿法圍繞巷道底板及兩幫進行帷幕注漿，極大限度地避免或減輕砂巖裂隙含水層出水對生產的影響。姜建豐等［5］在龍塘沿鐵礦運用中深孔注漿技術與短注相結合的施工方法，取得了良好的治水效果。何沐［6］采用L型鉆孔地面預注漿技術將地面預注漿技術與定向鉆進技術相結合，提高了圍巖的穩定性，降低了開挖支護的難度。張超［7］利用超前金屬骨架與預注漿技術加固巷道周圍松軟煤巖體，保證了揭過煤層群的安全。王衛生［8］采用高壓旋噴注漿技術對贊比亞謙比西銅礦垮幫后的工作面進行注漿密實處理，取得了預期的效果。王同旭等［9］采用超前預注漿技術對小康礦巷道破碎圍巖進行加固，有效防止了工作面端面冒頂。郝陽軍等［10］應用超前預注漿技術提高工作面頂板圍巖破碎巷道的穩定性。

內蒙古包頭鑫達黃金礦業有限責任公司西柏樹礦（下稱“西柏樹礦”）24號脈855 m中段西脈外運輸巷圍巖破碎，掘進過程中出現大量涌水，不僅影響掘進效率，還存在突水等安全隱患，為了保證掘進安全及效率，需采取有效措施防治水害。上述工作為圍巖破碎、涌水巷道掘進施工提供了寶貴經驗，可為西柏樹礦大水破碎圍巖掘進提供借鑒，同時，由于各礦山圍巖及涌水特點各不相同，具體的注漿工藝、參數也有差別，因此西柏樹礦需根據自身條件，研究適合本礦特點的注漿工藝、參數，實現安全、高效掘進。

1工程背景

西柏樹礦位于內蒙古自治區包頭市九原區阿嘎如泰蘇木，烏拉山中段，主要開采24號脈，礦體厚度0.21～4.74 m，平均厚度2.02 m，平均金品位1.53×10-6，品位變化系數105 %，礦體平均傾角68°。采用明豎井開拓，豎井深度380 m，井筒凈直徑5.0 m；采用3#罐籠提升，設計日提升能力800 t，采礦方法主要為淺孔留礦采礦法，年采礦能力10萬 t，年黃金產量150 kg［11］。

西柏樹礦855 m中段西脈外運輸巷已施工至P260勘探線—P268勘探線，掌子面距離P268勘探線23 m。通過現場揭露情況及探水孔探測發現，巷道掌子面右前方20 m范圍內裂隙發育，有多組橫向斷層，穩固性很差，已施工鉆孔最大涌水量達到50 m3/h（見圖1），為涌水區域，圍巖破碎且有較大涌水將難以直接開挖巷道。為確保施工安全及進度，需采取措施，加固圍巖及防止水害。

2堵水加固方案措施

水文地質調查顯示，該區域的涌水主要來源是裂隙水，裂隙可能與山前溝谷有貫通處，裂隙為涌水提供了補給通道，單純疏干效果有限。預注漿可以在巷道與礦體之間形成止水帷幕，減少巷道涌水、淋水，改善作業環境，也能緩解礦井排水壓力，同時也可加固周圍巖體，提高整體穩定性。為了改善掘進條件，在855 m中段西脈外運輸巷進行“超前預注漿”堵水加固。依據施工巷道圍巖性質、斷面及鉆孔出水量情況，注漿鉆孔設計為6個（見圖2），孔深為40 m，注漿長度40 m，注漿加固范圍為設計巷道（2.2 m×2.4 m）開挖輪廓線外3.0 m，其中1#、2#孔上傾3.5°，3#、4#、5#、6#孔上傾、外傾3°，3#、6#孔兼作觀測孔。

注漿結束后根據鉆孔鉆探情況判斷注漿后圍巖破碎情況，若頂部圍巖極破碎，使用超前錨桿后，錨桿選用直徑50 mm的鋼管，根據鉆孔實際揭露地質情況確定錨桿長度，對頂板形成支撐保護，保證掘進安全。

3注漿工藝及參數選擇

3.1注漿方式選擇

根據現場實際情況，決定采用鉆注一體后退式注漿（見圖3）。為防止漿液漏失嚴重時造成浪費，采用間隙注漿方式，使得先注入的漿液和巖層初步達到膠結后再注漿，循環注漿多次，直至達到規定最小注漿量和注漿壓力控制值。其工作過程是通過止漿墻安裝孔口管，用鉆頭鉆至出水點（水量＞3 m3），退出鉆桿，進行測水、測壓，然后安裝壓蓋，關閉球閥，觀察情況，待無任何異常情況，開始注水，沖洗巖層通道，再注入漿液，由稀到濃間隙注漿，封堵孔隙，起到止水作用。達到設計注漿壓力或注漿量后，進行復鉆，鉆至出水點再次進行注漿，反復施工，直至達到設計深度，完成整個孔的注漿。

3.2 注漿材料

采用水泥、水玻璃相結合施工，漿液選用普通水泥漿和普通硅酸鹽水泥（水泥）-水玻璃雙液漿，普通水泥漿用來增加漿液的擴散范圍和膠結體強度及耐久性，水泥-水玻璃雙液漿用來進行封孔和控域注漿。其中，普通水泥漿水灰比（0.8～1）∶1；水泥-水玻璃雙液漿配比為水灰比（0.8～1）∶1，水泥與水玻璃體積比為1∶1，水玻璃濃度為38～42 °Be′，添加2 %～5 %的緩凝劑。

3.3注漿范圍

單次注漿長度為40 m（根據水量變化，現場確定是否增加鉆孔個數及深度），斷面注漿范圍為巷道開挖輪廓線外擴3.0 m，待本次注漿完成后，開挖30 m再進行探水，根據探水情況決定是否注漿。

3.4注漿壓力

注漿壓力是注漿施工中的重要參數，它關系到注漿施工的質量及是否經濟。注漿壓力與地層孔隙發育程度、涌水壓力、注漿材料的黏度和凝結時間等有關，可按地下水靜水壓力計算，一般設計注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，最大可達到3～5倍，即p′

經計算，設計注漿壓力控制值為3.0～15.0 MPa。

4 現場實施情況

按設計要求，現場實施過程中具體參數如下：鉆孔直徑90 mm，設計孔深40 m；布孔間距根據施工現場靈活調整；注漿擴散半徑3 000 mm；注漿壓力3.0～15.0 MPa（實際注漿中終止注漿壓力2.0～4.0 MPa）；初凝時間0.5～2.0 min。

工藝流程：設備人員進場—孔位定點—鉆機成孔—漿液攪拌—注漿—提拔注漿管—注漿至設計深度—封孔。

具體實施過程中，首先封閉掌子面，制作止漿墻。在止漿墻上鉆淺孔，安裝孔口管，孔口管直徑比鉆頭直徑大10～20 cm，孔口管長度2～3 m，外露不小于20 cm。通過法蘭盤將高壓球閥或止水裝置、止漿套筒安裝在孔口管上，止漿套筒上安裝泄壓閥，注漿前處于開啟狀態，注漿時處于關閉狀態。通過止漿套筒及高壓球閥，開始鉆孔，鉆至設計深度后，加大用水量沖洗鉆渣及泥砂，鉆渣全部沖出后，停止鉆進。將三通分水器的風水管路關閉，打開注漿閥門。所有的連接件都已連接完全后開始壓水，觀察止漿套筒上的泄壓閥，當泄壓閥內有水流出時，關閉泄壓閥，開始注漿，如果接頭部位均不漏漿，說明管路暢通且密封良好。當整個孔的注漿全部完成時，在拆卸鉆桿之前，必須先打開泄壓閥泄壓，防止高壓漿液噴射傷人。施工人員配備情況見表1。

5試驗實施情況及主要技術經濟指標

855 m中段西脈外運輸巷預注漿自2021年7月27日開始至8月16日結束，歷時20 d。注漿結束后，開展了掘進工作，淋水量很小，小于0.5 m3/h，含水斷層帶被有效封堵，預注漿封堵水效果很好，巷道也得到了顯著加固，同時預埋的超前管起到了超前支護的作用，保持了圍巖強度，對超前泄壓也有一定作用（見圖4）。試驗結果表明，預注漿技術在西柏樹礦破碎、大水巷道掘進中可起到堵水、加固作用。

施工中采用超前預注漿技術，同時預埋的超前管起到了超前支護的作用，達到了良好的堵水效果，提高了作業安全性，節約了支護費用。施工中部分炮孔因為探孔出現涌砂、塌孔，采取了重新布置鉆孔和預埋探管的方式。采用超前預注漿技術和未注漿技術的主要技術經濟指標對比見表2。由表2可知：采用超前預注漿技術，月進尺45 m，較未注漿時提高了30 m，且支護成本下降了13 %，取得了較好的效果。

6結論

1）超前預注漿技術結合超前錨桿支護可改善破碎、大水巷道掘進作業條件，應盡量避免鉆進太深（＞45 m），采用30～40 m分段長度，可取得理想的注漿效果。

2）作業人員在注漿后巷道內作業，降低了巖石破碎和涌水的安全風險，同時預先埋設了超前錨桿，增加了人員作業的安全性，改善了作業條件。

3）施工過程比較集中，對生產調節有很大幫助，節約了支護費用。

［參 考 文 獻］

［1］孫曉剛，劉洪偉，孫慶周，等.超前預注漿技術在焦家金礦望兒山礦區-630中段開拓施工中的應用［J］.今日科苑，2010（15）：144.

［2］夏定華，郭志偉.大水礦井巷道掘進預注漿技術應用［J］.江西煤炭科技，2009（3）：68-69，76.

［3］曹勝根，程正剛，張云，等.巷道圍巖預注漿防突水技術研究［J］.采礦與安全工程學報，2016，33（2）：311-317.

［4］陳少帥，宋凱.預注漿技術在巷道過砂巖裂隙含水層中的應用［J］.中國煤炭地質，2020，32（10）：27-30，76

［5］姜建豐，章林，遠洋，等.預注漿治水技術在巷道掘進中的應用［J］.現代礦業，2014，30（3）：163-164.

［6］何沐.L型鉆孔地面預注漿技術在煤礦井下巷道加固工程中的應用［J］.河北化工，2015，38（6）：70-72.

［7］張超.輔助巷、金屬骨架與預注漿技術在巷道揭過煤層群中的應用［J］.能源技術與管理，2014，39（4）：78-80.

［8］王衛生.高壓旋噴注漿技術在副井施工中的應用［J］.采礦技術，2015，15（6）：36-39.

［9］王同旭，陸士良.掘修巷道超前注漿加固技術［J］.礦山壓力與頂板管理，1996（4）：52-54，63.

［10］郝陽軍，郭亮，田元帥，等.下分層巷道掘進過煤層頂板壓力破碎區注漿技術與現場應用［J］.礦業安全與環保，2018，45（3）：98-101.

［11］孟慶學，宋德林，李朝民.中深孔階段礦房采礦法在急傾斜薄礦體中的應用［J］.黃金，2022，43（3）：36-39.

Research and application of roadway pre-grouting technology in Xibaishu MineZhang Lin1，Meng Qingxue1，Song Delin2，Zhang Xiaolong1

（1.Inner Mongolia Baotou Xinda Gold Mining Co.，Ltd.;

2.Institute of Mining and Coal，Inner Mongolia University of Science & Technology）

Abstract：The surrounding rock of the haulage way outside the 855 m level of the No.24 vein in Xibaishu Mine of Xinda company is broken，accompanied by a large amount of water gushing，which makes the excavation problematic with great potential safety hazards，low single-shift platform efficiency，and high support costs.To ensure the safety and efficiency of roadway excavation，the technical measures of in-advance water exploration combined with in-advance pre-grouting and in-advance long bolt support are put forward，the engineering layout of grouting holes and grouting process parameters are given，and the experimental research is carried out.The test results show that the use of in-advance pre-grouting for water plugging，grouting reinforcement，and in-advance bolt can ensure the excavation progress，greatly increase the safety coefficient，effectively reduce the operation time of personnel in the water-pouring environment，and obtain the economic and technical index of 45 m monthly footage and 13 % reduction of support costs，which can provide references for similar mines.

Keywords：roadway excavation;broken surrounding rock;water gushing;pre-grouting reinforcement;in-advance bolt support