巷道掘進過導水斷層深孔帷幕注漿技術應用

王亞楠

(山西澤州天泰坤達煤業有限公司,山西 晉城 048019)

水害是制約煤礦安全生產的不利因素之一,礦井突水事故多發生在褶曲、斷層、陷落柱、裂隙發育帶等地質異常區。斷層破碎帶與斷層上下兩盤間滲透性、巖性參數等存在明顯差異,破碎帶常具有導水性好、強度低等特點,是良好的導水通道[1-2]。巷道掘進穿越斷層時,常面臨涌水量增大、構造應力顯現等問題,并伴隨有圍巖大變形,嚴重時導致突水、圍巖支護體系失效等情況,嚴重影響井下生產安全[3-5]。為確保巷道安全掘進過斷層,眾多的學者及工程技術人員對防治水技術、圍巖支護技術等進行研究,其中劉廣超[6]綜合鉆探、物探手段確定斷層產狀、位置等詳細參數,并通過分次成孔、交替注漿方法對斷層破碎圍巖進行加固、封堵導水裂隙,綜合采用短注短掘、先注后掘方法進行掘進,為巷道安全過斷層創造良好條件;張自政等[7]針對斷層影響區圍巖破碎、承載能力差等特點,提出綜合工字鋼架棚+滯后注漿+錨桿二次注漿手段聯合支護圍巖,取得較好圍巖控制效果;陳和平等[8]針對紅柳煤礦2煤輔運大巷過DF6-1斷層為工程實例,針對巷道過斷層期間面臨的突水、冒頂以及潰砂等問題,提出采用帷幕注漿方式加固巷道掘進輪廓線外破碎、不穩定巖體并封堵導水裂隙,通過短掘短支減少掘進對圍巖擾動,確保了巷道安全作業。上述研究成果為巷道掘進過導水斷層提供了寶貴的借鑒經驗。注漿是現階段防治水工作常用的技術措施,注漿漿液在破碎巖體中擴散不僅可起到加固巖體目的,而且可封堵已有以及潛在導水裂隙,降低甚至避免巷道掘進空間出現涌水。文中就以山西某礦3502運輸巷掘進過DF113斷層為工程實例,綜合采用物探、鉆探技術手段確定斷層性質及導水性,通過深孔帷幕注漿手段加固破碎圍巖并封堵導水裂隙,后采用局部小導管注漿+錨網索梁支護方式實現圍巖變形有效控制。

1 工程概況

1.1 地質概況

3502運輸巷設計沿著5號煤層底板掘進,煤層埋深為620～680 m,厚度5.8 m、賦存較為穩定,巷道設計掘進長度為1 360 m,采用綜掘方式掘進。5號煤層頂底板巖性以泥巖、細粒砂巖、粉砂巖以及粗粒砂巖為主,具體頂底板巖性參數如圖1所示。

圖1 煤層頂底板巖性柱狀圖

3502運輸巷原設計采用錨網索支護方式,表面噴射混凝土,在地質條件正常區域內掘進時巷道圍巖始終保持穩定,未出現圍巖變形量大或者噴射用混凝土開裂等問題。在巷道掘進至距DF113斷層50 m時,超前施工的地質探測鉆孔涌水量超過1.0 m3/h,同時圍巖裂隙發育,為此在原有錨網索支護基礎上按照800 mm棚距布置U型鋼鋼架棚。在3502運輸巷掘進前方存在有DF113斷層,預計該斷層附近發育有多個次生小斷層。盡管3502運輸巷與DF113斷層間有10 m間距,但是巷道靠近斷層時圍巖裂隙發育,在構造應力、淋水等綜合影響下導致圍巖變形量增加,U型鋼被壓彎。

1.2 斷層參數

綜合鉆探以及物探技術手段對DF113斷層進行超前探測,發現DF113斷層落差在15～28 m、斷距5.0～6.1 m、傾角50～63°.在3502運輸巷底板布置探放水鉆孔進行放水試驗,具體探放水結果如圖2所示。探放水鉆孔出水量穩定在1.0 m3/h,表明涌水點水源補給較為穩定;同時探測出水位標高與5號煤層底板奧灰水水位標高相似,因此判定DF113斷層主要補給水源為底板奧灰水含水層。

圖2 探水鉆孔涌水量曲線

2 巷道過導水斷層帷幕注漿方案

3502運輸巷底板與底板奧灰水頂間隔為40 m、承受奧灰水水壓為0.69 MPa,底板隔水層厚度較大且承受水壓較小。結合3502運輸巷前方DF113斷層導水情況以及斷層賦存參數,為降低斷層導水對巷道掘進影響并為巷道安全掘進過斷層破碎帶創造良好條件,提出在3502運輸巷內布置注漿鉆孔對DF113斷層進行深孔帷幕注漿。通過深孔帷幕注漿后可實現3502運輸巷掘進輪廓線外一定范圍內煤巖體加固并封堵裂隙,避免掘進期間出現圍巖失穩或者大量涌水問題,確保3502運輸巷安全掘進,并減少防治水投入。

2.1 帷幕注漿范圍確定

3502運輸巷過DF113斷層時帷幕注漿范圍綜合斯列夫公式(1)以及巷道圍巖塑性區公式(2)確定[9-11]。

(1)

式中:t為安全隔水層厚度,取5.64 m;L為巷道寬度,取5.0 m;r為隔水層容重,取2.7 kN/m3;Kp為隔水層抗拉強度,取1.54 MPa;P為底板水頭壓力,取1.3 MPa.將上述參數帶入到公式(1)中求得t=5.64 m.

(2)

式中:R1為圍巖塑性區范圍,取2.69 m;R0為巷道半徑,取2.5 m;σ0為原巖應力,取16 MPa;φ為內摩擦角,取35°;C為粘聚力,取6 MPa;Pi為支護阻力,本次計算不考慮,取Pi=0.將上述參數帶入到公式(2)中求得R1=2.69 m.

經過計算求得t+R0=8.14 m、R1+R0=6.19 m,取上述最大值作為帷幕注漿半徑8.14 m,從安全方面決定現場帷幕注漿半徑為8.5 m.

2.2 帷幕注漿鉆孔布置

斷層導水、破碎帶以及強度低等均會影響巷道掘進過斷層安全。在巷道與DF113斷層間距10 m時,在距離3502運輸巷掘進迎頭15 m、20 m位置,分別在兩幫布置鉆場,沿著巷道周邊均勻布置8個注漿孔深均為90 m注漿鉆孔并進行深孔注漿,確保3502運輸巷掘進前方DF113斷層內存在10 m以上的帷幕注漿封堵圈,具體注漿鉆孔布置以及注漿加固范圍如圖3所示。

圖3 帷幕注漿鉆孔布置示意(單位:mm)

使用D42 mm鉆桿+D127 mm鉆頭鉆進2 m,在孔內裝入D108 mm×2 070 mm套管,一級套管外露端焊接有D108 mm法蘭盤;法蘭盤與托盤用螺栓連接并將D25 mm高壓軟管插入快速接頭內;開啟注漿泵并使得漿液充填一級套管與鉆孔孔壁,待漿液凝固后即實現一級套管固定;用D42 mm鉆桿+D89 mm鉆頭鉆進掃孔,待鉆進到2.5 m后進行耐壓試驗;向孔內壓水,水壓為4 MPa,穩定30 min,以便對檢驗以及套管牢固程度。隨后采用D42 mm鉆桿+D89 mm鉆頭從一級套管處鉆進至孔底,孔深80 m.

注漿過程中首先用水泥-水玻璃雙液將實現斷層破碎帶及附近巖體導水裂隙快速封堵,隨后用封堵納米材料提高斷層破碎帶及影響范圍內煤巖體穩定性及承載能力。為確保鉆孔注漿漿液有效擴散半徑達到4 m以上,注漿壓力控制在8～10 MPa.

3 圍巖支護方案

3.1 超前小導管

由于深孔帷幕注漿無法實現3502運輸巷掘進影響范圍內圍巖加固,可能導致巷道掘進過斷層時部分未加固巖體變形量大,影響后續掘進安全。因此,在3502運輸巷掘進距斷層破碎帶前500～1 000 mm時,通過超前小導管向巷道周邊淺部破碎巖體進行局部注漿加固。采用的超前小導管規格為D38 mm×3 500 mm無縫鋼管,布置間距均為300 mm,排距為2 000 mm,主要布置在巷道拱頂為主,有10°外插角。超前小導管選用的注漿漿液為封堵納米材料,注漿壓力控制在1～3 MPa.

3.2 聯合支護

在3502運輸巷過DF113斷層期間,圍巖若出現大變形勢必會產生新的裂隙,影響帷幕注漿以及超前小導管漏水裂隙封堵以及圍巖加固效果。為此,在3502運輸巷過DF113斷層時,在原有錨網索支護基礎上增加鋼帶、錨索梁結構提高圍巖控制效果,通過錨網索梁聯合支護體系實現斷層破碎帶圍巖變形有效控制。具體巷道支護斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面

支護用螺紋鋼錨桿規格為D20 mm×2 400 mm,按照800 mm×800 mm間排距布置,錨桿端頭錨固力控制在120 kN以上,預先施加30 kN以上預緊力;與巷道走向方向平行布置長度3 300 mm、眼距800 mm的T型鋼帶。支護用錨索規格為D21.8 mm×6 300 mm高強預緊力鋼絞線,預先施加60～70 kN預緊力。在頂板T型鋼帶間增設長度2 800 mm、眼距1 000 mm的錨索梁,錨索梁按照1 600 mm間距布置。巷道全斷面鋪設長×寬=2 600 mm×1 100 mm的金屬網。

4 現場應用效果

在3502運輸巷掘進過DF113斷層前通過深孔帷幕注漿技術+小導管注漿技術可在巷道掘進影響范圍之外形成止水帷幕、圍巖加固圈,從而避免巷道掘進過斷層期間出現突水、淋水量大以及圍巖失穩等問題。現場共計注入水泥-水玻璃雙液漿約130 t、納米封堵材料約89 t.現場應用后,3502運輸巷過斷層期間未出現圍巖淋水情況,為巷道安全掘進創造良好條件。

同時巷道圍巖采用錨網索梁聯合支護工藝后,巷道圍巖變形量較小,監測發現頂底板、巷幫最大變形量分別控制在32 mm、15 mm以內,圍巖變形得到較好控制,可滿足后續巷道使用需要。

5 結 語

1) 3502運輸巷掘進期間揭露的DF113斷層與底板承壓含水層(奧灰水)間存在一定的水力聯系,斷層具有一定的導水性且斷層破碎帶及影響范圍內煤巖體破碎,巷道掘進過斷層期間面臨較大的涌水、圍巖變形破壞等問題。為確保巷道安全掘進,提出通過深孔帷幕注漿技術在巷道掘進輪廓線外形成止水帷幕,起到降低甚至杜絕期間巷道的圍巖涌水、加固破碎圍巖目的;在巷道掘進斷面布置超前小導管,向巷道周邊淺部破碎巖體進行局部注漿加固。通過深孔帷幕注漿以及超前小導管可實現斷層破碎帶及影響區內圍巖加固以及導水裂隙封堵,為3502運輸巷安全掘進創造良好條件。

2) 為降低3502運輸巷過DF113斷層期間圍巖變形量,避免圍巖變形產生新的導水裂隙,提出在運輸巷采用錨網索梁聯合支護體系,通過布置高預應力錨桿、錨索提高圍巖自身承載能力,同時通過T型鋼帶、錨索梁以及金屬網提高圍巖護表能力。

3) 現場應用后, 3502運輸巷過DF113斷層期間圍巖基本不淋水,同時監測得到巷道頂底板、巷幫最大變形量分別為32 mm、15 mm,圍巖變形較小,表明現場采用的深孔帷幕注漿技術以及圍巖支護技術取得較好成果。