灵武市马家滩镇红柳煤矿超前深孔帷幕注浆堵水技术在巷道过断层破碎带中的应用

樊佩刚

（神华宁夏煤业集团红柳煤矿，宁夏灵武751410）

摘要 基于红柳煤矿2煤带式输送机大巷DF6-1导水正断层破碎带宽、围岩松散破碎、黏结力差、支护困难、涌水量大等特点，过断层施工前采用超前深孔帷幕注浆堵水方法，对断层破碎带松软围岩进行注浆固结堵水，有效地封堵了断层破碎带上覆岩层裂隙水通过断层涌水道进入巷道，并在巷道周围形成混凝土帷幕圈，为过断层施工提供了安全保障和有利条件。

关键词 导水断层 破碎带 超前深孔帷幕注浆

1引言

红柳煤矿二煤带式输送机大巷埋深470 m，沿二煤顶板布置，采用综掘机施工，锚带网索梁支护。根据现场实际观测，已掘巷段围岩控制良好，未出现喷层开裂、偏帮及顶板破碎等现象，总体上矿压显现较小且无淋水。但掘至距DF6-1断层50 m左右时，进行了超前探放水，其钻孔涌水量达100 m3/h以上，为确保大巷的安全及有效控制，其支护在原来锚带网索梁的基础上又增加了排距0.8 m的U29型钢棚，当大巷继续推进到距DF6-1断层20 m时，出现了顶板破碎下沉，U29型钢棚被压垮等严重问题。面对目前的现状，大巷已处于待掘状态，若继续掘进需要在防治水方面采取有效措施，否则会对施工安全构成很大威胁。

2红柳煤矿2煤带式输送机大巷附近地质构造及水文地质条件

2.1煤层顶底板赋存状况

煤层顶底板赋存状况如图1所示。

2.2地质构造及水文地质条件

（1）2煤带式输送机大巷迎头所在位置左右两侧分别是大羊其向斜和张家庙背斜之间，通常背斜轴部不含水，向斜轴部含水，但由于2煤带式输送机大巷位于大羊其向斜和张家庙背斜之间，即便是大羊其向斜轴部含水，对大巷的影响也会较小，如图2所示。

（2）由于2煤顶板直罗组粗砂岩为裂隙含水层，但前期带式输送机大巷在掘进过程中顶板未见淋水，说明2煤顶板泥岩和粉砂岩具有较好的隔水性，即便目前所在的迎头位置，其迎头U型钢棚被压垮及顶板出现了较为严重的变形破坏，但顶板淋水也较小。

图1 2煤层顶底板岩层柱状图

图2 2煤带式输送机大巷与向背斜之间的关系

（3）根据目前的探放水记录，钻孔涌水量在100 m3/h以上，而2煤顶板直罗组粗砂岩裂隙水涌水量为150 m3/h，两者较为接近，故此判断钻孔涌水量主要来自2煤顶板粗砂岩裂隙水并通过DF6-1、DF5断层带导水。

（4）由于2煤带式输送机大巷迎头所在位置的正前方存在DF6-1和DF5断层，同时不排除还存在着一些伴生断层。根据两断层的落差，2煤上覆直罗组粗砂岩裂隙水将通过断层带导水，而断层带内的水将通过渗透对2煤顶板泥岩及粉砂岩进行浸泡，导致其发生软化和强度降低。尽管大巷掘进迎头距DF6-1断层还有10 m，因顶板岩层软化已失去了自承能力，它会以较大的静载压力作用在U型钢棚上，导致U型钢棚发生被压垮。

3注浆堵水方案

根据二煤带式输送机大巷前方断层构造及上覆粗砂岩含水层的富水状况，为了有效地解除水的威胁，采取超前深孔帷幕注浆堵水方法，以确保2煤带式输送机大巷顺利施工及有效控制顶板。

3.1超前深孔帷幕注浆堵水方案优点

（1）迎头超前注浆一次，保留5 m厚的止水岩帽后，可确保不小于100 m的掘进距离。

（2）浆液扩散范围较大，能有效地封堵动压水且安全程度较高。

（3）掘进后围岩在支承压力作用下会产生新的松动裂隙，但松动裂隙的波及范围会远小于注浆加固范围，这对于已实施的注浆堵水不会造成影响。

3.2超前深孔帷幕注浆方案设计

为确保二煤带式输送机大巷超前深孔帷幕注浆的堵水效果，并能有效地封堵二煤上覆直罗组砂岩裂隙水通过DF6-1及一些伴生断层的涌水通道并在其大巷周围形成厚度不小于20 m混凝土堵水帷幕圈，方案设计如下。

3.2.1钻场布置

布置两个钻场，钻场编号为1号和2号，按止水岩帽不小于10m的要求及钻场之间不产生相互影响。

3.2.2钻孔布置

根据钻场1号、2号布置，为实现超前深孔注浆后，在2煤带式输送机大巷前方DF6-1断层周围形成厚度不小于10 m的胶圈，按照通常注浆压力为3 MPa情况下，浆液的有效扩散半径为2.5 m的要求，钻孔参数见表1。

表1钻孔参数

3.2.3钻孔套管

第一步：用直径127 mm的钻头配直径42 mm的钻杆打眼，眼深2 m。

第二步：在孔口处安装一级套管，套管直径108 mm，长度2070 mm，套管外露端焊接直径108 mm的法兰盘，用钻机将一级套管顶入孔内。

第三步：将托盘与法兰盘用螺栓连接牢固，再将直径25 mm的高压管插入快速接头内。

第四步：开泵注浆，浆液将充填到孔壁与一级套管之间的间隙内，待浆液凝固后一级套管便固定完毕。

第五步：用直径89 mm的钻头配直径42 mm的钻杆从孔口处沿一级套管钻进扫孔，钻深2.5 m，随后向一级套管内压水，水压4 MPa，稳定0.5 h后，检验一级套管的固定是否牢固。第六步：用直径89 mm的钻头配直径42 mm的钻杆从孔口处沿一级套管继续钻进，钻深80 m。第七步：注浆（图3）。

图3深孔注浆结构

4注浆材料选择

由于二煤带式输送机大巷迎头出现较为严重的变形破坏且U29型钢棚被压垮，由此表明顶板岩层松软，自承能力较低，另外还有断层及涌水等因素的影响，所以注浆材料应首选快速堵水材料，然后再选用松动围岩加固材料。根据此项要求，2煤带式输送机大巷超前深孔帷幕注浆材料选用如表2所示。

表2注浆材料选择表

5超前深孔帷幕注浆工艺及参数

根据注浆设计方案及注浆材料，为确保超前深孔帷幕注浆质量，制订该方案的注浆工艺及参数。

5.1注浆范围

由于目前2煤带式输送机大巷迎头前方存在两条近相互平行的断层，即DF6-1和DF5断层，两断层间距110 m，并考虑到其附近可能存在一些伴生小断层，预计注浆范围可达120 m。为此大巷分两次超前深孔注浆，每次注浆范围80 m（沿大巷掘进方向）。

5.2注浆压力

注浆压力对浆液的扩散范围、裂隙的充填密实程度及裂隙水的封堵效果具有很大影响，为达到预期的深孔注浆目的，其注浆压力应克服涌水压力和地层阻力，根据以往经验，注浆压力应为P=（2~4）+P0，式中P为注浆终压，P0为涌水压力。本次注浆终压取上限值，即为P=4+P0，具体值定为5 MPa。

5.3单孔注浆量

单孔注浆量可根据如下公式计算，即

Q=πR2Lnαη

式中：Q——单孔注浆量，m3；

R——浆液扩散半径，取2.5m；

L——注浆长度，设计长度40 m；

n——地层裂隙，取4%；

α——浆液在裂隙中充填系数，取0.9；

η——浆液消耗率，取1.1。

将以上参数代入上式中，得单孔注浆量预计为Q=πR2Lnαη=π×2.52×40×0.04×0.9×1.1=31（m3）。

5.4注浆材料

（1）当注浆孔涌水量大于100 m3/h时，采用水泥浆及水玻璃浆液，其中水泥浆水灰比为0.8∶1（质量量比），水泥浆与水玻璃比例为1∶1（体积比）。

（2）当注浆孔涌水量小于100 m3/h时，采用煤矿封堵纳米材料，水灰比为0.45∶1。

5.5注浆速度

（1）当注浆孔涌水量大于100 m3/h时，注浆速度应为0.3 m3/min。

（2）当注浆孔涌水量小于100 m3/h时，注浆速度0.2 m3/min。

5.6注浆标准

当单孔注浆量小于0.02 m3/min、注浆压力达到设计值5 MPa且稳定时间为10 min以上时，则单孔注浆量已达到了设计标准，否则应继续注浆或采用间歇式注浆，直至达到注浆标准为止。

6施工效果

红柳煤矿2煤带式输送机大巷过断层破碎带前，严格按照以上超前深孔帷幕注浆堵水方案实施，既形成了混凝土帷幕圈，加固巷道周围断层破碎带松散围岩，提高巷道围岩承载力；又形成注浆堵水帷幕圈，有效封堵了断层破碎带裂隙大量涌水等情况，为后期巷道过断层破碎带创造了有利条件，最后安全顺利地通过断层破碎带，取得良好的经济效益，也为断层破碎带注浆堵水施工积累了可行的技术经验。

参考文献

［1］张兴．基于流固耦合的隧道断层破碎带注浆加固圈厚度分析［J］．工程技术，2013（16）.

［2］徐香庆，郭文喜．松软破碎围岩巷道注浆加固技术应用研究［J］．煤炭工程，2012（7）.

作者简介

樊佩刚，生于1987年，工程师，2011年毕业于中国矿业大学，现在神华宁夏煤业集团红柳煤矿工作。