西柏树矿巷道预注浆技术研究及应用

张琳,孟庆学,宋德林,张晓龙

摘要：西柏树矿24号脉855 m中段西脉外运输巷围岩破碎，伴随有较大涌水，使得掘进存在安全隐患大、单班台效低、支护费用高等问题。为了确保巷道掘进的安全及效率，提出了超前探水结合超前预注浆、超前长锚杆支护技术措施，给出了注浆孔工程布置、注浆工艺参数，并进行了现场应用。结果表明：使用超前预注浆堵水、注浆加固，结合超前锚杆，保证了掘进速度，安全系数大大增加，有效减少了人员在淋水环境下作业时间，取得了月进尺45 m，支护成本下降13 %的经济技术指标，可为类似矿山提供参考。

关键词：巷道掘进；破碎围岩；涌水；预注浆加固；超前锚杆支护

中图分类号：TD265.4文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）05-0024-04doi：10.11792/hj20230507

引言

在巷道开拓中，水害是主要的危害之一，不仅影响掘进施工，同时容易造成井下突水，危害生命。注浆堵水是防治矿井水害的有效方法之一，当前已广泛应用于国内外矿山及建筑工程。相关学者在巷道注浆堵水、加固方面做了大量研究，孙晓刚等［1］利用超前预注浆技术对焦家金矿望儿山矿区含水构造带进行了固结，有效阻止了涌水对巷道的影响。夏定华等［2］针对大水矿井巷道涌水的特点，采用注浆堵水的方式，形成注浆帷幕，取得了良好的经济效益。曹胜根等［3］对焦作矿区巷道突水现象采取巷道预注浆技术，取得了良好的堵水效果。陈少帅等［4］运用分段下行式注浆法围绕巷道底板及两帮进行帷幕注浆，极大限度地避免或减轻砂岩裂隙含水层出水对生产的影响。姜建丰等［5］在龙塘沿铁矿运用中深孔注浆技术与短注相结合的施工方法，取得了良好的治水效果。何沐［6］采用L型钻孔地面预注浆技术将地面预注浆技术与定向钻进技术相结合，提高了围岩的稳定性，降低了开挖支护的难度。张超［7］利用超前金属骨架与预注浆技术加固巷道周围松软煤岩体，保证了揭过煤层群的安全。王卫生［8］采用高压旋喷注浆技术对赞比亚谦比西铜矿垮帮后的工作面进行注浆密实处理，取得了预期的效果。王同旭等［9］采用超前预注浆技术对小康矿巷道破碎围岩进行加固，有效防止了工作面端面冒顶。郝阳军等［10］应用超前预注浆技术提高工作面顶板围岩破碎巷道的稳定性。

内蒙古包头鑫达黄金矿业有限责任公司西柏树矿（下称“西柏树矿”）24号脉855 m中段西脉外运输巷围岩破碎，掘进过程中出现大量涌水，不仅影响掘进效率，还存在突水等安全隐患，为了保证掘进安全及效率，需采取有效措施防治水害。上述工作为围岩破碎、涌水巷道掘进施工提供了宝贵经验，可为西柏树矿大水破碎围岩掘进提供借鉴，同时，由于各矿山围岩及涌水特点各不相同，具体的注浆工艺、参数也有差别，因此西柏树矿需根据自身条件，研究适合本矿特点的注浆工艺、参数，实现安全、高效掘进。

1工程背景

西柏树矿位于内蒙古自治区包头市九原区阿嘎如泰苏木，乌拉山中段，主要开采24号脉，矿体厚度0.21～4.74 m，平均厚度2.02 m，平均金品位1.53×10-6，品位变化系数105 %，矿体平均倾角68°。采用明竖井开拓，竖井深度380 m，井筒净直径5.0 m；采用3#罐笼提升，设计日提升能力800 t，采矿方法主要为浅孔留矿采矿法，年采矿能力10万 t，年黄金产量150 kg［11］。

西柏树矿855 m中段西脉外运输巷已施工至P260勘探线—P268勘探线，掌子面距离P268勘探线23 m。通过现场揭露情况及探水孔探测发现，巷道掌子面右前方20 m范围内裂隙发育，有多组横向断层，稳固性很差，已施工钻孔最大涌水量达到50 m3/h（见图1），为涌水区域，围岩破碎且有较大涌水将难以直接开挖巷道。为确保施工安全及进度，需采取措施，加固围岩及防止水害。

2堵水加固方案措施

水文地质调查显示，该区域的涌水主要来源是裂隙水，裂隙可能与山前沟谷有贯通处，裂隙为涌水提供了补给通道，单纯疏干效果有限。预注浆可以在巷道与矿体之间形成止水帷幕，减少巷道涌水、淋水，改善作业环境，也能缓解矿井排水压力，同时也可加固周围岩体，提高整体稳定性。为了改善掘进条件，在855 m中段西脉外运输巷进行“超前预注浆”堵水加固。依据施工巷道围岩性质、断面及钻孔出水量情况，注浆钻孔设计为6个（见图2），孔深为40 m，注浆长度40 m，注浆加固范围为设计巷道（2.2 m×2.4 m）开挖轮廓线外3.0 m，其中1#、2#孔上倾3.5°，3#、4#、5#、6#孔上倾、外倾3°，3#、6#孔兼作观测孔。

注浆结束后根据钻孔钻探情况判断注浆后围岩破碎情况，若顶部围岩极破碎，使用超前錨杆后，锚杆选用直径50 mm的钢管，根据钻孔实际揭露地质情况确定锚杆长度，对顶板形成支撑保护，保证掘进安全。

3注浆工艺及参数选择

3.1注浆方式选择

根据现场实际情况，决定采用钻注一体后退式注浆（见图3）。为防止浆液漏失严重时造成浪费，采用间隙注浆方式，使得先注入的浆液和岩层初步达到胶结后再注浆，循环注浆多次，直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值。其工作过程是通过止浆墙安装孔口管，用钻头钻至出水点（水量＞3 m3），退出钻杆，进行测水、测压，然后安装压盖，关闭球阀，观察情况，待无任何异常情况，开始注水，冲洗岩层通道，再注入浆液，由稀到浓间隙注浆，封堵孔隙，起到止水作用。达到设计注浆压力或注浆量后，进行复钻，钻至出水点再次进行注浆，反复施工，直至达到设计深度，完成整个孔的注浆。

3.2 注浆材料

采用水泥、水玻璃相结合施工，浆液选用普通水泥浆和普通硅酸盐水泥（水泥）-水玻璃双液浆，普通水泥浆用来增加浆液的扩散范围和胶结体强度及耐久性，水泥-水玻璃双液浆用来进行封孔和控域注浆。其中，普通水泥浆水灰比（0.8～1）∶1；水泥-水玻璃双液浆配比为水灰比（0.8～1）∶1，水泥与水玻璃体积比为1∶1，水玻璃浓度为38～42 °Be′，添加2 %～5 %的缓凝剂。

3.3注浆范围

单次注浆长度为40 m（根据水量变化，现场确定是否增加钻孔个数及深度），断面注浆范围为巷道开挖轮廓线外扩3.0 m，待本次注浆完成后，开挖30 m再进行探水，根据探水情况决定是否注浆。

3.4注浆压力

注浆压力是注浆施工中的重要参数，它关系到注浆施工的质量及是否经济。注浆压力与地层孔隙发育程度、涌水压力、注浆材料的黏度和凝结时间等有关，可按地下水静水压力计算，一般设计注浆压力为静水压力的2～3倍，最大可达到3～5倍，即p′

经计算，设计注浆压力控制值为3.0～15.0 MPa。

4 现场实施情况

按设计要求，现场实施过程中具体参数如下：钻孔直径90 mm，设计孔深40 m；布孔间距根据施工现场灵活调整；注浆扩散半径3 000 mm；注浆压力3.0～15.0 MPa（实际注浆中终止注浆压力2.0～4.0 MPa）；初凝时间0.5～2.0 min。

工艺流程：设备人员进场—孔位定点—钻机成孔—浆液搅拌—注浆—提拔注浆管—注浆至设计深度—封孔。

具体实施过程中，首先封闭掌子面，制作止浆墙。在止浆墙上钻浅孔，安装孔口管，孔口管直径比钻头直径大10～20 cm，孔口管长度2～3 m，外露不小于20 cm。通过法兰盘将高压球阀或止水装置、止浆套筒安装在孔口管上，止浆套筒上安装泄压阀，注浆前处于开启状态，注浆时处于关闭状态。通过止浆套筒及高压球阀，开始钻孔，钻至设计深度后，加大用水量冲洗钻渣及泥砂，钻渣全部冲出后，停止钻进。将三通分水器的风水管路关闭，打开注浆阀门。所有的连接件都已连接完全后开始压水，观察止浆套筒上的泄压阀，当泄压阀内有水流出时，关闭泄压阀，开始注浆，如果接头部位均不漏浆，说明管路畅通且密封良好。当整个孔的注浆全部完成时，在拆卸钻杆之前，必须先打开泄压阀泄压，防止高压浆液喷射伤人。施工人员配备情况见表1。

5试验实施情况及主要技术经济指标

855 m中段西脉外运输巷预注浆自2021年7月27日开始至8月16日结束，历时20 d。注浆结束后，开展了掘进工作，淋水量很小，小于0.5 m3/h，含水断层带被有效封堵，预注浆封堵水效果很好，巷道也得到了显著加固，同时预埋的超前管起到了超前支护的作用，保持了围岩强度，对超前泄压也有一定作用（见图4）。试验结果表明，预注浆技术在西柏树矿破碎、大水巷道掘进中可起到堵水、加固作用。

施工中采用超前预注浆技术，同时预埋的超前管起到了超前支护的作用，达到了良好的堵水效果，提高了作业安全性，节约了支护费用。施工中部分炮孔因为探孔出现涌砂、塌孔，采取了重新布置钻孔和预埋探管的方式。采用超前预注浆技术和未注浆技术的主要技术经济指标对比见表2。由表2可知：采用超前预注浆技术，月进尺45 m，较未注浆时提高了30 m，且支护成本下降了13 %，取得了较好的效果。

6结论

1）超前预注浆技术结合超前锚杆支护可改善破碎、大水巷道掘进作业条件，应尽量避免钻进太深（＞45 m），采用30～40 m分段长度，可取得理想的注浆效果。

2）作业人员在注浆后巷道内作业，降低了岩石破碎和涌水的安全风险，同时预先埋设了超前锚杆，增加了人员作业的安全性，改善了作业条件。

3）施工过程比较集中，对生产调节有很大帮助，节约了支护费用。

［参 考 文 献］

［1］孙晓刚，刘洪伟，孙庆周，等.超前预注浆技术在焦家金矿望儿山矿区-630中段开拓施工中的应用［J］.今日科苑，2010（15）：144.

［2］夏定华，郭志伟.大水矿井巷道掘进预注浆技术应用［J］.江西煤炭科技，2009（3）：68-69，76.

［3］曹胜根，程正刚，张云，等.巷道围岩预注浆防突水技术研究［J］.采矿与安全工程学报，2016，33（2）：311-317.

［4］陈少帅，宋凯.预注浆技术在巷道过砂岩裂隙含水层中的应用［J］.中国煤炭地质，2020，32（10）：27-30，76

［5］姜建丰，章林，远洋，等.预注浆治水技术在巷道掘进中的应用［J］.现代矿业，2014，30（3）：163-164.

［6］何沐.L型钻孔地面预注浆技术在煤矿井下巷道加固工程中的应用［J］.河北化工，2015，38（6）：70-72.

［7］張超.辅助巷、金属骨架与预注浆技术在巷道揭过煤层群中的应用［J］.能源技术与管理，2014，39（4）：78-80.

［8］王卫生.高压旋喷注浆技术在副井施工中的应用［J］.采矿技术，2015，15（6）：36-39.

［9］王同旭，陆士良.掘修巷道超前注浆加固技术［J］.矿山压力与顶板管理，1996（4）：52-54，63.

［10］郝阳军，郭亮，田元帅，等.下分层巷道掘进过煤层顶板压力破碎区注浆技术与现场应用［J］.矿业安全与环保，2018，45（3）：98-101.

［11］孟庆学，宋德林，李朝民.中深孔阶段矿房采矿法在急倾斜薄矿体中的应用［J］.黄金，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