井上下联合注浆在巷道掘进过导水断层中应用

郭晓军

(山西汾西瑞泰正中煤业有限公司，山西 灵石 031308)

当井下巷道掘进期间遇到地质构造复杂带时，巷道掘进过程中经常出现围岩变形、支护难度大以及围岩淋水等各种问题，给巷道掘进效率以及掘进安全带来制约[1-3]。由于断层影响区内煤岩体破碎、整体稳定性较差以及强度较低，巷道围岩无法给锚网索提供相对可靠、稳定的锚固端，同时围岩淋水、涌水等会严重影响巷道掘进安全[4-6]。对断层影响区进行超前注浆不仅可实现导水通道封堵、提高巷道围岩整体稳定性，而且有助于提高巷道掘进效率。受到井下施工条件制约，井下注浆距离较短，只能通过分段注浆同时止浆量较小，无法满足巷道掘进过大型断层防治水以及围岩加固需要[7]。随着钻进设备以及钻进技术不断发展，地面注浆技术在煤矿防灭火、防治水等方面应用不断增加，通过地面注浆可实现大型断层影响区内大范围加固，同时辅助井下注浆避免出现注浆空白带，不仅有助于维护断层构造影响区内围岩稳定、降低围岩变形量、实现导水裂隙封堵而且可有效避免巷道掘进期间出现淋水、突水等问题，确保掘进安全[8-10]。文中就以山西某矿2301运输巷掘进过DF02断层为工程实例，提出采用井上下联合注浆方式对DF02断层影响区内导水裂隙以及破碎煤岩体等进行加固，实现巷道安全高效掘进。

1 工程概况

山西某矿设定产能为200万t/a，矿井现阶段生产主要集中在3号煤层，埋深260 m，煤层厚度9 m，采用综放开采工艺，采高控制在3.5 m、放煤高度5.5 m.2301运输巷为2盘区3煤主要运输巷道，承担采区煤炭运输、行人以及进风等任务。巷道设计断面为直墙半圆拱型，采用综掘方式掘进，沿着3号煤层顶板泥岩掘进。根据现有地质资料显示，2301运输巷掘进期间会揭露有DF02断层，该断层落差超过45 m，断层破碎带宽度超过38 m，上下两盘影响范围均超过50 m.在DF02断层影响范围内围岩破碎、裂隙发育，同时断层可能与底板承压水以及顶板裂隙水含水层连通，在巷道掘进过该断层期间可能出现围岩淋水、变形量大甚至突水等问题。

在DF02断层影响范围内，通过施工钻孔进行超前注浆，可实现断层影响范围内导水裂隙封堵并加固围岩，以便实现2301运输巷安全高效掘进通过DF02断层。文中就对该矿现场采用的井上下联合注浆技术工艺进行分析。

2 井上下联合注浆工艺

2.1 井上注浆工艺

2.1.1 注浆设备

井下注浆是通过钻孔将地面制备好的注浆浆液注入到DF02断层影响范围内，以便实现断层影响区内加固以及导水裂隙封堵。井上注浆采用的浆液为水泥浆，浆液通过高速旋轮机制作并将制备完成的浆液暂时存储在存储罐中，通过加压泵、注浆钻孔将浆液注入到断层影响区。地面注浆时注浆泵注浆压力控制在13 MPa，注浆流量控制在35～60 L/min.地面注浆钻孔钻进深度设计为2 956 m，施工、注浆共耗时65 d，具体钻孔参数如表1所示。

表1 地面注浆钻孔参数

地面注浆钻孔施工采用矿井引进的ZYL-17000D履带式液压钻机，钻机额定转矩控制在17 000 N·m，配套使用的钻杆类似为通缆钻杆，可实时获取钻孔钻进轨迹并修正钻孔钻进方位，以便提高钻孔钻进精度。具体地面钻孔施工时使用的钻进系统设备配备情况及技术参数如表2所示。

表2 地面钻进系统设备配备情况及技术参数

2.1.2 注浆层位及注浆钻孔布置

由于2301运输巷掘进过断层期间出水水源主要源于底板灰岩承压水含水层，含水层内水通过DF02断层破碎带裂隙涌向掘进空间，从而给巷道掘进安全带来影响。为此，地面注浆钻孔注浆点主要集中在巷道底板，通过注浆封堵底板承压水向回采巷道涌出量，以便实现巷道安全掘进通过DF02断层。在地面布置注浆钻孔，注浆钻孔有1个主孔以及4个分支孔，分支孔均从钻孔二开位置分散并按照设计钻孔层位钻进，通过分支孔注浆实现DF02断层影响区导水裂隙以及岩体加固。通过对底板进行注浆，可将底板改造成为隔水层，实现导水通道封堵以及消除底板承压水给巷道掘进影响。

地面注浆钻孔施工完成后，通过地面注浆钻孔向2301运输巷底板区域进行注浆，实现导水裂隙封堵。注浆期间对钻孔注浆压力进行持续监测(图1)，当注浆压力增至15 MPa后继续稳压30 min即停止注浆。注浆采用分段注浆工艺，单段注浆长度控制在10 m，注浆时间控制在15～30 min.注浆选用水泥单液浆，浆液水灰比控制在1∶1.08，在水泥浆中添加一定量的速凝剂改善注浆浆液性能。

图1 地面钻孔布置示意

2.2 井下注浆

在2301运输巷与DF02断层相距超过70 m时，即通过钻探+物探方式对断层导水性以及围岩破碎程度进行探测。施工的探测钻孔不仅可实现探测，而且可对断层内积水进行疏排，并作为后续注浆孔使用。对断层影响区内裂隙进行充填、涌水通道进行封堵，以便降低巷道掘进过断层期间围岩涌水量，提高巷道围岩支护效果。具体巷道掘进期间施工的探测钻孔布置如图2所示。施工的探测钻孔可实现巷道顶底板及巷帮掘进外轮廓线25 m范围探测，钻孔钻进使用ZLJ-400钻机，钻头D45 mm、钻杆长度1 000 mm.

图2 探测钻孔布置图

在2301运输巷掘进迎头与至DF02断层相距30 m时，无论施工的探测钻孔是否出水均通过钻孔向断层内进行注浆。注浆选用浆液为水泥单液浆，注浆压力控制在5～8 MPa.

3 现场应用效果分析

在2301运输巷与DF02断层相距超过70 m时，即通过探测钻孔对详细探测断层位置并对断层内积水进行探测；在与断层相距30 m时，对断层进行注浆，不仅可进一步封堵导水裂隙、降低巷道掘进期间围岩淋水量而且可增强巷道围岩强度及稳定性。

在2301运输巷掘进过DF02断层期间，巷道顶板未出现淋水情况、底板未有涌水，施工的探测钻孔均未有出水情况。表明通过井上钻孔对断层导水裂隙进行超前注浆封堵以及后续井下采用的超前疏排、注浆方式可实现断层导水裂隙封堵，为2301运输巷安全掘进创造良好条件。同时2301运输巷采用锚网索喷+U型钢架棚支护方式，可实现围岩变形有效控制，后续监测期间围岩(顶底板及巷帮)最大变形控制在15 mm以内，围岩控制效果显著。

4 结 语

1) 巷道掘进过大型导水断层期间，防治水治理难度大、影响掘进安全不利因素多，如何实现巷道安全掘进以及围岩变形有效控制是巷道掘进期间需重点解决问题。注浆是实现导水断层治理的主要措施，通过注浆可封堵导水裂隙从而为巷道掘进创造良好条件。但是由于断层影响范围大、潜在的导水裂隙发育，若仅通过井下注浆方式进行注浆封堵则面临注浆材料运输量大、注浆钻孔施工工程量大、注浆与巷道掘进无法同步开展以及注浆地面施工受限等问题。地面注浆具备有施工方便、不会影响井下生产、效率高以及安全性好等优点。文中以2301运输巷过DF02断层为背景，采用地面注浆方式对巷道底板断层影响区导水裂隙、涌水通道等进行封堵，并实现巷道掘进围岩超前注浆加固。

2) 对地面及井下注浆钻孔布置方案进行设计，同时为确保2301运输巷掘进过DF02断层影响区安全，在地面超前注浆区域内掘进时巷道掘进迎头仍布置探测钻孔对断层影响区进行探测、超前疏排，并通过探测钻孔对断层进行注浆，提高断层影响范围内围岩强度及稳定性；现场应用后，巷道掘进过DF02断层期间围岩未出现淋水情况，同时变形量较小，巷道得以实现了安全高效过断层。