龙固煤矿岩巷注浆堵水中基于关键孔的信息化治理体系研究

王 利

（中煤科技集团公司，北京市朝阳区，100013）

龙固煤矿岩巷注浆堵水中基于关键孔的信息化治理体系研究

王 利

（中煤科技集团公司，北京市朝阳区，100013）

针对龙固煤矿二号辅助运输大巷几个层位突涌水现象较为严重的问题，在巷道注浆堵水过程中提出了关键孔治理思想，制定了钻孔评价标准和关键孔的多因素层次优选方法。从材料消耗和堵水效果监测方面对关键孔的作用效果进行了评价。通过对钻孔的评价和优选，提高了钻孔的利用效率。

巷道注浆堵水 关键孔 钻孔评价标准 信息化 龙固煤矿

1 工程背景

山东新巨龙能源有限责任公司龙固煤矿设计能力为600万t／a，其首采水平为-810 m，地面标高+43.6 m，埋深大、表层土厚、断层构造极为发育。

二号辅助运输大巷穿越多个岩层，其中，灰岩、泥岩、泥质细砂岩、粉砂岩、细砂岩等几个层位突涌水现象较为严重。突涌水的主要原因是该区域内的三灰含水层被两处张扭性断层FL8-1、FL8-2切断，进而为地下水的流通额外产生了一条垂直方向的通道，促进了地下水的排泄。

二号辅助运输大巷涌水区域总长度约310 m，涌水量为720 m3／h，涌水初始揭露水压为7.5 MPa，经过疏排后水压为2.5～3.5 MPa，涌水温度约为49℃，属于典型的高温、高压、大流量涌水，工程治理难度极大。根据涌水点位置、特征及涌水量大小，将涌水段划分为4个分区，分别为顶板淋水区、顶板冒落集中涌水区、巷道散点涌水区及巷道底板涌水区，其中顶板淋水段位于断层FL8-1两侧，主要为从巷道顶板向底板穿越的断层破碎带，底板涌水段主要分布于FL8-2附近。同时，二号辅助运输大巷围岩多为岩石强度低的软岩层，在断裂构造运动影响下较破碎，稳定性差，在外力作用下易发生坍塌事故。二号辅助运输大巷涌水段及主要涌水点分布见图1。

图1 二号辅助运输大巷涌水段及主要涌水点分布示意图

2 关键孔注浆思想

基于上述工程实际，二号辅助运输大巷治理需采取科学合理的注浆堵水技术措施保证煤矿建设和生产安全。辅二运输大巷初步方案设计深部注浆孔78个，钻探总进尺5750m。但在初期施工几个钻孔都无水，效果较差，而且还为后来的注浆以及钻孔设计增加了难度。为找到最佳引排钻孔和最佳注浆孔，在充分利用钻孔的补充探测基础上引入关键孔注浆思想。

关键孔是指在注浆、引排水、围岩加固中起到主要作用的钻孔。关键孔往往具有较好的连通性，能够揭露主导通裂隙，通过关键孔的钻探、探测可以建立围岩含、导水构造的分布模型，确定注浆堵水工程治理关键区域。

关建孔注浆实施的关键在于钻孔设计以及钻孔质量评价进而优选出关键孔进行注浆治理，为此，引入关键孔信息化治理体系，通过提出钻孔质量评价标准，结合钻孔质量评价因素来综合选孔。

3 工程现场应用

3.1 钻孔设计

通过涌水区域地质及水文地质条件分析，确定涌水水源含水层，根据现场水文地质条件采用瞬变电磁法对现场涌水区域进行物探，基本探查出主要含、导水构造发育特征及重点涌水区域富水性情况，确定注浆堵水工程治理关键区域为巷道顶板淋水区，结合探测分析结论，针对关键区域巷道顶板淋水区的治理，初步设计4个钻场。

3.2 钻孔质量评价

钻孔质量涉及施工安全、进度、效益等多个问题，所以钻孔质量评价标准的制定显得尤为重要。通过制定钻孔质量评价标准，可以实现关建孔的多因素层次优选，进而可以提高钻孔的利用率。

3.2.1 钻孔质量评价标准

根据层次分析的计算方法，钻孔质量评价得分越高，钻孔质量越好，钻孔评价得分区间与钻孔评价因素赋值高低有关，赋值越高，各因素间赋值差距越大，钻孔得分差距越明显，由于现场施工条件较差，目标区域小，钻孔赋值较低，故评价得分也较低。根据二号辅助运输大巷现场情况和赋值的平均水平，确定了5个钻孔质量等级，具体情况如表1所示。

3.2.2 钻孔质量评价因素

钻孔质量关系到施工安全、引排及注浆治理效果，其质量评价可以分为两个层次，第一层评价因素分为安全评价、技术评价、环境评价和成本评价4个方面，其中每个方面又可以根据具体工程条件分为诸多小项，针对不同的项目和工程环境，有不同的评价标准，即为第二层评价因素。其中，安全评价包括施工人员安全性评价、工作环境评价及工程安全评价；技术评价包括钻孔揭露裂隙数及钻孔涌水量、连通时间或跑浆时间、有效扩散范围估计及跑浆浓度；环境评价包括通过治理可改善环境、对环境无影响及对环境有破坏作用；成本评价包括钻孔施工成本、钻孔吃浆能力及钻孔及注浆施工难度。

表1 钻孔质量评价标准

在注浆钻孔的质量评价因素中，所涉及的评价指标很多。其中有少量的定量指标，如钻孔涌水量、揭露裂隙数量、水压等；更多的是模糊性很强的定性指标，如连通性、有效扩散范围等。实际应用中为了简化处理，借用模糊理论，根据具体问题不同的复杂程度和需要，每一影响预报效果的因素可按其性质分为若干等级。具体到辅二运输大巷中，将涌水量、跑浆浓度和跑浆时间3项作为定量评价。实际操作为涌水量评价得分为Qi／Qmax，其中，Qi为本孔涌水量，Qmax为治理段涌水量总和；跑浆时间评价得分可以根据注浆材料初凝时间和施工可操作性综合确定，以速凝无机注浆材料为依据，其现场初凝时间为30～45 min，跑浆时间太短或太长得分均下降；跑浆浓度评价方法与涌水量评价办法相似，具体得分为跑浆浆液浓度与注浆浆液浓度的比值。限于篇幅，这里就不作详细的计算说明。

3.2.3 关建孔注浆设计

根据最终钻孔质量评价得分，按最大隶属原则，选择1个最优关键孔和5个次优关键孔合计共6个关键孔。次优关建孔4-5＃和次优关键孔4-6＃如图2所示。

图2 关键孔4-5和4-6的地质剖面图

（1）注浆材料选择。以钻孔的现场试验和注浆材料现场凝固试验为指导，针对涌水治理特点进行如下材料选择：

以膨胀性轻骨料 （以工业海带和锯末为主）为主要注浆材料。由于二号辅助运输大巷内涌水流量流速较大而巷道涌水道短，所以应该采用能够遇水膨胀的膨胀性轻骨料进行封堵和填充大裂隙过水通道。

以C.S双浆液为辅助注浆材料。C.S双浆液是一种速凝无机注浆材料，其初凝时间为30～40 min。由于巷道内多为高温、高压涌水，采用一般浆液不能保证注浆结石体的长期持久性和稳定性。

此外，由于巷道内围岩多为软岩层，在断裂构造运动影响下较破碎，稳定性差，还应该选择高强复合水泥浆液作为注浆材料。

（2）注浆工艺。根据巷道以及上述3种浆液的特点，按照先膨胀性轻骨料注浆减缓涌水流速，封堵大裂隙，再用C.S速凝双浆液注浆减水，最后高强复合浆液加固的 “深部注浆堵水，浅层系统加固”思路顺序进行注浆，并且采用动水注浆技术。

4 关键孔的堵水加固作用效果评价

以治理难度最大的冒顶区和顶板涌水段作为分析对象，对关键孔高压裂隙涌水的注浆减水和加固的作用效果进行评价。

二号辅助运输大巷冒顶集中涌水段的治理共施工钻孔35个，其中关键孔6个，关键孔的材料消耗比率如表2、表3、图3所示，经过对关键孔的系统注浆，顶板涌水段涌水量由原来的85 m3／h减为10 m3／h，注浆后巷道围岩变形速率小于0.2 mm／d，减水和加固效果显著，由此可见，关键钻孔注浆对减少涌水量明显。此外，由围岩收敛监测数据判断，围岩加固效果也较为明显。

表2 关键孔钻孔参数及注浆消耗表

表3 关键孔钻孔注浆消耗比率

图3 关键孔及其他钻孔材料消耗对比图

综合考虑，在物探基础上，针对二号辅助运输大巷富水区域进行钻孔设计，并根据信息化施工机制，对钻孔数量和参数进行动态调整，最后实际施工深部注浆孔52个，比原设计减少33.3%；钻探进尺3312.5 m （不含复钻），比原设计减少41.4%。

5 结论

（1）针对龙固煤矿涌水为高温、高压、大流量的特点，提出关建孔注浆思想，并在具体的工程应用中取得了良好效果。

（2）针对关建孔注浆，提出了运用钻孔质量评价标准来对其进行优选，为关建孔注浆建立了信息化治理体系，并为后来类似工程提供借鉴和参考依据。

（3）从工程治理效果、经济效益以及工程量等方面对关建孔注浆作用进行对比、分析发现，关建孔治理思想能科学有效地找到富水异常区或含导水构造，减少钻孔数量；针对关键孔进行注浆设计可有效节约资源，缩短工期。

［1］徐栓祥 .龙固矿深立井大流量工作面预注浆堵水研究 ［J］.中国煤炭，2009 （5）

［2］辛恒奇，徐栓祥 .掘进巷道涌水断裂缝隙探测及注浆堵水技术 ［J］.煤炭科学技术，2011（5）

［3］张霄，李术才，张庆松等 .关键孔注浆方法在高压裂隙水封堵中的应用研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2011 （7）

［4］李术才，李树忱，张庆松等 .岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2007（2）

Research on informatization control system based on key borehole for water plugged by grouting into strata roadway in Longgu Coal Mine

Wang Li
（China Coal Technologies Group Corporation，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aimed at the severe water inrush in many positions of No.2 auxiliary main haulageway in Longgu Coal Mine，the key borehole control was proposed for water plugged by grouting into roadway and the evaluation criteria for boreholes and the multi-factor optimizing method of key borehole were made.The effect of key borehole was evaluated according to the material consumption and the monitoring on water plugging effect.The utilization efficiency of borehole was enhanced through the evaluation and optimization of boreholes.

water plugged by grouting into roadway，key borehole，evaluation criteria for boreholes，informatization，Longgu Coal Mine

TD743

A

王利 （1969-），男，山东宁阳人，工程师，博士，曾任新汶矿业集团公司华丰煤矿副矿长、内蒙古福成矿业公司党委书记，现任中煤科技集团公司总经理助理。

（责任编辑 张艳华）