巷道通过导水断层的帷幕注浆工程

王剑峻(河北开滦(集团)蔚州矿业公司北阳庄矿，河北 蔚县 075700)

巷道通过导水断层的帷幕注浆工程

王剑峻(河北开滦(集团)蔚州矿业公司北阳庄矿，河北 蔚县 075700)

巷道通过导水断层时帷幕注浆是一种有效的堵水方法。结合区域地质、水文条件，3号矿井西翼3条大巷采取帷幕注浆方案，通过优化钻孔设计和施工，安全通过F10强导水断层，为矿井防治水提供了成功经验。

巷道； 导水断层； 帷幕注浆； 设计

1 工程概况

开滦(集团)蔚州矿业公司3号矿井为适应井下基建生产的需要，在施工+650水平西翼回风巷、皮带巷、轨道巷3条大巷时，要通过F10断层，根据三维地震资料，该断层属可靠的正断层，落差约15m，导通奥灰水，为确保大巷安全通过F10断层，在掘进至距断层约78m时，设计了2个超前探测断层钻孔，并于2014年1月18日～2月7日进行了第一次钻探，施工了1号和2号两个钻孔。

1号孔：倾角-8°，孔口结构第一层套管直径127mm，管长5m，第二层套管直径108mm，管长15m，钻孔终孔深度为78.8m，最大涌水量为1.66m3/min，水头压力2.2～2.3MPa，经过水质化验确认为奥灰水。

2号孔：倾角+2°，孔口结构第一层套管直径127mm，管长5m，第二层套管直径108mm，管长15m，钻孔终孔深度为92.12m，最大涌水量为0.11m3/min，2号钻孔水压波动较大，波动范围在0～1.4MPa，水质化验为煤系和奥灰的混合水。

第一次钻探证实了F10断层为导水断层，受断层影响，缩短了奥灰与6煤层的间距。为了保证巷道安全通过，决定对该富水断层带进行钻探帷幕注浆，进一步确定F10断层的准确位置、产状。钻注封堵与F10断层导通的奥灰水，帷幕加固断层带的破碎岩石，使巷道周围形成1.5～2.0m的阻水交圈，从而达到缝合断裂构造、封堵充水通道的作用，确保西翼3条大巷安全、顺利通过导水断层带。

2 钻探及帷幕注浆设计

2.1 钻窝位置

根据对F10断层预测的位置、产状,兼顾快速施工与保证距断层法线距离不小于20m两方面因素，设计情况如下。

(1)设计西翼回风大巷距回风石门49.2m处为1号钻窝(以回风大巷迎头为钻窝)，对前方西翼回风大巷断层位置进行钻注。

(2)设计西翼回风大巷距回风石门435.7m处

为2号钻窝(钻窝规格长度为5.8m，宽度为5m，高度为3.5m，锚网、架棚联合支护)，对侧前方西翼轨道大巷断层位置进行钻注。

(3)设计西翼回风大巷距回风石门414.8m处为3号钻窝(钻窝规格长度为5.8m，宽度为5m，高度为3.2m，锚网、架棚联合支护)，对侧前方西翼皮带大巷断层位置进行钻注。

2.2 钻孔布置

共设计注浆钻孔35个，其布置形式详见图1，钻孔技术参数见表1、表2和表3。

图1 西翼大巷F10断层钻探及帷幕注浆工程平面图

表1 回风巷注浆钻孔技术参数表

2.3 注浆段高

根据岩层岩性及裂隙率大小，钻孔注浆每次段高为：①断层导水带为10m左右;②断层前后岩层(不包括10m断层导水带)各为10～15m；③终孔后全孔段再复注一次。

2.4 注浆材料的选择

根据煤系含水层的赋存特征，无大的张性裂隙及岩溶的存在，适应岩石破碎段的注浆材料，采用单液水泥浆，掺加复合外加剂(三乙醇胺为0.5‰，食盐为5‰)，水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥。

表2 轨道巷注浆钻孔技术参数表

表3 皮带巷注浆钻孔一览表

2.5 施工顺序和注浆工艺及参数

2.5.1 施工顺序

钻注施工分为1号、2号、3号钻窝3个区域，为尽量缩短对巷道施工的影响，首先在1号、2号钻窝两个区域施工，分别对回风大巷和轨道大巷进行帷幕注浆，随后在3号钻窝区域对皮带大巷进行帷幕注浆。

(1)回风大巷注浆孔施工顺序。回风大巷钻注由1号钻窝(回风大巷迎头)施工，共设计注浆孔7个，施工顺序为1→3→6→4→2→5→7，为检验注浆效果，其中7号孔同时作为检查孔。

(2)轨道大巷注浆孔施工顺序。轨道大巷钻注由2号钻窝施工，共设计注浆孔14个，施工顺序为1→3→5→7→8→10→12→14→2→6→9→11→13→4，其中4号孔同时作为检查孔。

(3)皮带大巷注浆孔施工顺序。皮带大巷钻注由3号钻窝施工，共设计注浆孔14个，施工顺序为1→3→5→7→8→10→12→14→2→6→9→11→13→4，其中4号孔同时作为检查孔。

2.5.2 注浆方式

采用孔口压入注浆法，注浆前做压水试验，目的是保证注浆系统运转过程中安全，检查注浆系统是否完好，确定浆液初始浓度，增加微小裂隙的吃浆量。

2.5.3 浆液扩散距离

浆液有效扩散距离系指岩石裂隙中起堵水作用的浆液扩散范围，它受裂隙发育程度、裂隙开度与沟通情况、注浆压力和注浆方法的影响，本次注浆取扩散半径为3m。

2.5.4 注浆压力

为使注浆在裂隙中充填饱满结实坚硬致密，要在较高的注浆压力下结束注浆。终压为静水压力的1.5～2倍，即4～4.6MPa。

2.5.5 浆液浓度

使用原则是前期注浆浆液较浓，后期注浆浆液较稀，而每次注浆则先稀后浓。单液浆选用W∶C=1.25∶1、W∶C=1∶1、W∶C=0.8∶1三种配比，加入0.5‰的三乙醇胺和5‰的食盐后搅拌均匀。

2.6 注浆材料预算

浆液注入量是依据有效扩散半径和岩层平均裂隙率进行估算。

2.6.1 断层带水泥消耗量

(1)单孔注浆量按下式计算：

V=AHπR2nβ

(1)

式中：V——浆液注入总量，m3；

A——浆液消耗系数，取1.2；

H——注浆段高，按30m注浆段计算；

R——注浆帷幕半径，取3m；

n——岩石裂隙率，断层带内取8%，正常岩石段取2%；

β——浆液充填系数，取0.95。

计算单孔注浆量V=38.66m3。

(2)35个钻孔注入浆液总计：35×38.66=1 353.1m3。

(3))水泥消耗量。浆液水灰比按平均1∶1计算，0.75t水泥约制浆1m3，约需要水泥1 014.8t。

2.6.2 三乙醇胺用量

三乙醇胺用量为1 014.8×0.5‰=0.507 4t=507.4kg。

2.6.3 食盐用量

食盐用量为1 014.8×5‰=5.074t=5 074kg。

2.7 注浆效果检验

每组钻孔钻注完毕48h后,要施工检查孔，检验注浆效果：①钻取岩样，查看岩层裂隙是否被泥浆充填饱满；②进行压水试验，试水压力要达到4～4.6MPa，查看试水压力是否稳定；③若不符合要求，要重新布孔钻注，并按要求进行注浆效果检验，合格为止；④轨道大巷和皮带大巷施工至距断层50m之前要分别由轨道大巷和皮带大巷向正前方打钻，检验注浆效果，达不到要求时，由轨道大巷和皮带大巷重新布钻注浆。

3 施工工期

为尽量减少对工程的影响，在1、2号钻窝内各布置一台钻机，首先对回风大巷和轨道大巷进行平行钻注作业，联合帷幕注浆，考虑到皮带大巷施工比较滞后，由3号钻窝对皮带大巷的钻注作业可在随后进行。

在正常情况下：①回风大巷和轨道大巷工期30d；②皮带大巷工期15d(不影响巷道施工);③累计工期45d。

4 施工技术要求及安全措施

(1)施工前要制订专门的安全技术措施，严格按设计施工，保证安全和质量。

(2)钻孔开工前由技术负责人和测量人员共同采用经纬仪定位。

(3)采用油压300m钻机、三缸注浆泵。

(4)孔口承压管，水泥固结耐压不低于6MPa，正常段施工要安好阀门后钻进。

(5)过断层前10m开始取芯至终孔，以准确确定断层为止，每回次进尺不得超过岩芯管长度，确保岩芯采取率，其余孔段不取芯。

(6)岩芯要码放在干燥地点，不得乱放。

(7)钻进中准确记录出水位置、水量。

(8)施工前仔细检查钻场及附近巷道支护情况，加强巷道支护，无危险时方可施工。

(9)施工中发现孔内异常，立即停钻，查明原因排除危险后方可施工，突水时不得拔出钻杆。

(10)加强矿井排水管理，最大限度地增加矿井排水能力，保持设备完好状态，泵水人员坚守岗位。

(11)要加强通风、瓦斯管理，保持正常通风，经常检查瓦斯情况，无风、微风和瓦斯超限均不得施工。

(12)施工现场附近要安设通讯设施，如有危险情况必须立即通知所有受水威胁区域的人员。

(13)为防止突水堵人事故，2号或3号钻窝第一个钻孔未打透断层之前，回风大巷以里不准有人，防止因2号钻窝或3号钻窝钻孔突水堵人。

(14)由3号钻窝向皮带大巷钻注时，若轨道大巷已施工至钻孔影响区域，注浆时轨道大巷人员要撤出影响区域。

(15)施工中根据断层的实际探测情况，会通有关部门，按本设计总的原则要求，及时调整设计参数。

(16)必须遵守《煤矿安全规程》、《钻探操作规程》和《钻探安全技术操作规程》，熟知避灾路线。

5 工程评价

帷幕注浆工程于2014年2月15日正式开工，3月28日竣工，比计划工期提前3d完成。总共施工钻孔35个，累计进尺2 387.88m，累计注浆1 720m3。钻探注浆过程发现巷道底板充水范围较大，导水破碎带2～10m，所以注浆过程中以“最大量进浆、最大范围扩散、最大限度充填”为原则，最大限度增加注浆量，达到封锁复杂导水通道的作用。经检验，3个检查孔终孔涌水量均小于2 m3。至7月15日，3条大巷已经安全通过F10断层。巷道通过导水断层的帷幕注浆工程取得成功。

[1] 范天吉.煤矿防治水综合技术手册[M].长春：吉林音像出版社，2004．

[2] 王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州:中国矿业大学出版社，2000.

Curtain grouting engineering of roadway passing through water conducting fault

Curtain grouting is a effective method when roadway passes through water conducting fault. Combined with the regional geology and hydrologic condition, using curtain grouting method in the construction of three main roadways of No.3 mine passed through F10 super water conducting fault by optimizing drilling holes design and construction, which provided experience for mine water control.

roadway; water conducting fault; curtain grouting; design

TD743

A

王剑峻(1970-)，男，河北唐山人，高级工程师，工程硕士，从事矿山工程技术及管理工作。