辛置煤矿10-425工作面断层破碎带综合防水技术实践

李志杰

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

辛置煤矿10-425工作面位于东四左翼采区，东面为10-427设计工作面，南面为H=40m断层，西面为南土壁保安煤柱，北面为东四左翼轨道巷、皮带巷。工作面底板距下伏奥灰顶面平均间距为32m，工作面突水系数0.014～0.030MPa/m，小于0.06MPa/m，属于安全可采区域，奥灰水位标高505m，工作面带压0.42～0.92MPa。10-4252巷沿10#煤层掘进，掘进至32#点前25m处揭露D542H=17m断层底板出水，出水点底板标高为+407.2m，出水量从8m3/h逐渐增大至100m3/h，为防止工作面回采期间受采动扰动底板（扰动破坏深度9～10m）滞后导通奥灰水，造成水害事故，需针对10-425工作面断层破碎带进行具体的防水方案设计、施工。

2 断层破碎带防水方案的选择

2.1 断层防水煤柱留设

根据10-425工作面的地质情况可知所采10#煤位于O2含水层上方，因此设计防水煤柱时，将O2含水层水文地质参数作为设计依据。根据《煤矿防治水规定》，断层的防水煤柱留设需考虑两个方面的因素：一是煤层底板隔水层能否抵抗含水层水压；二是煤层能否抵抗断层导水沿煤层的压力。对于沿煤层的突水，按照《煤矿防治水规定》附录八之二方法直接计算煤柱宽度L；对于煤层底板突水，按照《煤矿防治水规定》附录八之四方法计算煤柱宽度L[1-2]，保证煤层底板距断层面之间的最小距离大于安全煤柱的高度Ha。根据两种方法计算结果取较大的数字作为煤柱最后留设宽度，但不能小于20m。根据《煤矿防治水规定》计算后确定防水煤柱的宽度为38m。

2.2 防水技术的确定

为保证10-425工作面回采期间D542H断层破碎带附近不会导通奥灰水出现水害事故，综合分析工作面的地质条件后在断层破碎带范围内采用浇筑防水密闭墙+注浆防水的方式进行堵水。

根据防水密闭墙设计水压，防水密闭墙形式设计为矩形，并采用注浆加固。根据10-425工作面的地质资料可知正副巷巷道的各项参数如表1所示。

表1 10-405工作面正巷与副巷尺寸参数

根据相关研究和工程实践得出防水密闭墙长度的公式（1）[3-4]，并根据10-425工作面的具体情况进行取值：

式中：

L-防水密闭墙长度，m；

α-凸缘基座支承面与硐室中心线的夹角，一般取20°～30°，本设计取20°；

γ0-结构的重要性系数，取1.1；

γf-作用的分项系数，取1.3；

γd-结构系数取1.2～1.75，水压大、硐室净断面积大时取大值，取1.5；

fcc-素混凝土的轴心抗压强度设计值，其值由混凝土轴心抗压强度设计值乘以系数0.95确定，取14.25N/mm2；

B-闸墙墙体前、后巷道净宽，取4.2m；

H-防水密闭墙体前后巷道净高，取2.7m；

P-防水密闭墙设计承受的水压，取1.0N/mm2。

通过将上述数据代入式（1）中能够计算得出墙体长度为0.33m，安全系数取7，本设计取防水密闭墙墙体长度L=2.31m。基于上述计算，采用楔形防水密闭墙设计时，防水密闭墙长度为2.31m。考虑到矿井实际技术条件难以满足施工效果，为此，将防水密闭墙设计为“迎水墙+注浆隔水体+背水墙”的形式，增强防水密闭墙的防水能力。在进行密闭墙施工作业时先施工迎水墙，闭墙施工结束后凝固3～5d，再施工背水墙，背水墙施工结束后凝固3～5d，对两防水密闭墙中间部分进行注浆作业。具体10-405工作面运输巷和回风巷的防水布置形式如图1所示。

图1 10-425工作面防水结构布置形式平面图

3 综合防水技术方案及效果

3.1 综合防水技术方案

对于防水密闭墙的施工作业，首先在防水密闭墙迎水墙距离起始端0.2m处，先支设2根横5m的11#工字钢，后支设2根纵3m的11#工字钢成“井”，用于增加迎水墙强度，进行迎水墙、背水墙开挖工作。迎水墙厚度为1.6m，共计3.2m；背水墙厚度为1m，共计2m。内墙施工完毕后用混凝土浇筑内外墙之间的空间，注浆隔水体采用加固钢筋的形式与巷道进行连接，具体10-405工作面运输巷和回风巷防水密闭墙的布置形式如图2所示。

防水墙施工所需的材料包括水泥、料石、沙、石子、水玻璃等，迎水墙和背水墙采用料石砌筑。水泥∶砂=1:3（体积比），注浆隔水体采用素水泥注浆。水泥∶水玻璃=1:1（体积比），混凝土加固浇筑层。水泥∶砂∶石子=1:1:2（体积比）喷浆层，水泥选用425#硅酸盐水泥，砂子用中粗河沙，石子用粒径20mm的石子。

3.2 注浆加固设计

根据10-425工作面D542H工作面的具体情况，对断层破碎带区域的注浆隔水体区域的各项注浆参数进行具体设计。

（1） 注浆材料与水灰比

本次注浆材料选用水泥与水玻璃双液浆，在综合考虑了施工条件、材料消耗及浆液固结强度等因素后，确定浆液的水灰比为0.6。

（2） 注浆压力

在对10-425工作面进行注浆作业时，由于断层破碎带内裂隙发育程度较差，并且设计注浆孔较深，基于此确定注浆压力为5～6MPa。

（3） 注浆孔深及布置形式

在对注浆孔深及布置形式进行设计时应保证浆液能够尽可能多的渗入破碎围岩中。根据工作面的具体情况，并综合考虑到机具条件后确定正巷的注浆孔深为8m，副巷的注浆孔深为6m。其中孔口管长度为2m，孔口管采用3寸孔口管，在挡墙施工的同时，需将孔口管放入注浆孔内，并固定牢固，确保挡墙施工完成后注浆效果达标。在背水侧靠近巷道两帮施工，往帮内偏移30°，最上一个孔向上偏移25°，最下一个孔向下偏移25°，排距为6m。具体注浆孔的布置形式如图3所示。

图2 10-405工作面回采巷道防水密闭墙布置平面图

3.3 施工工序方法及要求

10-425工作面断层破碎带综合防水技术的施工顺序如下：

（1） 进行迎水墙、背水墙开挖工作。迎水墙厚度为1.6m，共计3.2m；背水墙厚度为1m，共计2m。进行墙体开挖工作，先开挖巷道顶部，再施工两帮，最后开挖巷道底部基岩，掏槽深度为1m。挑顶采用放震动炮作业，并辅以风镐，尽量减少对围岩的破坏。

（2） 施工迎水墙最外侧料石墙，再施工内侧料石墙。施工1～1.5m内墙后，用混凝土浇筑内外墙之间的空间。

（3） 待混凝土内外墙的空间充填完成后进行注浆作业。在进行注浆作业时，具体的注浆作业流程为先在设计位置用钻机打设钻孔，钻孔打设完毕后为防止塌孔现象的出现应及时安放注浆花管，待钻孔打设完毕且注浆花管安装好后，进行封孔作业，待封孔结束后约40min左右时，便可开始注浆施工。巷道断面内注浆顺序为巷道顶板左侧到右侧依次进行注浆作业。在单孔注浆作业完成后，应及时用清水对注浆管路进行清洗。

图3 防水密闭注浆孔布置形式示意图

在进行混凝土施工作业时，其施工中的要求及注意事项如下：

（1） 为了保证混凝土的连续浇筑，搅拌地点应尽量选择在靠近防水密闭墙处，且应运输方便，有足够的搅拌能力。

（2） 对每一施工段内不能连续浇筑混凝土时，接茬处必须按处理施工缝的要求预埋连接钢筋。

（3）必须用一个品种的水泥配制混凝土，浇筑混凝土必须采用震动器进行捣固，混凝土进行浇筑时应采用对称连续浇筑，并分层捣固。

（4）浇筑混凝土，边角需要拦堵混凝土时，可用砖堵，但必须在24h内取出，并指定专人负责，以防漏取。

（5）应按预定位置放置预埋管路，在浇筑混凝土时应注意注浆管不要被混凝土所堵塞，

3.4 防水效果

在对10-425工作面断层破碎带区域采用“迎水墙+注浆隔水体+背水墙”的技术方案进行有效防水后，通过在回采巷道断层破碎带区域注浆加固范围内打设检查孔的方式对防水效果进行验证，得出检查孔的最大涌水量仅为18m3/h，综合防水方案对断层破碎带起到了较好的改造效果。10-425工作面在回采过程中未出现突水、下沉及异常涌水现象，实现了10-425工作面安全顺利回采。

4 结论

通过对10-425工作面断层破碎带的具体分析，确定防水煤柱的宽度为38m，采用“迎水墙+注浆隔水体+背水墙”的综合防水方案，并对防水方案的各项参数进行具体设计。综合防水方案实施后工作面在回采过程中未出现突水、下沉及异常涌水现象，有效地保障了10-425工作面安全顺利回采。