巷道掘进过导水断层水害防治技术研究

高连荣

(冀中能源峰峰集团辛安矿，河北 邯郸 056201)

1 前言

突水是制约矿井生产安全的重要因素，大多数矿井突水事故多发生在地质构造带附近[1-2]。由于断层作用导致近岩层强度低、自身稳定性以及隔水性差，具有良好导水性。断层这些性质导致有底板承压水巷道掘进通过断层时需要制定合理安全技术措施，确保巷道掘进安全[3-5]。导水断层注浆封堵是避免巷道掘进导水事故发生的一个有效技术手段，通过将注浆材料注入到破碎岩体中，通过注浆浆液扩散、凝固，从而实现提高岩层硬度及封堵导水通道作用[6]。现阶段最常用的注浆封堵材料由水泥浆、化学浆液材料以及水泥- 水玻璃浆等[7]。

2 工程概述

2.1 掘进巷道概况

某矿井田主采6号煤层，底板标高+602～+689m，具体煤层顶底板岩性见表1。对6号煤层开采造成威胁的含水层主要为奥陶系灰岩含水层，该含水层水量丰富，发育范围广泛，对应的水位标高+902m。6号煤层与下部含水层间间距48.4m，若发育有断层、陷落柱等地质构造时，就会引起煤层与含水层间出现水力联系，给煤炭开采工作带来不利影响。现阶段，矿井正掘进6号煤层3采区回风、运输以及辅助运输大巷，根据地质资料显示，三条掘进巷道均与DF21断层(196°、∠63°、H=18m)相交，巷道过断层期间有突水危险性，因此，有必要采取合理的安全技术措施，确保巷道掘进安全。

表1 顶底板岩性及厚度

2.2 含水层

6号煤层底板奥陶系灰岩承压含水层厚度为146.2～248.7m，为复合型水体，平均厚度210.6m。

岩溶水埋藏深度272.7～410.2m，对应的标高+850m，矿井开采位于岩溶水裂隙补给区范围内，岩溶裂隙水主要补给水源为附近河流渗透补给以及北侧岩溶水侧向补给，其次补给水源为大气降水，岩溶裂隙水从东北进入井田从西南流出。

2.3 隔水层

6号煤层下部主要隔水层本溪组泥岩、铝质泥岩以及砂岩为主，厚度14.3～34.3m，平均厚度20.7m，岩层厚度较为稳定。

2.4 DF21断层参数

采用物探、钻探等技术手段，对断层发育情况以及导水性等进行探测，探测出DF21断层断距5.0～6.1m，断层落差18m，倾角63°，该断层具有导水性，直接与下部奥陶系灰岩连接，经过水质化验，DF21断层主要涌水源为底板奥灰水，同时6号煤层顶板裂隙水也有参与，水源补给较为稳定。

2.5 放水试验

在矿井回风大巷中布置底板探水钻孔，进行为期5d放水试验，具体变化如图1所示，从探测结果看出，探测钻孔最终的涌水量稳定在1.1m3/h，表明涌水点处涌水较为稳定，根据放水钻孔观测结果，探测出的水位标高6号煤层底板奥灰水含水层水位标高相近，可以判定放水钻孔充水的主要来源为底板承压奥灰水。

图1 回风大巷底板探水钻孔涌水量变化曲线

3 巷道掘进过DF21防治措施

为了确保巷道安全、顺利过DF21断层，避免巷道在掘进过程或者掘进后期出现突水事故，最大程度保证巷道使用安全，对巷道掘进区域围岩进行注浆，以便对导水裂隙进行封堵。通过注浆改造，实现巷道掘进空间与底板奥灰水之间通道隔绝，在巷道掘进引起的松动圈外围布置环形隔水帷幕，确保巷道在掘进过断层期间安全性，阻止底板奥灰水沿着断层向巷道掘进空间涌入。

3.1 巷道底板注浆加固

1)注浆钻孔设计

在6号煤层回风巷及运输机巷间中心线为界，在回风大巷附近由近及远分别施工3排钻孔，每一排布置5个注浆钻孔。将第一排钻孔布置在DF21断层东部30m位置处；将第二排钻孔终孔位置布置在DF21断层与底板奥灰岩截割处；将第三排钻孔终位置布置在DF21断层西侧30m位置处。每一排钻孔的终孔间距为10m，钻孔的最南侧布置距离回风大巷20m处，3排注浆钻孔的终孔位置布置在底板奥灰岩上部边界下方10～30m处。对3排钻孔进行注浆，以便对回风巷道掘进区域内的导水裂隙进行封堵，具体注浆钻孔布置如图2所示。

图2 底板注浆钻孔平面布置示意图

2)注浆钻孔结构

为了有效对注浆区域导水裂隙进行封堵，并降低注浆对掘进回风大巷围岩稳定影响，避免在施工过程中造成底板水涌入到施工现场，钻孔设计为两开结构，一开采用15m长套管护壁，二开采用40m长套管护壁，在安装套管时先采用钻机将套管定入到钻孔底部，后采用注浆材料将套管与钻孔孔壁缝隙进行填充。

3)钻孔钻进及注浆工艺

(1)钻孔钻进过程中先采用直径75mm钻孔开孔，钻进17m后使用直径159mm钻孔进行扩孔，钻孔距离为17m。

(2)在钻孔内下放长度15m直径146mm套管，套管外露200mm，端部与法兰盘(DN150)连接。

(3)向钻孔内注水水泥单液浆(水灰比0.7∶1)，直至水泥浆从孔底返出到孔口为止。

(4)注浆完成48h后，进行套管耐压试验，试验水压为4MPa，持续试验时间控制在30min以上，若止水套管不出现松动、套管外未返水，则表明施工的一级止水套管成功。

(5)使用直径133mm钻头从17m位置继续钻进至42m位置，在钻孔钻进过程中采用扶正器，确保钻孔钻进轨迹与设计轨迹一致。

(6)在钻孔中下放长度为40m，直径为108mm套管，套管外露200mm，端部与法兰盘(DN100)连接。

(7)在套管上装入闷盖后，注水水泥单液浆(水灰比0.7∶1)，直至水泥浆从钻孔孔底返出至钻孔以外。

(8)注浆结束后48h，再次进行耐压试验，若套管无松动及管外未有返水，则表明二级套管布置合理。

(9)在对钻孔进行耐压试验成果之后，钻孔继续钻进至奥灰岩顶板边界下方10～30m；钻孔钻进过程中涌水量超过5m3/h时，应先进行钻孔注浆后再进行钻孔钻进；若钻孔涌水量突然增加，则应保证临时排水设备满足排水要求后方可退出钻杆，待采取处理措施后方可继续进行钻孔钻进。

3.2 巷道止水帷幕施工

在巷道掘进至DF21断层破碎带附近时进行帷幕注浆，注浆半径设计为11m，钻孔终孔位置确定在断层破碎带后方10m位置，具体止水帷幕钻孔布置如图3所示。为了保证止水帷幕防治水效果，并降低钻孔工程量，钻孔分序进行钻进施工，即先施工图3中1- 1～1- 5钻孔，并将该钻孔兼做探测钻孔；先进行1- 1～1- 5钻孔钻进、注浆，后再开始2- 1～2- 8钻孔钻进、注浆。

钻孔钻进中涌水量若超过5m3/h，可以提前对钻孔进行注浆，注浆钻孔注浆压力控制在4MPa以上，待注浆后48h，才可继续进行钻孔，注浆采用水泥单液浆(水灰比0.7∶1)。若钻孔注浆后钻孔涌水量仍在1m3/h以上，则对钻空进行扫孔，随后再进行注浆，如此反复进行，确保钻孔单孔涌水量在1m3/h以内。

图3 止水帷幕钻孔布置示意图

3.3 注浆防治水效果

在回风大巷掘进期间共布置施工28个注浆钻孔，其中底板注浆钻孔15个，止水帷幕钻孔13个，共注入水泥量118t。巷道通过DF21断层期间，仅顶板存在少量淋水(涌水量<0.4m3/h)，淋水水源主要为顶板裂隙含水层，通过注浆确保了回风大巷掘进过导水断层安全。

4 结论

矿井在回风大巷掘进过DF21导水断层，断层与6号煤层底板奥灰水承压含水层相联通，通过采用物探及钻探方式，在充分分析断层导水性、产状等断层参数基础上，制定巷道过断层防治水措施，主要为底板钻孔注浆封堵导水裂隙，在巷道掘进过破碎带范围内施工注浆钻孔布置止水帷幕，隔断底板奥灰水与断层间的水力联系，同时也可以对断层破碎带进行加固，提高巷道掘进安全系数。