伊田煤业副斜井注浆堵水技术研究与应用

王 刚

（山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 临汾 041207）

1 工程概况

伊田煤业副斜井（材料斜井）为永久巷道，坡度-25°，其开口上方为高度约50 m 的山丘，山丘表面植被覆盖，且有输电线路铁塔。该副斜井主要用于日常生产材料、设备运输及通风任务，副斜井设计全长413 m，靠近地表段穿过含水中粗砂岩岩层，该永久巷道在前期使用过程中，由于喷浆层致密未出现巷道淋水现象。随着永久巷道副斜井使用时间的增加，巷道表面喷浆层出现开裂现象，并且在围岩应力作用下原有喷浆层的完整性会持续受到破坏，顶板岩层内的节理裂隙也将进一步发育扩展，导致顶板锚索钻孔或横梁安装锚杆位置与裂隙贯通形成导水通道，在井筒表面混凝土喷层质量较差的位置出现淋水、渗水现象。冬季副斜井巷道顶板淋水、渗水所产生的结冰现象，存在安全隐患。为保障巷道正常的行人及通车运料等生产工作，需要对巷道进行注浆堵水加固处理。现场调研收集的典型的井筒淋水或渗水情况如图1 所示。

2 注浆原理及注浆材料的选取

2.1 巷道注浆机理

1）提高巷道围岩结构面强度和刚度的作用。围岩中的裂隙被注浆材料充填，使裂隙的内聚力和摩擦因数提高，改善其物理力学性能，进而提高围岩的整体强度和刚度，减小围岩沿弱结构面产生破坏的几率，从而提高围岩的整体强度，改善围岩的物理力学性能和提高自身承受载荷能力[1]。

图1 副斜井顶底板淋水或渗水现象典型图

2）浆液固结体的网络骨架作用。浆液固结体具有良好的韧性和粘结性，能够充填围岩裂隙，形成骨架作用，提高巷道围岩的残余强度，减少围岩破坏。

3）充填压密及转变围岩破坏机制的作用。在浆液注入的过程中，会填充巷道围岩浅部裂隙，由于压力的作用，会贯通岩石内部的小裂隙和封闭裂隙，减少岩石内部的缝隙，削弱了岩石内部的应力集中，使巷道围岩成为一体，提高了围岩抵抗破坏的强度，有利于巷道围岩稳定。

4）注浆固化减小巷道围岩松动圈作用[2]。减小了巷道围岩松动圈的范围，从而减少巷道围岩的位移量，降低了作用在支护物上的载荷。

5）防风化和堵水作用，注入浆液后填补围岩缝隙，堵住水流通道，减小水流对围岩的侵蚀作用，同时削弱风流对巷道表面的风化作用，对巷道的稳定有重要作用。

6）注浆改善锚杆受力状态，当围岩较为松散、破碎，尤其在富水岩层中，围岩易遇水膨胀软化，使锚杆和围岩间的粘结性变差，易产生锚固体界面滑脱失稳[3]，导致锚固强度降低。注入浆液后，由于浆液能够充填密实裂隙，还具有堵水作用，使得锚杆作用机制充分发挥，降低水对锚杆锚固的影响，提高锚杆的粘结强度，对巷道围岩稳定有重要作用。

2.2 材料选取

2.2.1 堆喷材料

本次堆喷作业所使用的材料主要为普通喷浆材料内掺JCT-1 喷射混凝土外加剂，JCT-1 喷射混凝土外加剂是一种集促凝、早强、减水为一体的多效多功能型外加剂，呈灰白色粉末状，无毒无味，不燃，容重为200～300 kg/m3，密度为2.1～2.3 g/cm3，粒径为0.3～0.5μm，在使用过程中对人体无不良影响。使用JCT-1 喷射混凝土外加剂可降低水泥的标号和掺量，可广泛使用于矿山巷道、密闭墙等地下工程的支护衬砌，可一次成型成巷。

2.2.2 注浆材料

本次注浆所用的材料为自行配比而成的复合材料，主要由水、425 号普通硅酸盐水泥、JCT-2 注浆外加剂以及JCT-3 固化剂组成。JCT-2 注浆外加剂是一种超细粉磨的无机灰白色粉状材料，该外加剂加入水泥浆液中后，由于布朗运动活泼，能够改变水泥颗粒表面的电位、电荷，增大颗粒的湿润角，使其充分水化，形成小颗粒或无颗粒溶液。综合上述材料特征本次注浆材料具有经济便宜、粘度高，凝固时间短等优点；JCT-3 固化剂是采用无机、有机材料合成而研制开发的高效环保型无氯、无碱液体固化剂，能够显著的促进水泥水化与混凝土强度提高。

2.2.3 封孔材料

封孔是注浆能否顺利进行和保证注浆堵水效果的关键，必须保证注浆钻孔的孔口封孔牢固，防止浆液从注浆孔口流出。考虑副斜井注浆堵水实际施工方便和经济成本等原因，本次注浆堵水钻孔使用的封孔材料为麻绳和树脂药卷锚固剂，封孔方法为用麻绳蘸取搅拌均匀的树脂锚固剂并紧紧缠绕在注浆花管上（缠绕长度为0.5 m 左右），然后用力塞入注浆钻孔内，树脂锚固剂凝固实现封孔目的。

3 注浆加固堵水方案设计

3.1 注浆方案设计

（1）注浆孔布置：注浆孔的布置主要考虑注浆孔的深度、间距、排距和堵水效果等[4]。目的主要是封堵副斜井含水层导水通道和巷道浅部围岩的导水裂隙，防止渗流水对巷道围岩、支护结构的冲蚀以及消除冬季淋水结冰安全隐患，副斜井第一阶段顶孔淋水点的注浆钻孔垂直布置在淋水点锚索周围约1 m范围，围绕顶板锚索间隔120°环向布置3 个钻孔，第一阶段、第二阶段注浆钻孔布置方式见图2、图3。

图2 第一阶段注浆孔布置示意图

图3 第二阶段注浆孔布置示意图

在现场施工时，注浆堵水加固范围、注浆深度、间排距等参数设置可根据现场实际条件或探放水结果进行调整；堵水钻孔施工数量和位置可根据井筒围岩的渗水量大小、锚杆、锚索、起吊横梁位置适当调整，但必须保证注浆加固堵水效果。

若上述注浆堵水方案实施后，井筒表面仍存在渗水或淋水情况时，则进一步采取堆喷封堵方案。

3.2 堆喷方案设计

若副斜井注浆完毕后，井筒表面围岩淋水及渗水的问题已被解决，便不再实施堆喷作业；若注浆堵水方案实施完毕后，井筒围岩表面仍存在着淋水或渗水情况时，可根据现场实际情况进一步采取堆喷方案[5]。

在进行井筒表面堆喷作业前，首先把井筒顶表面需要堆喷区域原有的混凝土喷层剥离，然后打短锚杆挂设10 号金属网。当金属网固定后，进行堆喷混凝土作业，堆喷层设计厚度为100 mm，但必须确保堆喷后井筒轮廓与原有轮廓一致。

3.3 注浆堵水效果评估

注浆的目的在于加固围岩和堵水，动水条件下的裂隙网络注浆试验主要研究注浆的堵水效果。堵水率（简称SE）：其表达式为：

式中：SE为堵水率；Q0为初始动水流量；Qg为注浆结束后稳定后的动水流量；

根据堵水率的计算值将注浆效果评估划分为6个等级[6]，见表1。

表1 堵水效果评估等级划分

3.4 施工技术要求及安全技术措施

3.4.1 施工技术要求

注浆前仔细检查注浆泵、管路及系统其他阀门是否处于接通状态。接通注浆系统后，先用清水进行试注，然后将吸浆管插入配制好的浆液桶中开泵注浆。在注浆过程中要密切观察注浆泵压力的变化情况，调整注浆速度，并记录注浆时间、注浆量和注浆压力等参数。同时安排专人观察注浆范围内是否有漏浆现象发生，如果有少量漏浆现象，用水泥配少量速凝剂或黄泥及时封堵；如果漏浆量大，可暂停注浆，等待漏浆处浆液初凝后再注。在暂停注浆前，注浆泵要吸清水清洗管路或暂接在其他注浆孔上。

3.4.2 安全技术措施

1）堆喷或注浆施工前，必须由施工负责人首先进入施工地点，进行安全巡视，将不安全情况及时反映给施工地点的所有施工人员，并安排专人及时处理，同时检查施工地点的有害气体浓度，确认安全后，方可施工。

2）堆喷施工时将喷浆机安设在顶帮围岩稳定安全的地点，接好压风、压水管路，输料管路平直不得有急弯，接头严密，不得漏风，严禁将非抗静电的塑料管做输料管使用。

3）堆喷过程中，如发生堵管、停风停电等故障时，应立即关闭水源，防止水流入输料管；将喷头向下放置，用敲击法疏通料管。

4）注浆前，首先要对注浆管路进行检查、冲洗，确保管路畅通；注浆过程中，跟班队干要严格按照浆液配比标准，并根据现场情况及时调整浆液的比重等参数，并认真做好记录。

5）注浆过程中要有人巡视管路，当注浆管路发生故障时，要快速处理，若需较长时间，应及时将管路冲洗干净，防止管路堵塞。

6）注浆结束后，应及时将管路冲洗干净，以免沉淀堵塞管路。

4 工业性试验及效果分析

4.1 工业性试验概述

根据潞安伊田煤业副斜井注浆堵水加固设计方案，在副斜井距井口65～85 m 范围内进行注浆堵水与堆喷作业。

技术人员对副斜井65～85 m 范围内渗漏水情况进行调研分析，针对渗漏水点的注浆堵水作业；进行副斜井注浆堵水现场施工，共注浆60 个钻孔，使用JCT-2 注浆外加剂1 t，JCT-3 固化剂10 t，注浆花管60 套，配套球形阀60 个，水泥（包括损耗）约8 t。

4.2 工业性试验及现场施工

现场注浆堵水作业过程中的堵水效果与渗漏水情况进行注浆钻孔布置位置及深度进行及时调整，对顶板锚索附近的主要漏水点进行深浅孔组合注浆加固，及时对现有渗漏水点注浆堵水后导致井筒壁后水压升高，巷道围岩薄弱点处出现新的渗漏水点进行打孔、注浆达到堵水效果。现场注浆作业打设工作平台如图4 所示。

图4 副斜井注浆堵水作业所搭设工作平台

注浆施工时现场施工人员具有丰富的注浆施工经验，在伊田煤业材料库的配合下自主加工的注浆连接件能够大大的减少注浆施工中的劳动量，加快注浆速度，注浆施工的连接件为四通，该四通的第一、二端头连接2 条进浆胶管，第三端头连接泄压阀，第四端头通过胶管与注液枪连接。因此，单孔注浆只需拆装第四端头的胶管与注液枪。

4.3 现场效果分析

距副斜井井口35 m 处底板涌水点进行深挖找到水源后，进行注浆聚流，采取人为开挖沟槽方式将该处动水水源引致巷道左侧排水沟，避免水流在巷道底板表面流动；距井口50 m 处硐室底板涌水点进行深浅孔组合注浆后停止涌水；伊田煤业副斜井距井口65～85 m 范围内注浆堵水作业完成后，该范围无明显淋水、滴水、渗水现象发生，如图5 所示为副斜井距井口65 m 处右肩漏水情况及注浆堵水后的堵水效果。

图5 副斜井距井口65m 处右肩注浆堵水前后对比图

根据堵水率计算公式：

可以得到本次伊田煤业副斜井靠近地表段注浆堵水的堵水率在90 %以上，注浆堵水效果较好，达到了预期要求，顶板淋水和井筒表面原有渗水点基本消失，可以消除冬季结冰的安全隐患。

5 结 论

分析研究伊田煤业副斜井靠近地表段巷道围岩渗漏水原因，提出具体的一种注浆加固+堆喷的联合堵水方案，现场注浆堵水作业过程中的堵水效果与渗漏水情况进行注浆钻孔布置位置及深度进行及时调整，对顶板锚索附近的主要漏水点进行深浅孔组合注浆加固，及时对现有渗漏水点注浆堵水后导致井筒壁后水压升高，巷道围岩薄弱点处出现新的渗漏水点进行打孔，注浆达到堵水效果。

距副斜井井口35 m 处底板涌水点进行深挖找到水源后，进行注浆聚流，采取人为开挖沟槽的方式将该处动水水源引致巷道左侧排水沟，达到避免水流在巷道底板表面流动的目的；距井口50 m 处硐室底板涌水点进行深浅孔组合注浆后停止涌水；伊田煤业副斜井距井口65～85 m 范围内注浆堵水作业完成后，该范围内无明显淋水、滴水、渗水现象的发生，通过理论计算得到本次伊田煤业副斜井靠近地表段注浆堵水的堵水率在90 %以上，注浆堵水效果较好，达到了预期要求，顶板淋水和井筒表面原有渗水点基本消失，可以消除冬季结冰的安全隐患。