深埋巷道穿越断层破碎带防水支护技术探讨

游红江 ，袁胜超

(1.华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021； 2.河北省矿山地下水安全技术创新中心， 河北 石家庄 050021)

1 工程概况

某铁矿矿床地处司马长复式褶皱带中，控制范围总体为走向近南北、西倾的单斜构造。早期褶皱为轴面走向北东东，南东倾开阔不对称复式褶皱构造，矿区内主要发育F1、F2、F3三条断裂，对矿体的延伸和地层的破坏具有较大影响。

该矿某回风井-900 m水平掘进至364 m处揭露一破碎带，发生400 m3/h突水事故。根据地质资料显示，该突水点临近F2断层，处于基岩裂隙中等富水区，为一小型断层破碎带。F2断层自南向北断续出现，走向近南北，倾角为65°～79°，总体呈现自南向北规模变小，倾角变缓的趋势。断裂以辉绿岩脉充填为主，其表现形式为后期充填、断续出现的辉绿岩脉群，南北两段均较完整，辉绿岩位于构造影响带范围内相对破碎。

断层破碎带具有低强度、易变性、透水性大和抗水性差的特征，巷道开挖常会引起断层活化，极易诱发巷道冒顶和突水事故[1-2]。断层的形成破坏了岩层的原始应力场，在断层附近造成应力集中，断层附近的围岩体发生剪切破坏，相比较于完整的围岩体，其强度下降约75%[3]。

工作面涌水发生后，在巷道合适位置建立7.0 m厚C25混凝土止浆墙堵水，并进行了止浆墙后空区注浆充填，便于后期治理施工。一般来说，对井下的涌水处理有“排水”、“截水”、“堵水”或以上方法相结合的解决方案，综合考虑，采用“堵水”方案施工成本相对低，且工期相对较短[4]。

2 地质概况及治理难点

在工作面（止浆墙）巷道中心布置1个孔深50 m超前地质孔，其目的是掌握巷道前进方向地质资料，为后期堵水治理、掘进施工提供指导。根据其揭露，地层主要为混合花岗岩地层，破碎带地层分布范围较大且极不均一，裂隙发育部位充填大量的高岭土、砂、碎石块等杂物，局部地层相对完整地段发育微裂隙。

根据该孔注浆情况，该工作面水压高（8.7 MPa），注浆施工难度较大；破碎带地层中含高岭土部位可注性较差，且与水泥浆液固结性差；局部地层存在微裂隙，造成多次重复注浆、扫孔，严重影响注浆质量和施工进度。

该工作面采用注浆加固治理后，虽对破碎带地层稳定性有一定改善，但该工作面破碎带部位后期掘进施工中巷道断面承受地层压力较大，需进一步考虑加固处理措施。

3 重点、难点问题的解决措施

根据超前地质孔地层、注浆反映难点情况，提前做到有针对性地预防处理，具体措施如下。

3.1 冲洗置换

大裂隙破碎带中充填高岭土、砂、碎石块等杂 物，其影响浆液的扩散搭接，且高岭土成分与水泥浆液胶结性差。为确保堵水治理效果，后期设计注浆钻孔时分两序施工，采用将相邻3个I序（或Ⅱ序）钻探至破碎带部位，孔深保持一致，将中间的I序（或Ⅱ序）钻孔孔口封闭，通过高压注水冲洗钻孔，相邻钻孔敞口，将钻孔内高岭土、泥沙等杂物通过钻孔排出，直至孔口出水变清水为止，最后将与被注水钻孔联通性较好的钻孔同时或被串钻孔封堵进行高压注浆，起到对围岩加固和堵水的效果。

3.2 微裂隙注浆处理措施

因工作面水压高且地层较复杂，破碎地段无法使用止浆塞进行分段注浆，只能采用孔口封闭全孔注浆方式，其优点是可以使用较大的注浆压力和多次重复灌注，有利于保证注浆质量。在钻孔较深部位微裂隙地层注浆，浆液流动性较慢，浆液中的水泥会在钻孔周壁逐渐沉淀、凝固，注浆压力（孔口）突升，造成注浆量较小，堵水效果差。拟采用以下措施。

（1）注浆工艺改进。钻孔揭露涌水后提出钻杆，在孔内下入少于孔深1.0 m左右的PPR管，PPR管外接头与孔口法兰盘连接。采取该措施后，钻孔已注浆区段的PPR管外围被水充填，注浆压力有效集中在待注浆部位，避免了注浆压力消散，通过高压注浆能够保证浆液有针对性地灌入待注段微裂隙中，从而保证浆液灌入率和扩散半径，减少了复注次数和重复扫孔工作量（被水充填部位无需扫孔）。PPR小导管注浆如图1所示。

图1 PPR小导管注浆示意

（2）注浆材料优化。针对微裂隙或被泥沙充 填导致浆液扩散半径受阻部位，可采用超细水泥（1000目或1250目）作为注浆材料，保证浆液扩散半径和堵水效果。

3.3 破碎地层分支孔措施

针对因其他原因造成注浆中断或渗透性较大地层而导致注浆量异常地段，可采用定向或人为钻孔造斜措施施工分支孔，以反复多次注浆，从而起到加固围岩和堵水作用。该措施虽增加钻探工作量，但能有效保证堵水效果。

3.4 注浆孔超前管棚支护

针对治理区域内存在较厚破碎带，对破碎带进行支护处理采用“超前大管棚支护”（两帮及拱顶部位），主要目的是提高巷道围岩的整体性、抗渗性和稳定性，防止塌方引起涌水，起到整体支护作用。

管棚支护要充分利用探水、注浆钻孔，减少投资成本，故布置注浆钻孔需考虑到后续管棚支护因素，不能距离巷道断面边帮太大，否则难以起到支护作用。探水、注浆钻孔距离巷道边帮距离控制在2.0 m左右较合适，既能保证浆液封堵裂隙水，同时后期掘进施工中又能起到支护作用。

探水、注浆钻孔终孔口径一般为Φ91 mm，故管棚支护材料为Φ73 mm（壁厚4.5 mm）无缝钢管，连接方式采用“焊接”或“管箍”。无缝钢管两端应搭接在破碎地层两端完整地层至少1.0 m，相邻钢管的接头应至少错开1.0 m，保证沿巷道纵向方向同一横断面内的接头数不大于50%[5]，管棚施工过程中为了防止注浆过程中发生串浆，每施工完一阶段探水、注浆钻孔即安设无缝钢管并进行注浆 封孔。

超前管棚支护结构需根据破碎带地层破碎程度确定其支护密度，若破碎带属于破碎、极破碎程度，除探水、注浆孔下放管棚支护外，仍需在其钻孔中间内插支护孔，以便加密管棚支护密度。本工作面根据超前地质孔取芯情况可知破碎带属于较破碎程度，故管棚支护利用探水、注浆钻孔进行超前管棚支护即可，后期掘进施工中再配合适当的支护、掘进形式，如采用“超前小导管支护”、“多打眼、少装药”或“机械”、“人工挖掘”等手段，减少对破碎地层扰动，防止发生坍塌、涌水事故。

4 探水和注浆钻孔布置

考虑钻探设备性能及注浆钻孔一般采用“扇形”布置，若在巷道掌子面按照此形式布置钻孔，钻孔浅部破碎带支护距离巷道掘进断面较近，后期爆破掘进震动存在一定的影响，且治理范围越长，钻孔越深，后方治理范围孔间距越大，浆液搭接不利于保证堵水效果，综合考虑上述因素影响并结 合巷道围岩完整情况，将巷道两帮及拱顶拓宽 1.50 m，钻孔布置在拓宽平面位置，以便于钻孔施工，且减少支护结构受爆破震动影响，其具体钻孔布置位置及参数见表1和图2。

表1 探水和注浆钻孔设计参数

图2 探水和注浆钻孔平面布置及终孔落点示意

5 注浆参数设计

（1）治理范围。设计50 m/循环，根据巷道地层情况一般为治理50 m，掘进40 m，预留10 m作为下一循环止浆岩冒，直至顺利穿过断层破碎带 为止。

（2）钻孔口径。开孔口径Φ130 mm，下放长度不小于6 m的孔口管，其型号为Φ108 mm地质管，采用水泥和水玻璃双液浆进行固管后并进行耐压试验，试验压力不小于注浆终压的1.2倍，终孔口径为90 mm。

（3）注浆段长控制。注浆段长控制主要依据地层破碎程度、涌水量情况、钻探设备性能等，遇到“卡钻”或“涌水量较大”无法继续钻进，需通过注浆固结地层及封堵裂隙确定注浆段。

（4）注浆形式。采用孔口封闭注浆法。

（5）注浆压力。根据地质资料情况和施工经验，注浆压力控制在不小于2.5倍的水头压力[6]，考虑到该工作面地质条件较复杂、水压高，且局部地层可注性较小，故将注浆终压控制在水头压力的3倍。

（6）浆液扩散半径。浆液扩散半径影响因素主要为围岩裂隙发育情况、注浆材料流动性、注浆压力和注浆流量[7]，通过前期该矿山地层注浆试验确定浆液扩散半径为2.5～3.0 m，考虑到本工作面地层复杂性，故本次设计浆液扩散半径为2.0 m。

（7）注浆材料及配合比。注浆材料主要采用水泥单浆液、水泥水玻璃双液浆和超细水泥单液浆，水泥选用P·O 42.5水泥，水玻璃40～42 Be，模数不小于3.0。水泥单液浆适用于较大孔隙型受注层段，单液浆水灰比主要为5:1、3:1、2:1、1:1；水泥-水玻璃混合浆适用在孔口管固定和裂隙较发育区；超细水泥单液浆主要针对微裂隙地段，单液浆水灰比主要为6:1、5:1、3:1、2:1。

（8）注浆结束标准。注浆压力均匀持续上升达到设计终压，同时满足钻孔吸浆量：单液小于10 L/min、双液小于60 L/min，稳压时间不小于10 min，即可结束本次注浆。

6 治理效果

通过采取上述有针对性的处理措施治理后，在掘进施工过程中破碎带部位最大淋散水约20 m3/h， 处于可控范围内，经有效的淋散水注浆治理后顺利穿过了破碎带，达到了预定的堵水、支护效果，节约了投资成本。

7 结论

（1）针对高水压断层破碎带地层中泥、砂与水泥浆液胶结性差和微裂隙注浆工艺改进、注浆材料选择等分别采用冲洗置换、PPR管注浆等措施，确保了注浆堵水效果。

（2）针对巷道过富水断层破碎带围岩稳定性的问题，在探水、注浆过程中充分利用了钻孔并进行超前管棚支护治理的思路，节约投资成本。

采用注浆堵水和超前大管棚技术相结合治理复杂的井巷断层破碎带是安全、高效、经济的方法，并在该矿山成功应用，能为其他矿山解决类似问题提供借鉴。