煤矿深部巷道群穿灰岩推覆体水害超前治理技术

邢茂林

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

我国东部矿区开发深部煤炭资源面临高水压、高地应力和高水温的复杂地质环境，灾害防治措施应向源头预防和超前区域治理转变[1]。《煤矿防治水细则》要求煤矿防治水工作应当坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，巷道穿断层破碎带和含水层的超前探查治理工作是非常必要的。目前，巷道穿含水层综合采用超前探放水[2-4]和注浆改造[5-8]，过断层破碎带常采用锚网、锚索、锚杆等支护工艺以及围岩预注浆技术[9-11]。地面定向钻注浆技术在煤矿水害超前防治中应用日益成熟[12，13]，也逐步用于巷道穿深大断裂和含水层的超前治理，如郑士田[14-16]等利用地面定向孔注浆技术对巷道掘进方向的多组深大断裂带进行预注浆加固取得良好效果。

在淮南煤田和淮北煤田中南部发育有逆掩断层，底板灰岩含水层被推覆至开采煤层顶板或侧上方形成特殊地质结构[17]。深部掘进巷道群穿灰岩推覆体施工，面临高承压灰岩水和断层破碎带治理两大难题[18-20]。同时，地面勘探孔对含水层和断层带的空间位置和形态的控制精度很差，根据井下底板注浆经验高水压下井下注浆效果差，因此巷道掘进过程中在井下探查和治理含水层和断层的难度很大。

针对邹庄煤矿87采区大巷群穿F25逆掩断层推覆体面临的高承压水和破碎带治理问题，采用地面定向多分支孔预注浆治理技术，对主体巷道所经灰岩推覆体进行探查和高压注浆改造，消除巷道掘进过程中的主要水害隐患，同时对断层破碎带进行预注浆加固，保障巷道群安全掘进。

1 推覆体水文地质概况

邹庄矿87采区位于井田西部F25逆掩断层(倾角30°～60°，落差大于300m)下盘，上盘太原组1～4灰(局部1～6灰)逆冲至松散层底界或被其他断层切割，形成的灰岩推覆体覆盖在主采煤层之上或呈“对口”接触。推覆体覆盖煤层(7煤和8煤)南北长约5000m、东宽0～460m，面积1.1km2，压煤1400余万吨。

钻孔揭露推覆体太原组地层厚度13.12～84.04m，自然水位标高-2.12～1.72m，q=0.00002～0.19L/(s·m)，K=0.000032～0.717m/d，富水性弱～中等。钻孔揭露断层带宽6.96～8.73m，岩石较为破碎，充填物以泥岩为主、粉砂岩与砂岩次之，挤压揉皱现象比较明显，岩芯采取率低(约10%)，岩石完整性较差，q=0.00177～0.008L/(s·m)，K=0.0049～0.021m/d，富水性弱。

采区回风巷、轨道巷、带式输送机巷和回风联巷4条主体巷道需要穿推覆体灰岩和断层带，巷道设计标高-710～-820m，承受水压高达7.1～8.2MPa。

2 地面定向多分支孔预注浆治理

针对巷道群穿灰岩推覆体面临的水文及工程地质问题，解决思路是：采用地面定向多分支钻孔分段注浆改造，钻孔顺巷道掘进方向进入推覆体灰岩含水层，顺巷道中心线钻进，通过分段高压注浆对其进行有效改造，消除水患；穿过灰岩后，探明F25断层带并延伸至安全防隔水岩柱宽度，对断层带进行预注浆加固，改善工程地质条件。

2.1 治理范围

治理范围以满足巷道穿含水层和断层留设的防隔水岩柱宽度为原则。参考《煤矿防治水细则》，防隔水岩柱计算如图1所示，巷道穿推覆体前段防隔水岩柱宽度按式(1)计算，穿过推覆体和断层之后按式(2)计算。

图1 防隔水岩柱计算

式中，L1、L2分别为巷道穿推覆体前段和后段防隔水岩柱宽度，m；K为安全系数，一般取2～5，这里取3；M为巷道高度，取3.8m；p为实际水压，取8MPa；Kp为岩体抗拉强度，取0.4MPa；α为断层倾角，取45°；Ha为安全防隔水岩柱的宽度，m；Ts为临界突水系数，取0.1MPa/m。

根据上述公式和参数计算的L1=44m，Ha=90m，L2=127m。

巷道掘进安全隔水层厚度按式(3)计算。

式中，t为安全隔水层厚度，m；L为巷道底板宽度，巷宽5.2m，考虑两侧松动圈为1.5m，取8.2m；γ为底板隔水层的平均重度，取0.026MN/m3。

据此计算t=25m，即对各巷道注浆改造范围应不小于25m。

2.2 钻孔布置

根据区域治理的工程实践经验，区域太原组灰岩注浆扩散距离约30m，钻孔顺巷注浆能够满足工程需求。据此布置一个地面定向孔组，包括1个主孔5个分支孔，治理范围及钻孔布置如图2所示，1-1#和1-2#孔分别沿回风和轨道大巷中心布置，1-3#和1-4#分支孔分别沿带式输送机巷和回风联巷中心布置，1#和1-5#孔在主体巷道之间填补空白区。

图2 治理范围及钻孔布置

2.3 注浆方式

注浆目的：一是改造推覆体灰岩含水层形成隔水圈带；二是加固F25断层破碎带，增强巷道围岩稳定性。

注浆分三段：第一段揭露推覆体灰岩含水层，遇冲洗液漏失则进行高压注浆；第二段揭露F25断层带，无论漏失与否，均进行高压注浆；第三段至终孔全段注浆。

注浆材料选择P.O 32.5水泥。有效注浆压力为静水压力的1.5～2倍，即孔口终压不小于12MPa。注浆结束标准为达到终压，且吸浆量小于60L/min，维持30min。

2.4 探查及注浆成果

钻孔揭露推覆体各层灰岩和F25断层带的孔深见表1，根据随钻测斜数据绘制各层灰岩和断层带边界如图3所示，灰岩和断层带的实际位置和形态与预想差异明显，尤其是1灰和2灰呈现“Z”字型，而3灰和4灰则逐渐缓和且趋于稳定；F25断层面略呈锯齿状，显然逆冲构造作用下地层发生明显的弯折和揉皱。

表1 钻孔揭露推覆体各层灰岩和断层带的孔深 m

图3 实际揭露的推覆体各层灰岩和断层带边界

各孔探查得到的推覆体灰岩及断层带厚度见表2。太原组1、2灰较薄，3灰和4灰较厚，3灰平均9.3m，4灰平均24.5m。1#孔揭露3灰时漏失大于65m3/h，揭露4灰漏失5m3/h，1#孔注浆后其余钻孔未漏失。太原组3、4灰是推覆体主要含水层，稳定水位标高-16.2～-2.7m。断层带宽7～18m，平均12.7m，充填物大致以泥岩、砂岩为主，偶见煤屑，局部含灰岩50%～70%，未漏失。

表2 推覆体灰岩及断层带厚度 m

灰岩和断层带不同压力段注浆量如图4所示。各孔灰岩段注浆量49～120t，平均111t，断层带44～140t，平均71.8t，灰岩注浆量大于断层带。将4～8MPa划分为低压阶段，8～12MPa划分为高压阶段，灰岩高压阶段注浆量平均占比约46%；断层带主要在高压阶段可注，高压阶段注浆量平均占比68%。考虑到二者厚度不同，计算各层的单位注浆量如图5所示，可知断层带单位注浆量0.35～0.94t/m，大于灰岩的0.19～0.59t/m，说明断层带在高压阶段可注性比灰岩好，以高压劈裂注浆为主。

图4 推覆体灰岩和断层带分压力段注浆量

图5 推覆体灰岩和断层带单位注浆量

3 效果验证

3.1 效果检验方法

通过地面井下联合验证的方式进行效果检验。地面通过对比注浆前后地层透水率检验注浆效果，井下通过探放水钻孔的出水量和巷道掘进过程中揭露的围岩固结情况进行检验。

井下探放水孔布置如图6所示，井下探放水钻孔按巷中、顶板、底板、左帮、右帮方向各1孔，终孔穿过F25断层下盘30m，终孔点距巷道法距不小于25m的原则设计。

图6 井下探放水孔布置

3.2 治理效果分析

地面定向钻孔注浆前后透水率变化如图7所示，随着注浆的进行，后续钻孔注前透水率有明显的降低趋势，各孔注后透水率小于0.02Lu，较注前平均下降85%以上，表明灰岩含水层和断层得到充分改造。

图7 注浆前后透水率变化

井下探放水孔布置如图8所示。轨道大巷施工3轮验证孔，最大单孔水量1.3m3/h，实测灰岩水压7.0MPa；带式输送机巷施工1轮验证孔，最大单孔出水量2m3/h，实测水压7.0MPa；回风大巷施工2轮验证孔，最大单孔涌水量2m3/h。同时，探放水孔对四个物探异常区进行了验证。

图8 井下探放水孔布置

治理区内外探放水孔涌水量对比如图9所示，井下灰岩验证孔单孔涌水量均小于2m3/h，钻孔出水率16%，注浆改造范围外施工的放水孔表现出较高的出水概率(约64%)和较大的出水量(最大单孔涌水量31.9m3/h)，根据钻孔出水位置与地面定向孔空间关系判断，注浆改造有效半径30～35.5m。

图9 治理区内外探放水孔涌水量对比

井下断层带验证孔均未出水，无明显卡钻、埋钻现象。大巷过断层期间综掘截割顺利，大巷穿断层破碎带后巷道成型良好，未发生片帮、冒顶现象，采用锚喷支护可顺利穿过F25断层破碎带。

4 结 论

1)利用地面定向孔顺巷钻进探查，可以实现巷道掘进方向灰岩含水层和断层破碎带的空间位置和形态的精确刻画。高压注浆在灰岩含水层中有效改造半径大于30m，改造后的含水层渗透性、钻孔出水率和单孔涌水量显著降低，改造后的破碎带强度和完整性得到明显改善。

2)水害和破碎围岩是掘进巷道面临的主要水文和工程地质问题，地面定向孔顺巷钻进分段注浆是解决这些问题的有效手段，通过高压注浆在巷道周围形成隔水圈带，固结断层破碎带岩体，保障巷道安全快速掘进。

3)地面定向多分支孔注浆技术具有施工条件好、探查精准和有效注浆压力高的优势，实现了掘进巷道围岩和水害问题由井下治理到地面治理、边掘边治到掘前治理、逐段治理到区域治理的理念转变，可广泛应用在巷道穿深大断裂或高承压含水层的超前治理。