邢茂林

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

我國東部礦區(qū)開發(fā)深部煤炭資源面臨高水壓、高地應(yīng)力和高水溫的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，災(zāi)害防治措施應(yīng)向源頭預(yù)防和超前區(qū)域治理轉(zhuǎn)變[1]?！睹旱V防治水細(xì)則》要求煤礦防治水工作應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，巷道穿斷層破碎帶和含水層的超前探查治理工作是非常必要的。目前，巷道穿含水層綜合采用超前探放水[2-4]和注漿改造[5-8]，過斷層破碎帶常采用錨網(wǎng)、錨索、錨桿等支護(hù)工藝以及圍巖預(yù)注漿技術(shù)[9-11]。地面定向鉆注漿技術(shù)在煤礦水害超前防治中應(yīng)用日益成熟[12，13]，也逐步用于巷道穿深大斷裂和含水層的超前治理，如鄭士田[14-16]等利用地面定向孔注漿技術(shù)對巷道掘進(jìn)方向的多組深大斷裂帶進(jìn)行預(yù)注漿加固取得良好效果。

在淮南煤田和淮北煤田中南部發(fā)育有逆掩斷層，底板灰?guī)r含水層被推覆至開采煤層頂板或側(cè)上方形成特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)[17]。深部掘進(jìn)巷道群穿灰?guī)r推覆體施工，面臨高承壓灰?guī)r水和斷層破碎帶治理兩大難題[18-20]。同時(shí)，地面勘探孔對含水層和斷層帶的空間位置和形態(tài)的控制精度很差，根據(jù)井下底板注漿經(jīng)驗(yàn)高水壓下井下注漿效果差，因此巷道掘進(jìn)過程中在井下探查和治理含水層和斷層的難度很大。

針對鄒莊煤礦87采區(qū)大巷群穿F25逆掩斷層推覆體面臨的高承壓水和破碎帶治理問題，采用地面定向多分支孔預(yù)注漿治理技術(shù)，對主體巷道所經(jīng)灰?guī)r推覆體進(jìn)行探查和高壓注漿改造，消除巷道掘進(jìn)過程中的主要水害隱患，同時(shí)對斷層破碎帶進(jìn)行預(yù)注漿加固，保障巷道群安全掘進(jìn)。

1 推覆體水文地質(zhì)概況

鄒莊礦87采區(qū)位于井田西部F25逆掩斷層(傾角30°～60°，落差大于300m)下盤，上盤太原組1～4灰(局部1～6灰)逆沖至松散層底界或被其他斷層切割，形成的灰?guī)r推覆體覆蓋在主采煤層之上或呈“對口”接觸。推覆體覆蓋煤層(7煤和8煤)南北長約5000m、東寬0～460m，面積1.1km2，壓煤1400余萬噸。

鉆孔揭露推覆體太原組地層厚度13.12～84.04m，自然水位標(biāo)高-2.12～1.72m，q=0.00002～0.19L/(s·m)，K=0.000032～0.717m/d，富水性弱～中等。鉆孔揭露斷層帶寬6.96～8.73m，巖石較為破碎，充填物以泥巖為主、粉砂巖與砂巖次之，擠壓揉皺現(xiàn)象比較明顯，巖芯采取率低(約10%)，巖石完整性較差，q=0.00177～0.008L/(s·m)，K=0.0049～0.021m/d，富水性弱。

采區(qū)回風(fēng)巷、軌道巷、帶式輸送機(jī)巷和回風(fēng)聯(lián)巷4條主體巷道需要穿推覆體灰?guī)r和斷層帶，巷道設(shè)計(jì)標(biāo)高-710～-820m，承受水壓高達(dá)7.1～8.2MPa。

2 地面定向多分支孔預(yù)注漿治理

針對巷道群穿灰?guī)r推覆體面臨的水文及工程地質(zhì)問題，解決思路是：采用地面定向多分支鉆孔分段注漿改造，鉆孔順巷道掘進(jìn)方向進(jìn)入推覆體灰?guī)r含水層，順巷道中心線鉆進(jìn)，通過分段高壓注漿對其進(jìn)行有效改造，消除水患；穿過灰?guī)r后，探明F25斷層帶并延伸至安全防隔水巖柱寬度，對斷層帶進(jìn)行預(yù)注漿加固，改善工程地質(zhì)條件。

2.1 治理范圍

治理范圍以滿足巷道穿含水層和斷層留設(shè)的防隔水巖柱寬度為原則。參考《煤礦防治水細(xì)則》，防隔水巖柱計(jì)算如圖1所示，巷道穿推覆體前段防隔水巖柱寬度按式(1)計(jì)算，穿過推覆體和斷層之后按式(2)計(jì)算。

圖1 防隔水巖柱計(jì)算

式中，L1、L2分別為巷道穿推覆體前段和后段防隔水巖柱寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，這里取3；M為巷道高度，取3.8m；p為實(shí)際水壓，取8MPa；Kp為巖體抗拉強(qiáng)度，取0.4MPa；α為斷層傾角，取45°；Ha為安全防隔水巖柱的寬度，m；Ts為臨界突水系數(shù)，取0.1MPa/m。

根據(jù)上述公式和參數(shù)計(jì)算的L1=44m，Ha=90m，L2=127m。

巷道掘進(jìn)安全隔水層厚度按式(3)計(jì)算。

式中，t為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，巷寬5.2m，考慮兩側(cè)松動圈為1.5m，取8.2m；γ為底板隔水層的平均重度，取0.026MN/m3。

據(jù)此計(jì)算t=25m，即對各巷道注漿改造范圍應(yīng)不小于25m。

2.2 鉆孔布置

根據(jù)區(qū)域治理的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，區(qū)域太原組灰?guī)r注漿擴(kuò)散距離約30m，鉆孔順巷注漿能夠滿足工程需求。據(jù)此布置一個(gè)地面定向孔組，包括1個(gè)主孔5個(gè)分支孔，治理范圍及鉆孔布置如圖2所示，1-1#和1-2#孔分別沿回風(fēng)和軌道大巷中心布置，1-3#和1-4#分支孔分別沿帶式輸送機(jī)巷和回風(fēng)聯(lián)巷中心布置，1#和1-5#孔在主體巷道之間填補(bǔ)空白區(qū)。

圖2 治理范圍及鉆孔布置

2.3 注漿方式

注漿目的：一是改造推覆體灰?guī)r含水層形成隔水圈帶；二是加固F25斷層破碎帶，增強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性。

注漿分三段：第一段揭露推覆體灰?guī)r含水層，遇沖洗液漏失則進(jìn)行高壓注漿；第二段揭露F25斷層帶，無論漏失與否，均進(jìn)行高壓注漿；第三段至終孔全段注漿。

注漿材料選擇P.O 32.5水泥。有效注漿壓力為靜水壓力的1.5～2倍，即孔口終壓不小于12MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)到終壓，且吸漿量小于60L/min，維持30min。

2.4 探查及注漿成果

鉆孔揭露推覆體各層灰?guī)r和F25斷層帶的孔深見表1，根據(jù)隨鉆測斜數(shù)據(jù)繪制各層灰?guī)r和斷層帶邊界如圖3所示，灰?guī)r和斷層帶的實(shí)際位置和形態(tài)與預(yù)想差異明顯，尤其是1灰和2灰呈現(xiàn)“Z”字型，而3灰和4灰則逐漸緩和且趨于穩(wěn)定；F25斷層面略呈鋸齒狀，顯然逆沖構(gòu)造作用下地層發(fā)生明顯的彎折和揉皺。

表1 鉆孔揭露推覆體各層灰?guī)r和斷層帶的孔深 m

圖3 實(shí)際揭露的推覆體各層灰?guī)r和斷層帶邊界

各孔探查得到的推覆體灰?guī)r及斷層帶厚度見表2。太原組1、2灰較薄，3灰和4灰較厚，3灰平均9.3m，4灰平均24.5m。1#孔揭露3灰時(shí)漏失大于65m3/h，揭露4灰漏失5m3/h，1#孔注漿后其余鉆孔未漏失。太原組3、4灰是推覆體主要含水層，穩(wěn)定水位標(biāo)高-16.2～-2.7m。斷層帶寬7～18m，平均12.7m，充填物大致以泥巖、砂巖為主，偶見煤屑，局部含灰?guī)r50%～70%，未漏失。

表2 推覆體灰?guī)r及斷層帶厚度 m

灰?guī)r和斷層帶不同壓力段注漿量如圖4所示。各孔灰?guī)r段注漿量49～120t，平均111t，斷層帶44～140t，平均71.8t，灰?guī)r注漿量大于斷層帶。將4～8MPa劃分為低壓階段，8～12MPa劃分為高壓階段，灰?guī)r高壓階段注漿量平均占比約46%；斷層帶主要在高壓階段可注，高壓階段注漿量平均占比68%?？紤]到二者厚度不同，計(jì)算各層的單位注漿量如圖5所示，可知斷層帶單位注漿量0.35～0.94t/m，大于灰?guī)r的0.19～0.59t/m，說明斷層帶在高壓階段可注性比灰?guī)r好，以高壓劈裂注漿為主。

圖4 推覆體灰?guī)r和斷層帶分壓力段注漿量

圖5 推覆體灰?guī)r和斷層帶單位注漿量

3 效果驗(yàn)證

3.1 效果檢驗(yàn)方法

通過地面井下聯(lián)合驗(yàn)證的方式進(jìn)行效果檢驗(yàn)。地面通過對比注漿前后地層透水率檢驗(yàn)注漿效果，井下通過探放水鉆孔的出水量和巷道掘進(jìn)過程中揭露的圍巖固結(jié)情況進(jìn)行檢驗(yàn)。

井下探放水孔布置如圖6所示，井下探放水鉆孔按巷中、頂板、底板、左幫、右?guī)头较蚋?孔，終孔穿過F25斷層下盤30m，終孔點(diǎn)距巷道法距不小于25m的原則設(shè)計(jì)。

圖6 井下探放水孔布置

3.2 治理效果分析

地面定向鉆孔注漿前后透水率變化如圖7所示，隨著注漿的進(jìn)行，后續(xù)鉆孔注前透水率有明顯的降低趨勢，各孔注后透水率小于0.02Lu，較注前平均下降85%以上，表明灰?guī)r含水層和斷層得到充分改造。

圖7 注漿前后透水率變化

井下探放水孔布置如圖8所示。軌道大巷施工3輪驗(yàn)證孔，最大單孔水量1.3m3/h，實(shí)測灰?guī)r水壓7.0MPa；帶式輸送機(jī)巷施工1輪驗(yàn)證孔，最大單孔出水量2m3/h，實(shí)測水壓7.0MPa；回風(fēng)大巷施工2輪驗(yàn)證孔，最大單孔涌水量2m3/h。同時(shí)，探放水孔對四個(gè)物探異常區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖8 井下探放水孔布置

治理區(qū)內(nèi)外探放水孔涌水量對比如圖9所示，井下灰?guī)r驗(yàn)證孔單孔涌水量均小于2m3/h，鉆孔出水率16%，注漿改造范圍外施工的放水孔表現(xiàn)出較高的出水概率(約64%)和較大的出水量(最大單孔涌水量31.9m3/h)，根據(jù)鉆孔出水位置與地面定向孔空間關(guān)系判斷，注漿改造有效半徑30～35.5m。

圖9 治理區(qū)內(nèi)外探放水孔涌水量對比

井下斷層帶驗(yàn)證孔均未出水，無明顯卡鉆、埋鉆現(xiàn)象。大巷過斷層期間綜掘截割順利，大巷穿斷層破碎帶后巷道成型良好，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，采用錨噴支護(hù)可順利穿過F25斷層破碎帶。

4 結(jié) 論

1)利用地面定向孔順巷鉆進(jìn)探查，可以實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)方向灰?guī)r含水層和斷層破碎帶的空間位置和形態(tài)的精確刻畫。高壓注漿在灰?guī)r含水層中有效改造半徑大于30m，改造后的含水層滲透性、鉆孔出水率和單孔涌水量顯著降低，改造后的破碎帶強(qiáng)度和完整性得到明顯改善。

2)水害和破碎圍巖是掘進(jìn)巷道面臨的主要水文和工程地質(zhì)問題，地面定向孔順巷鉆進(jìn)分段注漿是解決這些問題的有效手段，通過高壓注漿在巷道周圍形成隔水圈帶，固結(jié)斷層破碎帶巖體，保障巷道安全快速掘進(jìn)。

3)地面定向多分支孔注漿技術(shù)具有施工條件好、探查精準(zhǔn)和有效注漿壓力高的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)巷道圍巖和水害問題由井下治理到地面治理、邊掘邊治到掘前治理、逐段治理到區(qū)域治理的理念轉(zhuǎn)變，可廣泛應(yīng)用在巷道穿深大斷裂或高承壓含水層的超前治理。