王亞楠

(山西澤州天泰坤達煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048019)

水害是制約煤礦安全生產(chǎn)的不利因素之一,礦井突水事故多發(fā)生在褶曲、斷層、陷落柱、裂隙發(fā)育帶等地質(zhì)異常區(qū)。斷層破碎帶與斷層上下兩盤間滲透性、巖性參數(shù)等存在明顯差異,破碎帶常具有導水性好、強度低等特點,是良好的導水通道[1-2]。巷道掘進穿越斷層時,常面臨涌水量增大、構(gòu)造應力顯現(xiàn)等問題,并伴隨有圍巖大變形,嚴重時導致突水、圍巖支護體系失效等情況,嚴重影響井下生產(chǎn)安全[3-5]。為確保巷道安全掘進過斷層,眾多的學者及工程技術(shù)人員對防治水技術(shù)、圍巖支護技術(shù)等進行研究,其中劉廣超[6]綜合鉆探、物探手段確定斷層產(chǎn)狀、位置等詳細參數(shù),并通過分次成孔、交替注漿方法對斷層破碎圍巖進行加固、封堵導水裂隙,綜合采用短注短掘、先注后掘方法進行掘進,為巷道安全過斷層創(chuàng)造良好條件;張自政等[7]針對斷層影響區(qū)圍巖破碎、承載能力差等特點,提出綜合工字鋼架棚+滯后注漿+錨桿二次注漿手段聯(lián)合支護圍巖,取得較好圍巖控制效果;陳和平等[8]針對紅柳煤礦2煤輔運大巷過DF6-1斷層為工程實例,針對巷道過斷層期間面臨的突水、冒頂以及潰砂等問題,提出采用帷幕注漿方式加固巷道掘進輪廓線外破碎、不穩(wěn)定巖體并封堵導水裂隙,通過短掘短支減少掘進對圍巖擾動,確保了巷道安全作業(yè)。上述研究成果為巷道掘進過導水斷層提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。注漿是現(xiàn)階段防治水工作常用的技術(shù)措施,注漿漿液在破碎巖體中擴散不僅可起到加固巖體目的,而且可封堵已有以及潛在導水裂隙,降低甚至避免巷道掘進空間出現(xiàn)涌水。文中就以山西某礦3502運輸巷掘進過DF113斷層為工程實例,綜合采用物探、鉆探技術(shù)手段確定斷層性質(zhì)及導水性,通過深孔帷幕注漿手段加固破碎圍巖并封堵導水裂隙,后采用局部小導管注漿+錨網(wǎng)索梁支護方式實現(xiàn)圍巖變形有效控制。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

3502運輸巷設(shè)計沿著5號煤層底板掘進,煤層埋深為620～680 m,厚度5.8 m、賦存較為穩(wěn)定,巷道設(shè)計掘進長度為1 360 m,采用綜掘方式掘進。5號煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、細粒砂巖、粉砂巖以及粗粒砂巖為主,具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖

3502運輸巷原設(shè)計采用錨網(wǎng)索支護方式,表面噴射混凝土,在地質(zhì)條件正常區(qū)域內(nèi)掘進時巷道圍巖始終保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)圍巖變形量大或者噴射用混凝土開裂等問題。在巷道掘進至距DF113斷層50 m時,超前施工的地質(zhì)探測鉆孔涌水量超過1.0 m3/h,同時圍巖裂隙發(fā)育,為此在原有錨網(wǎng)索支護基礎(chǔ)上按照800 mm棚距布置U型鋼鋼架棚。在3502運輸巷掘進前方存在有DF113斷層,預計該斷層附近發(fā)育有多個次生小斷層。盡管3502運輸巷與DF113斷層間有10 m間距,但是巷道靠近斷層時圍巖裂隙發(fā)育,在構(gòu)造應力、淋水等綜合影響下導致圍巖變形量增加,U型鋼被壓彎。

1.2 斷層參數(shù)

綜合鉆探以及物探技術(shù)手段對DF113斷層進行超前探測,發(fā)現(xiàn)DF113斷層落差在15～28 m、斷距5.0～6.1 m、傾角50～63°.在3502運輸巷底板布置探放水鉆孔進行放水試驗,具體探放水結(jié)果如圖2所示。探放水鉆孔出水量穩(wěn)定在1.0 m3/h,表明涌水點水源補給較為穩(wěn)定;同時探測出水位標高與5號煤層底板奧灰水水位標高相似,因此判定DF113斷層主要補給水源為底板奧灰水含水層。

圖2 探水鉆孔涌水量曲線

2 巷道過導水斷層帷幕注漿方案

3502運輸巷底板與底板奧灰水頂間隔為40 m、承受奧灰水水壓為0.69 MPa,底板隔水層厚度較大且承受水壓較小。結(jié)合3502運輸巷前方DF113斷層導水情況以及斷層賦存參數(shù),為降低斷層導水對巷道掘進影響并為巷道安全掘進過斷層破碎帶創(chuàng)造良好條件,提出在3502運輸巷內(nèi)布置注漿鉆孔對DF113斷層進行深孔帷幕注漿。通過深孔帷幕注漿后可實現(xiàn)3502運輸巷掘進輪廓線外一定范圍內(nèi)煤巖體加固并封堵裂隙,避免掘進期間出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)或者大量涌水問題,確保3502運輸巷安全掘進,并減少防治水投入。

2.1 帷幕注漿范圍確定

3502運輸巷過DF113斷層時帷幕注漿范圍綜合斯列夫公式(1)以及巷道圍巖塑性區(qū)公式(2)確定[9-11]。

(1)

式中:t為安全隔水層厚度,取5.64 m;L為巷道寬度,取5.0 m;r為隔水層容重,取2.7 kN/m3;Kp為隔水層抗拉強度,取1.54 MPa;P為底板水頭壓力,取1.3 MPa.將上述參數(shù)帶入到公式(1)中求得t=5.64 m.

(2)

式中:R1為圍巖塑性區(qū)范圍,取2.69 m;R0為巷道半徑,取2.5 m;σ0為原巖應力,取16 MPa;φ為內(nèi)摩擦角,取35°;C為粘聚力,取6 MPa;Pi為支護阻力,本次計算不考慮,取Pi=0.將上述參數(shù)帶入到公式(2)中求得R1=2.69 m.

經(jīng)過計算求得t+R0=8.14 m、R1+R0=6.19 m,取上述最大值作為帷幕注漿半徑8.14 m,從安全方面決定現(xiàn)場帷幕注漿半徑為8.5 m.

2.2 帷幕注漿鉆孔布置

斷層導水、破碎帶以及強度低等均會影響巷道掘進過斷層安全。在巷道與DF113斷層間距10 m時,在距離3502運輸巷掘進迎頭15 m、20 m位置,分別在兩幫布置鉆場,沿著巷道周邊均勻布置8個注漿孔深均為90 m注漿鉆孔并進行深孔注漿,確保3502運輸巷掘進前方DF113斷層內(nèi)存在10 m以上的帷幕注漿封堵圈,具體注漿鉆孔布置以及注漿加固范圍如圖3所示。

圖3 帷幕注漿鉆孔布置示意(單位:mm)

使用D42 mm鉆桿+D127 mm鉆頭鉆進2 m,在孔內(nèi)裝入D108 mm×2 070 mm套管,一級套管外露端焊接有D108 mm法蘭盤;法蘭盤與托盤用螺栓連接并將D25 mm高壓軟管插入快速接頭內(nèi);開啟注漿泵并使得漿液充填一級套管與鉆孔孔壁,待漿液凝固后即實現(xiàn)一級套管固定;用D42 mm鉆桿+D89 mm鉆頭鉆進掃孔,待鉆進到2.5 m后進行耐壓試驗;向孔內(nèi)壓水,水壓為4 MPa,穩(wěn)定30 min,以便對檢驗以及套管牢固程度。隨后采用D42 mm鉆桿+D89 mm鉆頭從一級套管處鉆進至孔底,孔深80 m.

注漿過程中首先用水泥-水玻璃雙液將實現(xiàn)斷層破碎帶及附近巖體導水裂隙快速封堵,隨后用封堵納米材料提高斷層破碎帶及影響范圍內(nèi)煤巖體穩(wěn)定性及承載能力。為確保鉆孔注漿漿液有效擴散半徑達到4 m以上,注漿壓力控制在8～10 MPa.

3 圍巖支護方案

3.1 超前小導管

由于深孔帷幕注漿無法實現(xiàn)3502運輸巷掘進影響范圍內(nèi)圍巖加固,可能導致巷道掘進過斷層時部分未加固巖體變形量大,影響后續(xù)掘進安全。因此,在3502運輸巷掘進距斷層破碎帶前500～1 000 mm時,通過超前小導管向巷道周邊淺部破碎巖體進行局部注漿加固。采用的超前小導管規(guī)格為D38 mm×3 500 mm無縫鋼管,布置間距均為300 mm,排距為2 000 mm,主要布置在巷道拱頂為主,有10°外插角。超前小導管選用的注漿漿液為封堵納米材料,注漿壓力控制在1～3 MPa.

3.2 聯(lián)合支護

在3502運輸巷過DF113斷層期間,圍巖若出現(xiàn)大變形勢必會產(chǎn)生新的裂隙,影響帷幕注漿以及超前小導管漏水裂隙封堵以及圍巖加固效果。為此,在3502運輸巷過DF113斷層時,在原有錨網(wǎng)索支護基礎(chǔ)上增加鋼帶、錨索梁結(jié)構(gòu)提高圍巖控制效果,通過錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護體系實現(xiàn)斷層破碎帶圍巖變形有效控制。具體巷道支護斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面

支護用螺紋鋼錨桿規(guī)格為D20 mm×2 400 mm,按照800 mm×800 mm間排距布置,錨桿端頭錨固力控制在120 kN以上,預先施加30 kN以上預緊力;與巷道走向方向平行布置長度3 300 mm、眼距800 mm的T型鋼帶。支護用錨索規(guī)格為D21.8 mm×6 300 mm高強預緊力鋼絞線,預先施加60～70 kN預緊力。在頂板T型鋼帶間增設(shè)長度2 800 mm、眼距1 000 mm的錨索梁,錨索梁按照1 600 mm間距布置。巷道全斷面鋪設(shè)長×寬=2 600 mm×1 100 mm的金屬網(wǎng)。

4 現(xiàn)場應用效果

在3502運輸巷掘進過DF113斷層前通過深孔帷幕注漿技術(shù)+小導管注漿技術(shù)可在巷道掘進影響范圍之外形成止水帷幕、圍巖加固圈,從而避免巷道掘進過斷層期間出現(xiàn)突水、淋水量大以及圍巖失穩(wěn)等問題?，F(xiàn)場共計注入水泥-水玻璃雙液漿約130 t、納米封堵材料約89 t.現(xiàn)場應用后,3502運輸巷過斷層期間未出現(xiàn)圍巖淋水情況,為巷道安全掘進創(chuàng)造良好條件。

同時巷道圍巖采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護工藝后,巷道圍巖變形量較小,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頂?shù)装?、巷幫最大變形量分別控制在32 mm、15 mm以內(nèi),圍巖變形得到較好控制,可滿足后續(xù)巷道使用需要。

5 結(jié) 語

1) 3502運輸巷掘進期間揭露的DF113斷層與底板承壓含水層(奧灰水)間存在一定的水力聯(lián)系,斷層具有一定的導水性且斷層破碎帶及影響范圍內(nèi)煤巖體破碎,巷道掘進過斷層期間面臨較大的涌水、圍巖變形破壞等問題。為確保巷道安全掘進,提出通過深孔帷幕注漿技術(shù)在巷道掘進輪廓線外形成止水帷幕,起到降低甚至杜絕期間巷道的圍巖涌水、加固破碎圍巖目的;在巷道掘進斷面布置超前小導管,向巷道周邊淺部破碎巖體進行局部注漿加固。通過深孔帷幕注漿以及超前小導管可實現(xiàn)斷層破碎帶及影響區(qū)內(nèi)圍巖加固以及導水裂隙封堵,為3502運輸巷安全掘進創(chuàng)造良好條件。

2) 為降低3502運輸巷過DF113斷層期間圍巖變形量,避免圍巖變形產(chǎn)生新的導水裂隙,提出在運輸巷采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護體系,通過布置高預應力錨桿、錨索提高圍巖自身承載能力,同時通過T型鋼帶、錨索梁以及金屬網(wǎng)提高圍巖護表能力。

3) 現(xiàn)場應用后, 3502運輸巷過DF113斷層期間圍巖基本不淋水,同時監(jiān)測得到巷道頂?shù)装濉⑾飵妥畲笞冃瘟糠謩e為32 mm、15 mm,圍巖變形較小,表明現(xiàn)場采用的深孔帷幕注漿技術(shù)以及圍巖支護技術(shù)取得較好成果。