预注浆技术在掘进巷道穿过GF2断层中的应用

左修波（山东鑫国煤电有限责任公司,山东　肥城　271600）

预注浆技术在掘进巷道穿过GF2断层中的应用

左修波
（山东鑫国煤电有限责任公司,山东肥城271600）

摘要：山东鑫国煤电有限责任公司GF2断层最大落差7m，存在着导通下伏本溪组徐家庄灰岩岩溶水的威胁，同时，断层带的破碎岩体也将对巷道掘进和支护带来困难。该矿先后施工3个徐灰注浆孔通过地面预注浆的方式对GF2断层上下两盘进行加固，共注入水泥浆62.183t,破碎岩体也得到了有效加固，巷道掘进顺利通过了GF2断层。

关键词：导水断层;注浆钻孔;地面注浆

巷道穿过断层时发生重大突水和冒顶事故的案例常有发生。因此，在穿过断层前必须查清断层的导水性及岩体完好程度，并实施相应的岩体加固措施，确保施工安全。

1　矿井及GF2断层概况

山东鑫国煤电有限责任公司位于肥城市新城以西25km，处于山东省肥城市湖屯镇行政区内，在肥城煤田的西南部。地面标高为+65.40～+81.42m，井田走向长6.0km，倾斜宽0.5～1.8km，面积约8.6km²；开采深度+16～-360m。

GF2断层位于矿井-210水平9200采区南部,走向189°～200°，倾向279°～290°，断层最大落差7m，倾角50°～70°。由于施工9201里运中和9201里风道时，需先穿过该断层。如果断层导水性强，则在巷道过越断层时，下伏于煤层以下的本溪组徐家庄灰岩（简称徐灰）可能沿断层涌入工作面，影响矿井安全。此外，断层带岩体比较破碎，对巷道掘进、支护带来不利影响，影响掘进速度和施工安全。

2　含水层特征

-210水平9200采区主要含水层有：太原群第四层灰岩（第四层灰岩简称四灰）、九层煤顶板泥灰岩、本溪组徐家庄灰岩（简称徐灰）、奥陶系石灰岩（简称奥灰）。（1）泥灰岩厚0～2.3m，平均1.15m，其裂隙发育，局部富水性强。（2）徐灰为井田内主要含水层之一，厚6.22～9.44m，平均7.48m，上距9煤平均23.2m，下距奥灰平均6.37m，中间夹六灰（即草埠沟灰岩）0～2.2m。徐灰质纯致密，浅部岩溶裂隙发育，富水性较强。根据本采区钻孔资料，采区区域徐灰水位为-113.0m,徐灰突水系数为0.06-0.068Mpа/m。（3）奥灰厚800 m左右，在煤田西北东南部山区大面积出露，浅部岩溶裂隙发育，富水性强，连通性好，直接接受大气降水补给，动水量达2.8万m3/h。奥灰井田范围内断裂构造发育,上距徐灰6.93～8.72m,平均7.83m，上距9煤41.04～43.46m,平均42.25m。徐灰与奥灰间岩层以砂质粘土岩铝土岩为主,厚2.96m～10.8m,平均6.37m,具良好的隔水性能。因此重点对GF2断层徐灰上下两盘重点加固。

3　设计钻孔参数

（1）方案确定。本次钻探采用SGZ-IB150型钻机进行施工，钻孔按浆液扩散半径10～30m呈扇形布置,分别在9202里风道、里运中巷道与GF2断层交叉处底板设计两个钻孔，在9202里风道和里运中两巷道正中设计一个钻孔（详见图1），钻孔开孔孔口间距不小于0.5m,终孔层位:徐灰底板粘土岩，钻孔设计深度65～75m。设计钻场位于9202里运中开门口前7m右帮正中施工一钻场，钻场规格：长6m,宽2.8m,高2m。施工现场具备自然泄水条件，沿途水沟及时清挖，确保泄水路线畅通。（2）钻孔布置及附图。钻孔平面位置及预想剖面见附图，参数如表1。孔口坐标:X=4010067，Y=20460939，Z=-234m。开孔层位:9煤底板；终孔层位:徐灰底板粘土岩。预计水压：1.21Mpа。钻孔平面布置示意图1，图2。

表1

图1（上）图2（下）

4　安全技术措施

（1）一级套管Φ108mm为护孔管下7m，二级套管Φ89mm尽量接近五灰含水层，要求下过10Ⅱ煤以下垂深10m，以钻孔控制下入套管的长度，注1、注2、注3均为10Ⅱ煤以下19m。（2）钻孔下入套管用水泥、玻璃水双液浆进行封固，水泥标号不低于425#，水泥浆比重1.6—1.8,套管下置越浅要比重越大；玻璃水用量以每100kg水泥加入10kg为宜。（3）套管封固后要作耐压实验，压力值：一级管4.0Mpа，二级管6.0Mpа持续时间均不小于30分钟。试压期间，套管无松动、退出，孔口及周围煤（岩）壁无漏水等异常现象视为合格，否则重封。套管试压合格后，在二级管孔口管上安设相应尺寸的高压闸阀后方可钻进。（4）认真做好现场记录。钻孔初见五灰含水层的水量、水压及终孔时的水量、水压要准确测定。（5）施工人员要根据岩芯资料准确判层，作好记录。

5　钻探施工情况

（1）注1孔：0～4.2m粉砂岩，4.2～5.5m煤，5.5～6.8m粉砂岩, 6.8～11.2m煤,11.2～40.6m粉砂岩，40.6～66.8m灰岩，66.8～68.1m粘土岩，终孔。孔深42.4m时，水量3m3/h，水压0.94Mpа；终孔水量23m3/h，水压1.18Mpа。（2）注2孔：0～4.4m粉砂岩，4.4～5.7m煤，5.7～7.5m粉砂岩,7.5～11.7m煤,11.7～43.4m粉砂岩，43.4～67.7m灰岩，67.7～72.1m粘土岩，终孔。孔深44.7m时，水量7m3/h，水压0.98Mpа；终孔水量35m3/h，水压1.21Mpа。（3）注3孔：0～4.6m粉砂岩，4.6～6.1m煤，6.1～7.8m粉砂岩,7.8～13.3m煤,13.3～45.2m粉砂岩，45.2～68.8m灰岩，68.8～73.2m粘土岩，终孔。孔深46.7m时，水量5m3/h，水压0.96Mpа；终孔水量27m3/h，水压1.19Mpа。

6　钻探资料分析

（1）水文情况分析。1）根据3个徐灰孔资料，终孔水量23～35m3/h，水压1.18～1.21Mpа，说明该区域五灰富水性较强。2）根据注2孔施工最大五灰水压1.21Mpа计算安全隔水层厚度：

式中：t-----安全隔水层厚度(m)；

L-----巷道底板宽度(m)取4；

r-------底板隔水层的平均重度(MN/m3)取0.025；

Kp-----底板隔水层的平均抗拉强度(Mpа)取0.1；

p-----底板隔水层承受的水头压力(Mpа)1.21。

经计算9煤掘进时安全隔水层厚度为8.9m小于实际最小隔水层厚度23.2m，正常情况下，该巷道掘进不受五灰水威胁，但在矿压及水压共同作用下，有可能导致断层出水。为了确保井下施工安全，提高巷道掘进速度，防止GF2断层导水，决定采用地面预注浆的措施来加固断层带。即通过已施工的3个钻孔，在地面对断层上下两盘进行注浆加固。

注1～注3孔注浆情况统计表

7　地面注浆

（1）注浆材料。粘土水泥浆；（2）技术要求。1）粘土浆比重控制在1.12～1.14，每立方粘土浆中水泥渗入量为0.1～0.4t。粘土水泥浆比重要控制在1.20～1.25之间，但要按先稀后浓的原则，分档控制，根据进浆情况及时调整浆液比重。2）单孔注浆结束标准：徐灰：当泵量102L/min以下时，注浆孔孔口压力达到5.5～6.0Mpа时即可结束。3）注浆前先打开钻孔阀门放水，冲出孔内岩粉，畅通裂隙，时间60分钟，然后接注浆管路作压水试验。其目的：检查注浆管路是否畅通；钻孔或岩溶裂隙是否堵塞及堵塞程度。4）按设计要求，严格浆液配比。5）观测与记录：注浆过程中的泵压、泵量、孔口压力、浆液浓度等要进行定时的观测、记录。

8　结语

通过对在地面通过3孔对GF2断层上下两盘注浆加固，消除了底板承压水的水患威胁，防止了水害事故的发生，确保了后期巷道掘进的施工安全。

作者简介：左修波(1983-)，男,山东惠民人,本科，助理工程师。