潞宁煤业掘进巷道顶板富水区域探查与注浆加固技术

韩玉春

（潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

1.1 工作面概况

潞宁煤业22117 工作面主采2#煤层，为侏罗系大同组上部煤层，煤层倾角3°～5°（平均4.5°），煤层厚度2.0～5.2 m，平均4.0 m，属稳定可采厚煤层，煤层结构简单，局部含有不连续薄层碳质泥岩夹矸。煤层顶底板岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

22117 工作面位于井田二二采区中下部，上部为二二采区22115 采空区，煤柱15.3 m，下部为二二采区22119 回采工作面，未形成回采工作面，东南为2#煤层采区三条下山，西北部为该矿二二采区三条下山。

1.2 水文地质条件

影响潞宁煤业公司22117 工作面安全生产的主要含水层为2#煤顶板的基岩孔隙裂隙水含水层和2#煤层与3#煤层之间的砂岩含水层及22115 采空区积水。其中：

（1）2#煤顶板含水层主要由大同组灰色砂岩组成，该水源主要沿2#煤层顶板的裂隙构造、个别锚杆孔和锚索孔淋入工作面。

（2）2#煤层与3#煤层之间的砂岩含水层，水头较高，流量小，属多年贮存下来的水，在有构造裂隙沟通或揭露含水层的情况下，将发生涌水现象。

（3）22115 综采工作面采空区地势为内高外低，预计该工作面不存在大量积水，但仍需加强观测。

1.3 工作面周边构造

22117 工作面区域地层整体为一南东向倾斜的单斜构造，煤层走向N48°W，倾向S138°E。根据地面三维地震、井下工作面坑透、巷道揭露等资料综合分析，22117 工作面已穿过陈半沟河区域，埋深在420～430 m，对22117 工作面回采不会产生影响。

2 探放水及注浆钻孔设计

2.1 施工目的

通过在22117 工作面回采巷道掘进前布置定向长距离钻孔，对掘进区域前方的2#煤层顶板富水异常区域进行探查，并通过定向钻孔进行预放水，随后通过钻孔预注浆对围岩进行改造加固[1-6]，保证巷道的安全高效掘进。

2.2 定向探放水钻孔

（1）钻孔设计原则

定向探放水钻孔由钻孔套管段、定向倾斜段及定向水平段组成。根据2#煤层的赋存条件及水文地质情况，定向钻孔长度一般在500 m 左右。钻孔在巷道顶板上沿平面展开，向掘进方向以一定的仰角倾斜施工，垂直高度为15 m，护壁套管的直径为127 mm。钻孔具体布置原则如下：

① 钻孔目标层位高度应超过2#煤层的顶板泥岩层及锚索的支护高度。

② 设计钻孔长度应与钻进设备的能力相匹配。

③ 当钻进深度在150 m 内遇到钻孔塌孔的情况时，先对钻孔孔壁进行注浆，加固破碎围岩体。若加固后仍无法正常钻进时，应停止施工并封孔，待巷道掘进过塌孔区域时再布置钻孔；而当在钻进深度超过150 m 时遇到塌孔的情况，应立即停止钻进，待巷道掘进过塌孔区域时再布置钻孔。

（2）钻孔参数设计

为避免定向钻孔施工影响巷道的正常掘进，需在巷道内施工专用钻场硐室，将配套设备布置在硐室内进行钻孔施工。钻场宽×深×高=6.0 m×5.0 m×4.0 m，在巷道内每隔400 m 布置一个钻场，共计布置5 个钻场。定向钻孔总工程量为4573 m，具体钻孔参数见表2。

表2 定向钻孔具体参数

2.3 富水区注浆钻孔设计

定向钻孔探查到富水异常区域后，先进行放水，然后另设钻孔采取注浆加固的方式进行堵水。注浆钻孔的具体设计如下：

（1）注浆钻孔终孔位置位于煤层上方10 m 处，浆液加固范围应覆盖巷道围岩松动圈，钻孔间距5 m，起始钻孔布置在富水异常区30 m 的范围内。

（2）钻孔长度根据实测水压确定，钻孔直径为90 mm。

（3）注浆浆液的水灰比为0.5:0.8，浆液所用水泥的强度等级高于42.5。

2.4 注浆钻孔封孔工艺

（1）为确保浆液能够均匀地充实套管及孔壁间隙，孔口管的外露长度应小于0.3 m，并间隔120°安装扶正装置。

（2）在孔口外环埋设长度大于1.5 m 的注浆管，并在注浆管管口安设逆止阀。

（3）通过注浆管将水泥浆注入环向孔口，并候凝8～10 h。

（4）待孔口候凝结束，进行二次注浆，注浆压力控制在2 MPa 以内，待填满套管与孔壁间隙后，停止注浆。

2.5 钻孔注浆工艺流程

（1）先用一级套管进行注浆，待孔口出现返浆后，停止注浆，用水泥浆及玻璃水混合材料对一级套管与钻孔的间隙进行封堵。

（2）二级套管及三级套管注浆时，先打开一级套管的截止阀，然后进行注浆，待截止阀返浆后，将其关闭，然后按照设计的注浆压力进行注浆。

（3）为保证注浆效果，需对各级套管进行耐压试验，其中一级套管耐压为7 MPa，二级及三级套管的耐压为13 MPa。

3 应用效果分析

3.1 富水异常区探查情况

以施工结束的FZ1 钻场为例，其具体探查结果如下：

（1）FZ1-1 号钻孔探查异常区的剖面图如图1。图中纵坐标为标高，横坐标为巷道走向剖面。

图1 FZ1-1 号钻孔探查异常区剖面图

钻孔钻进至60 m时遇水，水量较小，为2.8 m3/h，随后水量减少，钻进至93 m 时见水，水量为16 m3/h，钻进至130 m 时的水量猛增至47 m3/h，钻进至185 m 处时的水量为62 m3/h，钻进至233 m 处的水量增加至77 m3/h，钻进至301 m 处时，水量增加至84 m3/h，钻进至342 m 处时的水量为91 m3/h，随后的钻进过程中水量基本保持在91 m3/h 左右，钻进至终孔450 m 处时的水压为1.1 MPa，提钻后的水量为106 m3/h。由FZ1-1 号钻孔探查结果可知，该钻孔探查区域内93 m、130 m、85 m、233 m、301 m、342～450 m 等区域为富水异常区，需对其进行注浆加固。

（2）FZ1-2 号钻孔探查异常区的剖面图如图2。图中纵坐标为标高，横坐标为巷道走向剖面。

图2 FZ1-2 号钻孔探查异常区的剖面图

钻孔钻进至60 m时遇水，水量较小，为2.8 m3/h，随后水量减少，钻进至74 m 时见水，水量17 m3/h，钻进至104 m 时的水量猛增至29 m3/h，钻进至188 m 处时的水量为42 m3/h，钻进至201 m 处的水量增加至55 m3/h，钻进至218 m处时水量增加至62 m3/h，钻进至264 m 处时的水量为74 m3/h，钻进至320 m处时的水量为80 m3/h，钻进至357 m 处时的水量为91 m3/h，随后钻进过程中水量基本保持在91 m3/h 左右，钻进至终孔450 m 处时的水压为1.1 MPa，提钻后的水量为101 m3/h。由FZ1-2 号钻孔探查结果可知，该钻孔探查区域内74 m、104 m、188 m、201 m、218 m、264 m、320 m、357～450 m 等区域为富水异常区，需对其进行注浆加固。

3.2 富水异常区注浆效果

掘进前对FZ1 钻场的2 个钻孔探查的富水异常区域进行注浆封堵，注浆长度为100 m，注浆结束后，围岩表面及孔口未出现渗流水情况，说明该注浆技术有效封堵了含水层的裂隙通道，取得了良好的堵水效果。

4 结论

（1）根据潞宁煤业22117 工作面回采巷道的赋存条件及2#煤层的水文地质条件，对定向长距离探放水钻孔及注浆钻孔的参数及工艺进行了设计。

（2）现场应用结果表明，定向长距离探放水钻孔通过水量变化精准探查出掘进面前方的富水异常区。根据探查结果进行注浆加固后，消除了围岩的渗流水情况，保证了巷道的安全高效掘进。