巷道掘进过导水断层深孔帷幕注浆技术应用

王亚楠

(山西泽州天泰坤达煤业有限公司,山西 晋城 048019)

水害是制约煤矿安全生产的不利因素之一,矿井突水事故多发生在褶曲、断层、陷落柱、裂隙发育带等地质异常区。断层破碎带与断层上下两盘间渗透性、岩性参数等存在明显差异,破碎带常具有导水性好、强度低等特点,是良好的导水通道[1-2]。巷道掘进穿越断层时,常面临涌水量增大、构造应力显现等问题,并伴随有围岩大变形,严重时导致突水、围岩支护体系失效等情况,严重影响井下生产安全[3-5]。为确保巷道安全掘进过断层,众多的学者及工程技术人员对防治水技术、围岩支护技术等进行研究,其中刘广超[6]综合钻探、物探手段确定断层产状、位置等详细参数,并通过分次成孔、交替注浆方法对断层破碎围岩进行加固、封堵导水裂隙,综合采用短注短掘、先注后掘方法进行掘进,为巷道安全过断层创造良好条件;张自政等[7]针对断层影响区围岩破碎、承载能力差等特点,提出综合工字钢架棚+滞后注浆+锚杆二次注浆手段联合支护围岩,取得较好围岩控制效果;陈和平等[8]针对红柳煤矿2煤辅运大巷过DF6-1断层为工程实例,针对巷道过断层期间面临的突水、冒顶以及溃砂等问题,提出采用帷幕注浆方式加固巷道掘进轮廓线外破碎、不稳定岩体并封堵导水裂隙,通过短掘短支减少掘进对围岩扰动,确保了巷道安全作业。上述研究成果为巷道掘进过导水断层提供了宝贵的借鉴经验。注浆是现阶段防治水工作常用的技术措施,注浆浆液在破碎岩体中扩散不仅可起到加固岩体目的,而且可封堵已有以及潜在导水裂隙,降低甚至避免巷道掘进空间出现涌水。文中就以山西某矿3502运输巷掘进过DF113断层为工程实例,综合采用物探、钻探技术手段确定断层性质及导水性,通过深孔帷幕注浆手段加固破碎围岩并封堵导水裂隙,后采用局部小导管注浆+锚网索梁支护方式实现围岩变形有效控制。

1 工程概况

1.1 地质概况

3502运输巷设计沿着5号煤层底板掘进,煤层埋深为620～680 m,厚度5.8 m、赋存较为稳定,巷道设计掘进长度为1 360 m,采用综掘方式掘进。5号煤层顶底板岩性以泥岩、细粒砂岩、粉砂岩以及粗粒砂岩为主,具体顶底板岩性参数如图1所示。

图1 煤层顶底板岩性柱状图

3502运输巷原设计采用锚网索支护方式,表面喷射混凝土,在地质条件正常区域内掘进时巷道围岩始终保持稳定,未出现围岩变形量大或者喷射用混凝土开裂等问题。在巷道掘进至距DF113断层50 m时,超前施工的地质探测钻孔涌水量超过1.0 m3/h,同时围岩裂隙发育,为此在原有锚网索支护基础上按照800 mm棚距布置U型钢钢架棚。在3502运输巷掘进前方存在有DF113断层,预计该断层附近发育有多个次生小断层。尽管3502运输巷与DF113断层间有10 m间距,但是巷道靠近断层时围岩裂隙发育,在构造应力、淋水等综合影响下导致围岩变形量增加,U型钢被压弯。

1.2 断层参数

综合钻探以及物探技术手段对DF113断层进行超前探测,发现DF113断层落差在15～28 m、断距5.0～6.1 m、倾角50～63°.在3502运输巷底板布置探放水钻孔进行放水试验,具体探放水结果如图2所示。探放水钻孔出水量稳定在1.0 m3/h,表明涌水点水源补给较为稳定;同时探测出水位标高与5号煤层底板奥灰水水位标高相似,因此判定DF113断层主要补给水源为底板奥灰水含水层。

图2 探水钻孔涌水量曲线

2 巷道过导水断层帷幕注浆方案

3502运输巷底板与底板奥灰水顶间隔为40 m、承受奥灰水水压为0.69 MPa,底板隔水层厚度较大且承受水压较小。结合3502运输巷前方DF113断层导水情况以及断层赋存参数,为降低断层导水对巷道掘进影响并为巷道安全掘进过断层破碎带创造良好条件,提出在3502运输巷内布置注浆钻孔对DF113断层进行深孔帷幕注浆。通过深孔帷幕注浆后可实现3502运输巷掘进轮廓线外一定范围内煤岩体加固并封堵裂隙,避免掘进期间出现围岩失稳或者大量涌水问题,确保3502运输巷安全掘进,并减少防治水投入。

2.1 帷幕注浆范围确定

3502运输巷过DF113断层时帷幕注浆范围综合斯列夫公式(1)以及巷道围岩塑性区公式(2)确定[9-11]。

(1)

式中:t为安全隔水层厚度,取5.64 m;L为巷道宽度,取5.0 m;r为隔水层容重,取2.7 kN/m3;Kp为隔水层抗拉强度,取1.54 MPa;P为底板水头压力,取1.3 MPa.将上述参数带入到公式(1)中求得t=5.64 m.

(2)

式中:R1为围岩塑性区范围,取2.69 m;R0为巷道半径,取2.5 m;σ0为原岩应力,取16 MPa;φ为内摩擦角,取35°;C为粘聚力,取6 MPa;Pi为支护阻力,本次计算不考虑,取Pi=0.将上述参数带入到公式(2)中求得R1=2.69 m.

经过计算求得t+R0=8.14 m、R1+R0=6.19 m,取上述最大值作为帷幕注浆半径8.14 m,从安全方面决定现场帷幕注浆半径为8.5 m.

2.2 帷幕注浆钻孔布置

断层导水、破碎带以及强度低等均会影响巷道掘进过断层安全。在巷道与DF113断层间距10 m时,在距离3502运输巷掘进迎头15 m、20 m位置,分别在两帮布置钻场,沿着巷道周边均匀布置8个注浆孔深均为90 m注浆钻孔并进行深孔注浆,确保3502运输巷掘进前方DF113断层内存在10 m以上的帷幕注浆封堵圈,具体注浆钻孔布置以及注浆加固范围如图3所示。

图3 帷幕注浆钻孔布置示意(单位:mm)

使用D42 mm钻杆+D127 mm钻头钻进2 m,在孔内装入D108 mm×2 070 mm套管,一级套管外露端焊接有D108 mm法兰盘;法兰盘与托盘用螺栓连接并将D25 mm高压软管插入快速接头内;开启注浆泵并使得浆液充填一级套管与钻孔孔壁,待浆液凝固后即实现一级套管固定;用D42 mm钻杆+D89 mm钻头钻进扫孔,待钻进到2.5 m后进行耐压试验;向孔内压水,水压为4 MPa,稳定30 min,以便对检验以及套管牢固程度。随后采用D42 mm钻杆+D89 mm钻头从一级套管处钻进至孔底,孔深80 m.

注浆过程中首先用水泥-水玻璃双液将实现断层破碎带及附近岩体导水裂隙快速封堵,随后用封堵纳米材料提高断层破碎带及影响范围内煤岩体稳定性及承载能力。为确保钻孔注浆浆液有效扩散半径达到4 m以上,注浆压力控制在8～10 MPa.

3 围岩支护方案

3.1 超前小导管

由于深孔帷幕注浆无法实现3502运输巷掘进影响范围内围岩加固,可能导致巷道掘进过断层时部分未加固岩体变形量大,影响后续掘进安全。因此,在3502运输巷掘进距断层破碎带前500～1 000 mm时,通过超前小导管向巷道周边浅部破碎岩体进行局部注浆加固。采用的超前小导管规格为D38 mm×3 500 mm无缝钢管,布置间距均为300 mm,排距为2 000 mm,主要布置在巷道拱顶为主,有10°外插角。超前小导管选用的注浆浆液为封堵纳米材料,注浆压力控制在1～3 MPa.

3.2 联合支护

在3502运输巷过DF113断层期间,围岩若出现大变形势必会产生新的裂隙,影响帷幕注浆以及超前小导管漏水裂隙封堵以及围岩加固效果。为此,在3502运输巷过DF113断层时,在原有锚网索支护基础上增加钢带、锚索梁结构提高围岩控制效果,通过锚网索梁联合支护体系实现断层破碎带围岩变形有效控制。具体巷道支护断面如图4所示。

图4 巷道支护断面

支护用螺纹钢锚杆规格为D20 mm×2 400 mm,按照800 mm×800 mm间排距布置,锚杆端头锚固力控制在120 kN以上,预先施加30 kN以上预紧力;与巷道走向方向平行布置长度3 300 mm、眼距800 mm的T型钢带。支护用锚索规格为D21.8 mm×6 300 mm高强预紧力钢绞线,预先施加60～70 kN预紧力。在顶板T型钢带间增设长度2 800 mm、眼距1 000 mm的锚索梁,锚索梁按照1 600 mm间距布置。巷道全断面铺设长×宽=2 600 mm×1 100 mm的金属网。

4 现场应用效果

在3502运输巷掘进过DF113断层前通过深孔帷幕注浆技术+小导管注浆技术可在巷道掘进影响范围之外形成止水帷幕、围岩加固圈,从而避免巷道掘进过断层期间出现突水、淋水量大以及围岩失稳等问题。现场共计注入水泥-水玻璃双液浆约130 t、纳米封堵材料约89 t.现场应用后,3502运输巷过断层期间未出现围岩淋水情况,为巷道安全掘进创造良好条件。

同时巷道围岩采用锚网索梁联合支护工艺后,巷道围岩变形量较小,监测发现顶底板、巷帮最大变形量分别控制在32 mm、15 mm以内,围岩变形得到较好控制,可满足后续巷道使用需要。

5 结 语

1) 3502运输巷掘进期间揭露的DF113断层与底板承压含水层(奥灰水)间存在一定的水力联系,断层具有一定的导水性且断层破碎带及影响范围内煤岩体破碎,巷道掘进过断层期间面临较大的涌水、围岩变形破坏等问题。为确保巷道安全掘进,提出通过深孔帷幕注浆技术在巷道掘进轮廓线外形成止水帷幕,起到降低甚至杜绝期间巷道的围岩涌水、加固破碎围岩目的;在巷道掘进断面布置超前小导管,向巷道周边浅部破碎岩体进行局部注浆加固。通过深孔帷幕注浆以及超前小导管可实现断层破碎带及影响区内围岩加固以及导水裂隙封堵,为3502运输巷安全掘进创造良好条件。

2) 为降低3502运输巷过DF113断层期间围岩变形量,避免围岩变形产生新的导水裂隙,提出在运输巷采用锚网索梁联合支护体系,通过布置高预应力锚杆、锚索提高围岩自身承载能力,同时通过T型钢带、锚索梁以及金属网提高围岩护表能力。

3) 现场应用后, 3502运输巷过DF113断层期间围岩基本不淋水,同时监测得到巷道顶底板、巷帮最大变形量分别为32 mm、15 mm,围岩变形较小,表明现场采用的深孔帷幕注浆技术以及围岩支护技术取得较好成果。