煤礦井下導(dǎo)水?dāng)鄬幼{堵水改造研究

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司水暖區(qū) 山西 037003）

煤礦斷層屬于連接含水層及掘進(jìn)巷道的重要通道，一旦掘進(jìn)巷道出現(xiàn)水害時(shí)，則會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，給煤礦企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)壓力，所以在井下作業(yè)時(shí)，必須對(duì)所有的導(dǎo)水?dāng)鄬舆\(yùn)輸巷、通風(fēng)巷展開鉆孔預(yù)注漿堵水工藝，以讓斷層提前止水和加固，進(jìn)而保證井下作業(yè)的安全、穩(wěn)定。

1.井田地質(zhì)與水文地質(zhì)的現(xiàn)狀

(1)井田地質(zhì)現(xiàn)狀

本文主要以某煤礦為例，因?yàn)樵撁旱V屬于典型煤礦，所以具有代表性，由此便對(duì)其展開了深入的研究，該煤礦的生產(chǎn)水平為6.00×106t/a。該井田非常的寬廣，其南北長(zhǎng)共為17km，東西長(zhǎng)共為7.4km，總儲(chǔ)量有1.109544×109t，能夠開采的儲(chǔ)量有9.43992×108t，開采量最大的就是3號(hào)煤層，開采量高達(dá)76%。井田的斷裂情況還不是非常嚴(yán)重，南北、東西、北西呈三組斷裂，整個(gè)井田較大的正逆斷層有六條，就使地層變化較為嚴(yán)重。井田共有五個(gè)含水層段，其中最為危險(xiǎn)的就是奧陶系石灰?guī)r含水層，位于煤系的底端，涌水量在0.1-2.0L/(s·m)。

(2)水文地質(zhì)現(xiàn)狀

該煤礦二采區(qū)的東西長(zhǎng)共為2017m，南北長(zhǎng)共為2411m，開采范圍在5.39×106m2。通過對(duì)地質(zhì)資料的深入研究能夠發(fā)現(xiàn)此區(qū)域的水文地質(zhì)情況非常復(fù)雜，尤其是奧陶系石灰?guī)r含水層的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因?yàn)榇说貙拥膬A斜情況非常嚴(yán)重，許多地方都是背向斜構(gòu)造，其斷層可達(dá)30多條，而影響掘進(jìn)作業(yè)的斷層就有7條。DF14斷層在該區(qū)域的中間，其長(zhǎng)度共1270m，落差在0-34m，此斷層帶有一些導(dǎo)水性能。

2.DF14斷層注漿加固措施

(1)設(shè)計(jì)加固的范圍

首先在此斷層將巷道作為中心點(diǎn)，確定其注漿的半徑是30m，然后對(duì)30m范圍之內(nèi)的圍巖實(shí)施注漿加固。對(duì)于平面來說，其加固的范圍是巷道斷層兩邊的30m內(nèi)以及沿?cái)鄬觾蛇叺?0m內(nèi)，整個(gè)平面注漿面積是6500m2。

(2)制定注漿參數(shù)

通常注漿應(yīng)用的是分段式，其工藝流程為：先充填封堵注漿，然后按照實(shí)際狀況實(shí)施加固注漿。常用的漿液就是單液水泥漿，并添加一些水泥速凝漿、水玻璃與水泥雙液漿、細(xì)砂等應(yīng)用。通常水泥漿的濃度有四個(gè)等級(jí)，根據(jù)水灰比進(jìn)行劃分為：0.6:1、0.8:1、1:1、1.25:1。當(dāng)注漿完成時(shí)，就應(yīng)用1:1的漿液水泥漿。通常注漿的壓力情況為：開始?jí)毫?.0MPa，終端壓力為4.5MPa以上。注漿量不可超過10L/min。等注漿的稀漿、終量和終壓均達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再將其穩(wěn)定20min。

(3)加固方案

在制定加固方案時(shí)，需要特別注意四個(gè)方面，分別為：鉆孔布置、鉆孔技術(shù)、注漿準(zhǔn)確和注漿要求。

首先，鉆孔布置。在此階段應(yīng)以預(yù)計(jì)巷道和斷層面的交匯作為中心，然后向巷道與斷層方向延長(zhǎng)30m進(jìn)行鉆孔，在鉆孔時(shí)應(yīng)向巷道方向進(jìn)行，之后以此鉆孔為中心向旁邊布孔。按照經(jīng)驗(yàn)來看，其周邊孔距應(yīng)是15m，慢慢向外擴(kuò)大直到30m完成注漿。其次，鉆孔技術(shù)。鉆孔的位置是進(jìn)風(fēng)巷的頭；鉆孔的數(shù)量為13個(gè)；鉆孔的結(jié)構(gòu)采用的是裂隙淋水，為避免裂隙和孔管跑漿，便使用了Φ146mm的合金鉆頭實(shí)施鉆孔，并下入Φ127mm的護(hù)壁套，再用Φ108mm的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，最后下入Φ89mm的止水套管。上述套管都采用的無縫鋼管以及高標(biāo)的水泥進(jìn)行注漿。

再次，注漿準(zhǔn)備。在準(zhǔn)備注漿時(shí)，應(yīng)先成立臨時(shí)注漿站，一般可將巷道用作注漿站，然后把注漿設(shè)施放在后面的巷道中。當(dāng)巷道的底端水泥硬化時(shí)，便對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，然后在注漿站的后面巷道中設(shè)置水窩，水窩的標(biāo)準(zhǔn)為10m×2m×1.5m，并配兩臺(tái)揚(yáng)程、100m3/h排量的潛水泵，使電源和水源都符合規(guī)定。一般儲(chǔ)灰臺(tái)會(huì)安裝在注漿后面，能夠儲(chǔ)存30t的水泥。通常注漿泵和拌漿的距離不可低于3m，主要是為了保護(hù)注漿設(shè)施。然后選取適當(dāng)?shù)牟牧?，一般充填物有：鋸末、?xì)砂和黃豆等等。因?yàn)樗橇鲃?dòng)的，所以初期應(yīng)運(yùn)用一些CS雙液漿，不過只能用少量，以免影響強(qiáng)度，然后運(yùn)用一些單液漿，來增強(qiáng)結(jié)石的強(qiáng)度。在此煤礦使用的是425#、525#水泥。在注漿加固的過程中，應(yīng)當(dāng)全部運(yùn)用水泥單液漿。對(duì)于材料用量來說，可借助公式得到，以此注漿工段為例，先把注漿的范圍乘以0.15%裂隙率，然后算出裂隙的總體積V=254m3，假設(shè)材料的消耗系數(shù)為1.3，則根據(jù)1t水泥得到1m3注漿計(jì)算，可知該工段的水泥用量是331t，水玻璃、鋸末、細(xì)砂等若干。

最后，注漿要求。此注漿采用的是靜水注漿，正常壓力為3.0MPa，注漿材料主要是單液水泥漿，在注漿過程中，按照裂隙實(shí)際狀態(tài)來確定用不用灌注鋸末、細(xì)砂等。注漿形式為低壓、間斷和反復(fù)升壓，要是注入10t水泥之后，還不升壓，就可加入CS雙液漿，當(dāng)壓力上升時(shí)再換成單液漿，如此循環(huán)，不僅能夠有效降低注漿的耗量，而且還能縮短注漿時(shí)間。在鉆孔過程中，如果發(fā)現(xiàn)注漿段存在裂隙，壓力還不上升時(shí)，則可充填骨料，充填骨料的順序應(yīng)為：水→骨料，停料的順序應(yīng)為：骨料→水。通常單液水泥漿的濃度有四種，分別是：0.6:1、0.8:1、1:1、1.25:1。

在制漿的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)先打開攪拌機(jī)，然后放入一半的水，再放入灰，這樣做的目的是為了防止電機(jī)燒壞，同時(shí)為避免有雜質(zhì)進(jìn)入，還應(yīng)在一次攪拌池上安裝過濾篩。當(dāng)灰、水?dāng)嚢杈鶆蛑螅涂煞胖炼螖嚢璩刂?，二次攪拌池上也要安裝過濾篩。在注漿的時(shí)候，要是連續(xù)注漿超過1h，其壓力及吸漿量均沒有變化，則可調(diào)濃漿液，這樣注漿壓力會(huì)顯著上升、吸漿量會(huì)顯著降低。如果鉆孔的吸水量超過18L/min，還沒有升壓，就可使用CS雙漿液，不過在使用之前，必須進(jìn)行凝膠實(shí)驗(yàn)，以免出現(xiàn)堵塞情況。

另外，在注漿之前還應(yīng)展開壓水試驗(yàn)，其是為了監(jiān)測(cè)孔管是否存在漏水現(xiàn)象，試驗(yàn)的對(duì)象包括：輸漿管的各個(gè)接頭、煤壁裂隙等等，經(jīng)過壓水試驗(yàn)便能得出鉆孔的吸水量，進(jìn)而選用適宜的漿液，一般壓水的時(shí)間應(yīng)為10-20min，并記錄壓力的變化情況，最大值就是終壓。掃孔、復(fù)注是在注漿完的16h以后進(jìn)行，主要是對(duì)出水量大于0.5m3/min的鉆孔展開的。

3.注漿效果研究

此注漿是在2016年6月開始的，在7月完成，共經(jīng)歷了四十五天，總長(zhǎng)度為1762.2m，注漿量共為275t。在注漿時(shí)，又對(duì)出水量大于0.5m3/min的鉆孔實(shí)施了復(fù)注，總共復(fù)注了六個(gè)鉆孔，隨后又對(duì)復(fù)注情況采取了掃孔驗(yàn)證。通過掃孔驗(yàn)證能夠發(fā)現(xiàn)所有的鉆孔出水量都小于0.1m3/min，便展開了注漿封孔，其壓力都在4.5MPa，并對(duì)注漿前后斷層導(dǎo)水展開了模擬，詳見圖1所示。通過圖1能夠發(fā)現(xiàn)注漿前的斷層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水通道，所以水流就會(huì)進(jìn)到地下的煤柱，以產(chǎn)生導(dǎo)水通道，水從此處就進(jìn)到了巷道中。在注漿以后，因?yàn)榈乇頂鄬邮褂酶邚?qiáng)度的注漿材料代替，所以斷層的導(dǎo)水通道就被充填，這就阻止了斷層與地表水的接觸，使得水進(jìn)不到斷層中。不過，巖體都呈多孔結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部具有大量的空隙及裂縫，所以水就會(huì)受壓力的影響，從周圍的巖體進(jìn)入到斷層，但注漿斷層的導(dǎo)水通道因其周圍的巖體都較為完整，所以透水性很低，僅有少量的水會(huì)從煤柱導(dǎo)水隙中進(jìn)到巷道里。

圖1 注漿前后斷層導(dǎo)水的具體情況

4.總結(jié)

通過上述內(nèi)容我們可知：應(yīng)用煤礦井下鉆孔預(yù)注漿不僅可以有效加固井下導(dǎo)水?dāng)鄬拥钠扑閹?，而且還能顯著提升斷層圍巖的強(qiáng)度，其要比地面注漿的優(yōu)勢(shì)強(qiáng)很多，不僅很大程度的縮短了工期，降低了成本，而且還給施工帶來了便捷，使得管理更加的高效、快速，所以此方法被廣泛用于煤礦井下導(dǎo)水?dāng)鄬佣滤?dāng)中，給煤礦企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。