淺埋煤層巷道過溝探查及治理技術(shù)

楊 帆，姬中奎，薛小淵，張 池，任智智，羅安昆，楊 柳，高 幸，常寶天

（1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西神木 719316；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710077；4.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710054）

陜北礦區(qū)煤層厚煤質(zhì)優(yōu)良，開采條件簡單[1-2]，但陜北地區(qū)溝谷發(fā)育，煤層埋藏淺上覆基巖薄，掘進(jìn)巷道和回采工作面不可避免存在過溝問題[3-4]，溝谷處大氣降水、地表水、頂板水均是制約礦井安全生產(chǎn)的客觀因素，必須結(jié)合實(shí)際地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)的探查與治理，確保安全生產(chǎn)[5]。

面對工作面過溝回采存在的問題，侯恩科[6]、蔣澤泉[7]、方剛[8]、王慶雄[9]等多位學(xué)者從不同角度提出了相應(yīng)的防治措施和方法，目前相關(guān)學(xué)者的研究多集中于對淋水巷道圍巖應(yīng)力分布及變形破壞研究[10]、巷道支護(hù)[11]、井下注漿加固和堵水[12-15]等方面，均為巷道掘進(jìn)揭露異常后采取的相關(guān)措施，未進(jìn)行超前探查與治理方面的研究。為此，以張家峁煤礦3 條巷道過老來溝掘進(jìn)為例，通過采用多種探查手段，進(jìn)而采取“地面超前注漿+河道修復(fù)+井下補(bǔ)充治理”的方法進(jìn)行了綜合治理，為類似薄基巖淺埋煤層巷道過溝探查治理提供了重要的參考。

1 研究區(qū)概況

張家峁煤礦水庫南部4-2煤14213 工作面輔運(yùn)巷、運(yùn)輸巷和14214 工作面回風(fēng)巷均需穿過老來溝溝底進(jìn)行掘進(jìn)，過溝段井上下對照圖如圖1。

圖1 過溝段井上下對照圖Fig.1 Comparison of the upper and lower wells of the cross-ditch section

L2 鉆孔簡易柱狀圖如圖2。位于14214 回風(fēng)巷上方的L2 鉆孔表明，4-2煤厚度4.05 m，埋深13.03 m，煤層頂板新鮮基巖厚度只有6.14 m，風(fēng)化基巖厚度為6.59 m。

圖2 L2 鉆孔簡易柱狀圖Fig.2 Simple histogram of L2 drilling

老來溝為井田內(nèi)主要的河流之一，常年性泉水流量約60 m3/h，主要補(bǔ)給下游的常家溝水庫，此外從紅柳林井田內(nèi)蘆草溝中引水補(bǔ)給常家溝水庫，而輸水隧道出水口位于本次過溝巷道上方，水量約200 m3/h。

結(jié)合水文地質(zhì)資料及現(xiàn)場踏勘情況，L2 孔并不是現(xiàn)老來溝的溝底最低處，由于神木地區(qū)溝谷切割深度大，在煤層頂板新鮮基巖厚度薄、甚至煤層也可能被風(fēng)化的情況下，4-2煤3 條巷道的掘進(jìn)中均面臨著巷道頂板淋水突水甚至垮頂潰砂的風(fēng)險，同時對巷道頂板的地表河道環(huán)境造成一定的影響。因此，必須提前開展相關(guān)探查工作，查明過溝掘進(jìn)段4-2煤頂部覆巖結(jié)構(gòu)、基巖風(fēng)化程度、新鮮基巖厚度和風(fēng)化帶水文地質(zhì)特征，保證巷道安全掘進(jìn)，同時保護(hù)地表水水資源。

2 過溝段覆巖探查

2.1 探查方案

根據(jù)過溝段覆巖結(jié)構(gòu)和特征，探查中采用的方法手段包括鉆探、壓水試驗(yàn)、水質(zhì)全分析風(fēng)化程度鑒定、鉆孔錄像。

1）鉆探工程。14213 工作面運(yùn)輸巷、輔運(yùn)巷和14214 回風(fēng)巷3 條巷道平面距離分別為19、21 m，結(jié)合地形等高線圖及現(xiàn)場施工條件，3 條巷道分別由西向東沿巷道中心線位置以9 m 的孔間距進(jìn)行布設(shè)鉆孔，其中14213 工作面運(yùn)輸巷中心線布置6 個探查孔，14213 工作面輔運(yùn)巷和14214 回風(fēng)巷中心線布置8 個探查孔，共布置22 個探查孔。探查孔終孔進(jìn)入新鮮基巖或新鮮煤層以下2 m，終孔直徑要求不低于φ91 mm，鉆孔一開孔徑φ127 mm，孔口管長度4 m，全孔取心。

2）壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)不僅可用來測定地下水位以下的巖體滲透性能，還可用來測定地下水位以上的巖體滲透性能。壓水試驗(yàn)采用自上而下的分段壓水試驗(yàn)。結(jié)合前期鉆探探查結(jié)果，對具有代表性的鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

3）水質(zhì)全分析。通過選取鉆孔水、地表水進(jìn)行水質(zhì)全分析，分析地表水與風(fēng)化基巖水二者之間的水力聯(lián)系及循環(huán)徑流條件。

4）風(fēng)化程度鑒定。巖石風(fēng)化程度的定性劃分是指從巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分、掘進(jìn)難易程度、破碎的程度等野外特征進(jìn)行綜合分析確定，受人的經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的影響較大。按照巖石風(fēng)化的特征和深淺，根據(jù)GB 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[16]將風(fēng)化程度分為5 級：未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化。

5）鉆孔錄像。鉆孔錄像適用于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)找礦、巖土工程、礦山等多個行業(yè)，本次探查工程利用鉆孔錄像儀來觀測鉆孔中風(fēng)化基巖和正常基巖的各種特征及細(xì)微構(gòu)造，如巖性、巖石結(jié)構(gòu)、裂隙、破碎程度等，同時可與巖心結(jié)合輔助編錄巖心柱狀圖。設(shè)計所有鉆孔均進(jìn)行鉆孔電視工作，以此來查明過溝段巷道頂板巖石風(fēng)化破碎程度。

2.2 探查結(jié)果

根據(jù)鉆探揭露和巖心鑒定，4-2煤層厚度4～4.58 m，平均4.2 m；4-2煤層埋深10～15.8 m，平均13 m；頂板新鮮基巖厚度0～10.4 m，平均5.6 m；風(fēng)化基巖厚度2～12.2 m，平均5.6 m；4-2煤層頂板與風(fēng)化基巖間距0～13.4 m，平均5.6 m。據(jù)此繪制的4-2煤層與風(fēng)化基巖間距等值線圖如圖3。

圖3 4-2 煤層與風(fēng)化基巖間距等值線圖Fig.3 Contour map of the distance between 4-2 coal seam and weathered bedrock

由圖3 可知，在過溝段西北區(qū)域煤層與風(fēng)化基巖之間的間距已不足7 m，由南向北整體上風(fēng)化基巖厚度越來越厚，4-2煤層頂板新鮮基巖越來越薄，且沿溝谷方向，煤層頂板風(fēng)化強(qiáng)度由微風(fēng)化到中等風(fēng)化程度；結(jié)合鉆孔窺視、壓水試驗(yàn)等結(jié)果，沿著溝谷方向，風(fēng)化基巖裂隙發(fā)育、滲透性較好。從水質(zhì)類型來說，多數(shù)以HCO3-Ca 型為主，且礦化度低，表明地下水循環(huán)徑流條件好。

通過探查結(jié)果可知，巷道支護(hù)時7 m 長的錨索必然會進(jìn)入風(fēng)化帶，導(dǎo)通風(fēng)化基巖含水層水，進(jìn)入井下；其它區(qū)域雖煤層頂板風(fēng)化程度較低，但從鉆孔窺視結(jié)果來看，其頂板巖石在部分區(qū)域破碎、裂隙發(fā)育。因此，考慮圍巖可能失穩(wěn)、錨索導(dǎo)通風(fēng)化帶水，地表水補(bǔ)給風(fēng)化帶水等不利因素，必須對3 條巷道過溝段風(fēng)化帶進(jìn)行注漿加固和堵水注漿，同時，對地面河道進(jìn)行修復(fù)治理，杜絕地表長流水潰入井下，以達(dá)到巷道安全掘進(jìn)和保護(hù)地表水的目的。

3 治理工程

3.1 技術(shù)思路

3.1.1 治理思路

根據(jù)探查情況分析可知，3 條巷道過溝段頂板超前治理包括2 項(xiàng)內(nèi)容：其一是頂板風(fēng)化裂隙堵水；其二是頂板圍巖加固。治理思路如下：

1）進(jìn)行地面超前注漿治理。注漿堵水及加固的思路如下：①煤層頂板新鮮基巖厚度不足7 m 時，需對基巖風(fēng)化帶及新鮮基巖1 m 內(nèi)段進(jìn)行全段堵水注漿；煤層頂板有7 m 以上新鮮基巖時（7 m 長錨索不會觸及風(fēng)化帶出水），此時可以不進(jìn)行堵水注漿；②所有需要堵水注漿的鉆孔，孔口管以下層段均進(jìn)行加固注漿；若煤層頂板巖層已被風(fēng)化，在注漿堵水的同時，要考慮注漿對頂板風(fēng)化帶進(jìn)行加固；③各巷道煤層頂板新鮮基巖厚度不足、圍巖可能失穩(wěn)時需要對基巖風(fēng)化帶進(jìn)行加固注漿，注漿段為自鉆孔孔口管以下至新鮮基巖下1 m。

2）進(jìn)行地面河道修復(fù)治理。對地表環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，加固河床，避免長流水潰入井下。

3）巷道掘進(jìn)后若井下仍有淋水，則進(jìn)行井下注漿堵水加固。

綜上，治理方案采用掘進(jìn)前“地面超前注漿堵水加固+地面河道修復(fù)治理”，掘進(jìn)后井下補(bǔ)充注漿治理，多重手段保障巷道安全掘進(jìn)，頂板治理工程技術(shù)路線圖如圖4。

圖4 頂板治理工程技術(shù)路線圖Fig.4 Technical roadmap of roof treatment engineering

3.1.2 鉆探注漿工程

考慮到巷道平面寬度和漿液擴(kuò)散距離等因素，平面上沿巷道斷面布置3 排鉆孔，在巷道中心線及兩幫各布置1 排，排距3 m，為保證注漿治理及加固效果，孔間距同樣為3 m，注漿孔按正方形進(jìn)行布置，注漿孔布置示意圖如圖5。

圖5 注漿孔布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of grouting hole layout

注漿孔為垂直孔，從地面開孔，終孔進(jìn)入新鮮煤、巖層（含煤層）以下2 m，鉆孔一開孔徑φ127 mm，下入φ108 mm 套管，套管進(jìn)入基巖的長度不低于4 m，鉆孔裸孔段直徑φ91 mm。

由于風(fēng)化帶裂隙一般較小，風(fēng)化帶裂隙的可注性不明，本次注漿材料依次優(yōu)先采用普通硅酸鹽水泥PO42.5、超細(xì)水泥和環(huán)氧樹脂等注漿材料，在上1種注漿材料注漿效果不好的情況下，可以采取下1種注漿材料。單孔水泥漿（含超細(xì)水泥漿）注漿采用分段下行式注漿法，環(huán)氧樹脂采用化學(xué)漿注漿法。單回次注漿起壓等凝后，需進(jìn)行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續(xù)注漿，然后再掃孔，如此反復(fù)，直至掃孔后不吃漿停止單孔注漿。注漿前先進(jìn)行壓水，壓水壓力采用1 MPa，持續(xù)30 min，注漿中若吃漿量小，可用稀漿進(jìn)行注漿。

單液水泥漿（含超細(xì)水泥）采用3∶1～1∶1 的水灰比配比，密度約1.2～1.5 t/m3，密度小的漿液在開始注漿時采用，濃度大、密度大的漿液在二次注漿或吃漿量大及注漿結(jié)束時選用?；瘜W(xué)漿漿液配制：按高滲透環(huán)氧:固化劑=100∶（8～12）的質(zhì)量比，將固化劑倒入高滲透環(huán)氧漿液中充分?jǐn)嚢?，即可用灌漿泵進(jìn)行灌漿，漿液灌滿后，保持壓力段時間，密切注意灌漿壓力的變化，防止爆管。

終孔注漿壓力暫按2 MPa 控制，當(dāng)注漿泵泵量為60 L/min 時，將孔口注漿壓力穩(wěn)定在2 MPa、能夠持續(xù)30 min 后即達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。井下注漿堵水工程參照文獻(xiàn)［12］中相關(guān)設(shè)計執(zhí)行。

3.1.3 地面河道修復(fù)

在保持原有泄洪標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行河道治理。主要包括：堤岸擋墻、河床加固、砌石護(hù)岸、原有排洪渠道修復(fù)與疏通等。同時充分利用修整好的水渠，分別在過溝段水渠上游和下游安裝地面遙測儀對過溝段上游和下游的水位、流量進(jìn)行長期監(jiān)測。

3.2 治理結(jié)果

3.2.1 地面注漿

本次地面注漿孔布設(shè)以設(shè)計為依據(jù)，結(jié)合探查情況和施工現(xiàn)場等因素，遵循動態(tài)設(shè)計、信息化施工的動態(tài)管理原則，滿足巷道安全掘進(jìn)和減少淋滴水的原則，前期探查孔亦為治理工程的注漿孔。共完成63 個注漿孔，4 個檢查孔，地面注漿孔平面布置圖如圖6。

圖6 注漿孔平面布置圖Fig.6 Layout of grouting holes

根據(jù)注漿工程的技術(shù)需要，在完成一次注漿后，因注漿壓力或單位時間內(nèi)注漿量未達(dá)到設(shè)計注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，或由于竄漿、注漿量過大等原因而人為停注后，掃孔后進(jìn)行了二次注漿。本次地面注漿工程嚴(yán)格按照設(shè)計施工，共計注入水泥339 t，化學(xué)漿1.6 t。

各注漿孔注漿時存在跑漿、串漿情況。例如14213 運(yùn)輸巷ZA5 注漿時，跑漿至與之相鄰的ZA1、ZA2 兩鉆孔，ZA4 注漿時跑漿至B2、ZB4、ZB3、水渠，ZC5 注漿時跑漿至ZB4、ZC4、C2、C3、ZC2、ZC3、水渠；部分鉆孔注漿時跑漿至水渠處，說明局部區(qū)域風(fēng)化裂隙與水渠相通，接受其補(bǔ)給。

對某鉆孔注漿時，觀測注漿孔周圍相鄰巷道旁邊鉆孔跑漿、串漿現(xiàn)象，對未注漿、但串漿的鉆孔掃孔后進(jìn)行了高清錄像工作，未注漿鉆孔（跑漿）鉆孔電視如圖7。例如，ZA4 注漿時，漿液已從B2 孔流出，而此時B2 孔還未注漿，利用高清錄像儀對B2孔進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)其原有裂隙已被漿液充填（圖7（a））；同樣ZC5 注漿時，漿液已從C3 孔流出，從C3孔鉆孔電視結(jié)果來看，在未注漿情況下，原有裂隙已基本被漿液凝固體所充填（圖7（b））。因此，說明在過溝區(qū)域西南部風(fēng)化裂隙連通性好，漿液擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，可注性好，從未注漿鉆孔的高清成像可以看出地面注漿起到了對風(fēng)化帶裂隙加固充填作用。

圖7 未注漿鉆孔（跑漿）鉆孔電視Fig.7 Ungrouted borehole drilling TV

注漿結(jié)束后，施工了4 個檢查孔，從鉆孔錄像來看，風(fēng)化帶原有裂隙已基本被漿液凝固體所充填，從壓水試驗(yàn)來看，風(fēng)化帶中已無法壓入水。說明本次注漿效果良好，對風(fēng)化帶裂隙進(jìn)行了充填與加固，達(dá)到了預(yù)期目的。從3 條巷道注漿情況來看，與前期探查情況一致，在巷道過溝區(qū)西北方向風(fēng)化裂隙發(fā)育，沿溝谷區(qū)域風(fēng)化程度越強(qiáng)、滲透性和可注性較好。

3.2.2 井下注漿

根據(jù)掘進(jìn)計劃安排，14213 輔運(yùn)巷和運(yùn)輸巷過溝段已順利掘進(jìn)。14213 運(yùn)輸巷在過溝段頂板有淋、滴水現(xiàn)象，水量整體不大于10 m3/h，14213 輔運(yùn)巷在過溝后頂板有淋、滴水現(xiàn)象，水量約15 m3/h，因此轉(zhuǎn)入井下進(jìn)行補(bǔ)充治理，參照文獻(xiàn)［12］中相關(guān)方案，經(jīng)治理后，2 條巷道淋滴水現(xiàn)象得到有效控制，總水量小于3 m3/h。

3.2.3 地面河道修復(fù)

首先沿老來溝河道中線進(jìn)行河道疏浚，河道疏浚寬度30 m，底部以河床最低點(diǎn)為準(zhǔn)。疏浚產(chǎn)生的土石方直接堆放于兩岸。共修改堤岸擋墻4 條，其中河道左右兩側(cè)各2 條，均采用C25 素砼澆筑。

河床加固長度55 m，寬度20～30 m。河床底部下層布設(shè)250 mm 厚C25 素砼墊層，上層布設(shè)150 mm 厚C25 鋼筋砼底板。蘆草溝輸水隧道自河道底部通過，在輸水隧道下游側(cè)布設(shè)C25 素砼防壩，長度35 m，頂寬度500 mm，面坡1∶1，背坡1∶0.5，高度1.5 m，基礎(chǔ)埋深1 m，嵌入穩(wěn)定地層。

修建砌石護(hù)岸1 條，長度35 m，高度1.8 m，頂寬300 mm，面坡1∶1，基礎(chǔ)埋深500 mm。M7.5 水泥砂漿砌筑，M10 防水水泥砂漿勾縫、抹面。

同時利用修整好的原蘆草溝輸水涵洞水渠和河床底部中線修建的排水渠分別在合適位置安裝地面遙測儀，對輸水涵洞水量和老來溝水位進(jìn)行長期監(jiān)測。過溝段河道修復(fù)治理前后對比圖如圖8。

圖8 過溝段河道修復(fù)治理前后對比圖Fig.8 Comparison chart before and after restoration of the river course across the ditch

3.2.4 治理效果

經(jīng)采取“地面超前注漿+地面河道修復(fù)+井下補(bǔ)充注漿”等技術(shù)手段對3 條巷道多方位綜合治理后，14213 運(yùn)輸巷和輔運(yùn)巷過溝段已順利掘進(jìn)，雖有出水但經(jīng)井下補(bǔ)充注漿后效果良好。一方面避免了巷道直接掘進(jìn)揭露異常后，治理與掘進(jìn)沖突，影響采掘接續(xù)；另一方面從源頭進(jìn)行了防控，切斷了地表水與風(fēng)化基巖水的聯(lián)系，使頂板來水可控。

4 結(jié) 語

采用鉆探、巖心鑒定、壓水試驗(yàn)、鉆孔錄像、水化學(xué)測試等技術(shù)手段，有效查明了淺埋煤層巷道過溝掘進(jìn)段頂板覆巖結(jié)構(gòu)、基巖風(fēng)化程度、新鮮基巖厚度和風(fēng)化帶水文地質(zhì)特征；淺埋煤層巷道過溝可采取“地面超前注漿+地面河道修復(fù)+井下補(bǔ)充注漿”等技術(shù)手段進(jìn)行超前治理，避免巷道掘進(jìn)揭露頂板后被動治理；實(shí)踐證明：以上探查技術(shù)及治理手段效果良好，為類似條件下巷道掘進(jìn)提供了重要參考。