断层带附近巷道顶板淋水化学注浆治理技术_李明.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.001基金项目：国家自然科学青年基金（41602299）断层带附近巷道顶板淋水化学注浆治理技术李明1，李乃新2，刘丁宿1，张力杰1，王俊磊1（1.山东能源兖矿能源集团股份有限公司，山东 济宁 273500；2.兖矿东华建设有限公司，山东 济宁 273500）摘要 山东某矿埋深约 800 m 的南辅运大巷在靠近断层带的区段顶板淋水严重，淋水段总跨度约 35 m，水量约 5 m3/h。淋水为顶板锚索导通顶板 34 m 之上的富水砂岩含水层所致。在分析顶板淋水水源及通道的基础上，设计采用通道及水源注浆封堵法，选用可注性及可控性优良的溶胶树脂化学浆液，对初期可见的出水点及后期由于水位回升而新生的多个水点均进行了有效地封堵，且后期几无返渗现象。关键词 巷道顶板淋水；断层带；锚索；化学注浆中图分类号TD745.26文献标识码A文章编号1672-9943（2023）01-0001-030引言巷道是矿井的重要组成部分，承担着矿井通风、运输的重要任务。巷道一般要求需具备稳定、安全、相对干燥的运行环境。但由于地下巷道往往在含水层中或近含水层掘砌施工，巷道形成后渗淋水现象比较普遍12，严重影响巷道的运行环境，腐蚀巷道支护结构，弱化巷道围岩强度，对巷道长期安全运行产生威胁35。注浆是地下工程渗淋水治理的主要方法之一，通过向水源、过水通道或出水口注浆，依靠浆液的絮凝、充填、固化胶结作用，进而达到治理渗淋水的目的。渗淋水治理还涉及复杂的动水注浆问题，对注浆的工艺、材料及施工技术要求较高6，需根据不同的工况开展专门的研究与设计，才可能达到理想的治理效果。本文以山东某矿近断层带巷道顶板水害治理为背景，在分析顶板水害机理的基础上，提出水害治理思路，设计注浆治理方案并实施，收到理想的治理效果。1工程概况山东某矿位于巨野煤田，主采太原组 3#煤，开采深度约 800 m。该矿南辅运大巷 N8N10 段顶板淋水严重，淋水段总长约为 35 m，主要表现为沿锚索眼出水，淋水点较多，部分水点出水已成线，其它部位水点较小，总出水量约为 5 m3/h。根据南辅运大巷实测地质资料，N8N10 顶板淋水段为上山段，坡度约为 11，靠近 Fd5 断层，位于断层的上盘，具体位置如图 1 所示。Fd5 断层为正断层，北西西走向，倾角约为70，断距 21 m。淋水段顶板揭露 2#煤，煤层顶板为 34 m 的泥质岩，上覆粉细砂岩互层，岩石块状构造，薄中厚层状结构，泥质胶结，层理发育。通过掘进过程及后期观测，Fd5 断层带厚度小于 1 m，结构密实，断层带位置无淋水现象。图 1南辅运大巷淋水段位置2顶板淋水注浆治理思路（1）明水点治理一般先确定水源及通道。根据现场观测，N8N10 淋水段水点主要分布于锚索眼，锚杆眼几乎无出水现象。锚索眼深为 6 m，锚杆眼深为 2.5 m，说明出水层位位于顶板 2.5 m以上岩层。根据该区段的地质资料，2#煤直接顶为一层 34 m厚的泥质岩层，为隔水层，其上为厚层状的粉细砂岩互层。锚索眼是施工穿过泥质岩层进入粉细砂岩互层后出水，说明本次出水的水源来源于粉细砂岩互层，通道为锚索眼与锚索之间的间隙。（2）确定水源及通道后，则进一步确定治理思2 煤3 煤N10Fd5N8淋水段 35 m6.8 m10 m15 m18.6 m22 m27 m砂岩NWW70H：21 m27 m33 m-757.4-747.9专论与综述能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.112023 年 2 月Feb.,2023李明，等断层带附近巷道顶板淋水化学注浆治理技术路。明水点治理首先考虑通道封堵法，即采用在出水通道上灌注速凝浆液，通过封堵过水通道进而封堵水点。本工程巷道淋水通道为锚索眼与锚索的间隙，后期施工想直接通过钻孔在一定深度找到锚索眼较为困难，所以还必须考虑源头封堵法。源头封堵法即通过施工钻孔，向出水源头注入浆液，减弱水源层的富水渗透性，进而达到治理淋水的目的。源头封堵法往往施工的钻孔较深，注浆量大。考虑到通道及源头封堵法的优劣势，本次注浆采用两者相结合的方式进行。（3）注浆质量的优劣与注浆材料的性质密切相关。常规工程选择普通水泥基浆液，该浆液为颗粒悬浮性液体，大量的工程实践表明，如本工程类似的孔隙-微裂隙的介质可注性极差，且需要的注浆压力大，威胁顶板安全，封水效果不理想。溶液型化学浆液以其优良的可注性、可控性在类似岩层水害治理中被大量使用。该类浆液为溶液型，可注性好，相比水泥浆液注浆压力小，封水效果较好。本次注浆拟选择溶胶树脂化学浆液。3注浆治理方案设计本次治理设计总段长为 35 m，为南辅运大巷Fd5 断层带附近的所有顶板淋水段。3.1注浆孔布置注浆孔布置以出水点为中心位置，每个出水点预设注浆孔 3 个，其中 1 个浅孔、2 个深孔，具体布置方式如图 2 所示。首先在距离出水点 0.30.5 m位置向出水的锚索眼 2.0 m左右深度施工 1 个浅注浆孔，该注浆孔预想将在 2.0 m深度沟通锚索眼；然后在距离出水点 0.51.0 m的对称两侧施工 2 个深注浆孔，注浆孔直接穿透泥质岩层，进入粉细砂岩互层。图 2顶板锚索眼出水注浆孔布置3.2注浆孔结构注浆孔结构为：孔口套管+裸孔。浅孔设计深度 2.0 m，深孔设计深度 5.0 m，孔口套管设计长度900 mm。钻孔先采用 42 mm的钎头钻进至设计孔深，然后安装 42 mm 的孔口套管 900 mm，再连接注浆泵进行压水冲孔、注浆。孔口套管采用 42 mm、壁厚 4 mm的无缝钢管加工制作，端部 2040 mm车有丝扣与阀门连接；丝扣后焊接套环，套管通体车有马牙扣，马牙扣间距100150 mm。孔口管结构如图 3 所示。安装时套管马牙扣通体缠麻丝或棉纱，利用风锤连接专用推打器，套住孔口套管丝扣并推打套环，使得马牙扣段全部推打至孔内。此种孔口管结构及安装方式套管安装稳固，一般可承受 8 MPa 以上的抗拔流体压力。图 3孔口套管结构3.3注浆材料本次注浆设计采用 ZK-型孔隙溶胶化学浆液。该浆液已在全国十余个矿区、数十项类似水害现场治理中成功应用，属于溶液型浆液。浆液具有粘度低、可注性好、絮凝固化时间可控、结石率高、强度高、水养护环境下不收缩不风化的优点。但相比水泥基浆液其成本较高。ZK-型孔隙溶胶浆液由 A、B 双液及专用改性提质添加剂组成。A 液为三聚氰胺改性脲醛树脂，主要为酸性固化剂，使用前 3 组分独立包装；使用时 A 液与专用添加剂混合后形成单液，再与 B液混合形成浆液固结体。注浆采用双液注浆泵，通过调整 B 液的加量来调节浆液的絮凝固化时间，最快絮凝时间可达到 20 s，适用于动水注浆工况。另外与聚氨酯（马丽散）不同，孔隙溶胶不含硫酸根离子，腐蚀性极为微弱。ZK-型孔隙溶胶浆液相关参数如下：（1）浆液物化性能指标：起始粘稠度为2.515.0 mPa s（井下气温条件下）；絮凝时间 20 s 至数小时。（2）浆液力学性质指标：粘结强度为 2.53.5 MPa，结石强度为 3.09.5 MPa，固砂强度为 0.83.5 MPa，抗渗透性：10-610-8cm/s。（3）浆液配制：产品为 A、B 双液（桶装，25kg/桶、50 kg/桶），按 103 比例提供。每桶 A 液独立配制1 kg的专用改性提质添加剂。3.4注浆压力控制ZK-型孔隙溶胶化学浆液由于其优良的可注性，对注浆压力要求不高，一般注浆压力大于自主体段套环丝扣段粉细砂岩互层深注浆孔浅注浆孔锚索眼深注浆孔泥质岩层22023 年 2 月Feb.,2023然水压 2.0 MPa，能保障浆液的有效扩散。另外，鉴于实验段巷道顶板的岩性，本次注浆终压设计为5.0 MPa。4注浆施工工艺4.1注浆孔钻进工艺流程：钻至设计注浆孔深度安装孔口套管及孔口高压阀门连接注浆泵注水冲孔准备注浆。（1）钻进顺序：由于本次巷道淋水水量相对较小，注浆时一般不会出现大范围跑浆现象。本着先难后易的注浆原则，整体沿巷道上山方向上行式注浆，先施工浅注浆孔，再施工深注浆孔。（2）钻孔施工：钻孔采用 7655 或 28 风钻进行，选用 42 mm“一”字型钎头，成孔 42 mm。（3）注水冲孔：每孔孔口套管安装完成后，接通注浆泵进行高压注水。尽量采用大流量注水，但为了保证顶板安全，注力压力不得大于 5.0 MPa，压水时间不小于 5 min。4.2注浆施工工艺流程：制浆连接注浆管路注浆高压封孔。（1）注浆泵选择：选用 ZBQ50/19 型气动双液注浆泵，此泵最大注浆压力可达 19 MPa，通过调节进风量实现无极变速，泵总质量小于 75 kg，使用方便。（2）浆液调整：本次选用溶液型化学浆液，浆液的可注性及可控性能较好，注浆过程中如返浆严重，则应适当增加 B 液加量，减小浆液的絮凝时间；如注浆量较少时注浆压力已较高，则应减小 B 液加量，来相对增加注浆量；如注浆泵量较大而注浆压力仍较小时，则可增加 B 液加量；每改变一次 B 液加量持续一般 10 min。（3）压力调整：注浆压力实时反映了被注地层及浆液的可注性，考虑到本次注浆点位于巷道顶板，且直接顶为厚度 34 m的泥岩层，强度较弱，需严格控制注浆压力，以防发生冒顶事故。注浆过程中安排专人监管注浆压力，使压力控制在安全压力之内。（4）注浆结束：单孔注浆结束前，注浆泵应变换泵注清水，使注浆管路的浆液注入岩层裂隙中去，以避免浆液浪费。但要防止清水压入岩层裂隙中。4.3注浆过程特殊情况处理（1）顶板跑浆。巷道顶板分散水点注浆治理出现跑浆、返浆属于正常现象，一般通过调整浆液配比、间歇注浆、木楔封堵能够治理。当注浆孔周边出现跑浆时，一般先调整浆液的配比，增加 B 液（固化剂）的加量，尝试停止注浆 2040 s，使得双液混合注浆管路中的浆液絮凝后，再启动注浆泵，使得已经絮凝的浆液进入出水裂隙，从而达到封堵过水通道的目的。这时如仍不能封堵返浆点，则在返浆点用木楔（最好缠麻丝）楔入堵塞，再通过调整浆液配比及间歇注浆进行封堵。（2）新生出水点封堵。初期可见的出水点注浆封堵后，由于水位回升，将还会在注浆内或两侧延伸段出现新的出水点，则需采用同样的治理方案及材料进行治理，直至所有潜在水点被彻底治理。（3）注浆泵机械故障。当注浆泵出现故障时，要及时关闭孔口阀门，并将注浆管路中的浆液排出，防止其絮凝固化后封堵疏降管路。待机械维修完成后，再采用 28 mm“一”字型钎头原孔扫孔复注。5注浆治理效果采用设计注浆方案组织治理施工，35 m治理段内合计封堵锚索淋水点 25 个。治理段治理完成后，随着水压回升，治理段内新生出水点 3 个，治理段外延约 10 m 段内的 6 根锚索也呈现新生淋水现象，采用同方案进行了有效封堵。合计 34 个水点治理共施工注浆孔 119 个，注溶胶树脂浆液 24 t。治理后治理段水量降低至 0.3 m3/h 之下，且长期无返渗现象。这个方案可为类似条件巷道顶板水害的治理提供借鉴。参考文献1何富连，李晓斌，朱恒忠，等.顶板淋水对巷道围岩变形破坏的影响及防治 J.煤矿安全，2019，50（6）：162-165.2卢恒，秦宾宾，王保强.顶板淋水巷道围岩破坏与控制技术研究 J.煤炭技术，2021，40（2）：25-29.3郭亚欣，宋选民.积水采空区下淋水顶板巷道失稳机理研究 J.煤炭科学技术，2019，47（11）：36-43.4许帮贵.受淋水影响回采巷道支护技术 J.建井技术，2019，40（5）：5-6.5段三平.王庄煤矿 5216 综放工作面破碎围岩巷道注浆加固技术研究 J.煤矿现代化，2021，30（4）：9-12.6高彬，姬中奎，杨帆，等.浅埋煤层过沟掘进巷道顶板淋水治理技术 J.煤矿安全，2020，51（9）：94-97.作者简介李明（1986-），男，工程师，毕业于山东科技大学土木工程专业，长期从事矿井建设技术管理工作。收稿日期：2022-08-19能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.13