大断层破碎带注浆堵水技术研究

王俊超，何林波，李 广，李 波，周 浪

(四川广旺集团船景煤业有限责任公司，四川 宜宾 645250)

煤矿矿井广泛存在地质构造，尤其是断层对生产的影响极其严重。一般情况，在断层附近都存在大量的破碎带，致使围岩裂隙发育严重，形成大量的水源通道，严重影响工作面的正常掘进。目前，国内顶板突水治理工作进展缓慢，而各个矿井地质构造不同，可供借鉴的成功经验较少。因此，顶板突水一直是煤矿水害防治的关键，也是救治工作的重点、难点。

1 矿井概况

四川广旺集团船景矿由原勘探的船头山井田和景阳井田及沐爱井田的一部分合并而成，位于四川省筠连矿区中部沐爱勘探区的东南端，行政区划属四川省宜宾市筠连县维新镇、镇舟镇、乐义乡和高坎乡，走向长度5.26 ～6.57 km，倾斜宽度5.94 ～7.63 km，井田面积37.9601 km2。本区位于沐爱勘探区的东南隅。北与F2断层相邻，南接落木柔背斜北翼，F3和F215、F256断层分别位于井田的东西两侧。船景矿2009年开始兴建，预计于2014年6月投产，设计井型150万 t/a。目前，矿井处于基建期，正在准备+465 m水平一采区1122首采工作面。矿井正常涌水量为300 m3/h，总排水能力为1000 m3/h。

2 矿井水文地质条件

井田内共发现断层88条。其中，出露地表的36条，隐伏的52条。F3、F256为井田东西边界断层，破坏了含水层的连续性，交接部分透水性及富水性会有所增强，在静水压力及矿山压力作用下，促使断裂带的进一步发育，采掘工作面接近断层带时，要防止断层水的溃入。

1)第四系孔隙含水层(Q)。主要分布于镇舟河、浑水河河谷两侧和山麓地带。为残积物、坡积物、冲击物、洪积物，其结构松散，厚度因地而异，0～37.30 m，一般厚3 ～5 m，分布面积4.27 km2。

2)三叠系下统嘉陵江组(T1j)岩溶含水层。区内在官田湾向斜核部的槐子坪、屋基地、甜竹包、大山坡一带有一段、二段分布，面积约1.25 km2，出露标高+730～+940 m，主要岩性为灰色薄至中厚层状石灰岩、泥灰岩，残厚约66.23 m。岩溶发育以浅丘为主，富水性强。

3)三叠系下统铜街子组(T1t)岩溶裂隙含水层。分布在官田湾向斜两翼，二段(T1t2)为紫灰、紫红薄至中厚层状泥岩、砂质泥岩，厚18.76 m。该层含水性弱起相对局部隔水作用;以薄～中厚层状石灰岩，夹薄层钙质泥岩为主。裂隙发育极不均一，透水性强。

4)飞仙关组(T1f)裂隙含水层。飞仙关组以粉砂岩、泥岩组成，间有少许细粒砂岩，分为4段。分布面积 6.62 km2，总厚为 487.50 m，为裂隙含水，含水性极不均一，富水性也是由弱到中等之间，局部有隔水作用。

5)二叠系上统宣威组(P2x)裂隙含水层。该层主要岩性为灰、灰白色和深灰色砂质泥岩、黏土岩、泥岩、粉砂岩、砂岩，上部富含煤层和夹薄层生物碎屑灰岩、泥质石灰岩，主要分布于井田南、北边界。

煤层露头处小煤矿、老窑开发历史较长，采空面积较大，造成浅部地表开裂和塌陷，地表水下渗，致使多数小煤矿和老窑长年有水外流，流量较大的往往出露在滑坡体内或山沟中。

宣威组内地下水补给条件差，富水性弱。宣威组下段，厚91.99 m，由灰色、浅灰色黏土岩夹碎屑岩组成。顶部含薄煤层，岩芯较完整，裂隙不发育，层位稳定，是良好的隔水层。

6)二叠系上统峨嵋山组(P2β)裂隙含水层。分布在井田南缘以及北部柿子坝、冬瓜湾、石岩子一带，出露标高+450～ +940.5 m，厚95.48 m，顶部为10 m，灰、浅灰色碳酸盐化凝灰岩、玄武质角砾岩，其下为灰绿、墨绿色致密块状玄武岩，具杏仁状、气孔状、块状构造。浅部柱状节理发育。岩石结构比较致密，除浅部风化裂隙与构造裂隙外，节理裂隙发育不均一，一般透水性差。富水性弱，视为相对隔水层。

7)二叠系下统茅口组(P1m)岩溶含水层。该层在井田南、北均有广泛出露，为一套灰色厚～巨厚层状灰岩，块状构造，局部含燧石结核，夹生物碎屑灰岩，一般厚357 m。该层是本区富水性强的含水层，是供水的良好水源。由于距上部可采煤层远(187 m以上)，其间为宣威组和峨嵋山组相隔，正常情况下，岩溶水对矿井充水无影响。

3 突水经过及原因

3.1 工作面概况

该工作面西接+642 m运输石门，下方为+586 m东底抽巷，东至井田边界。地面标高+1010～+1080 m，井下标高+642 m。施工区域位于三转包背斜核部及官田湾向斜北西翼，受两构造影响，走向160°～180°，倾角8°～12°，区域上覆地层为第四系堆积层及飞仙关组，飞仙关组导水性好，受地表裂隙水影响，预计最大涌水量约25 m3/h。施工巷道为半煤巷，沿2号煤掘进，煤层顶底板多为泥岩、泥质砂岩及砂岩，硬度普氏系数4～6。该工作面没有详细的地质资料，只能边掘边探，掘进至384 m时出现一大断层，初步判断所遇断层为 fc2逆断层，断层落差达15 m。

3.2 突水经过

1122运输巷自里程384 m处遇到逆断层后，立即开始组织探煤工作，完成探煤工作后设计以斜向下10°施工95.596 m见2号煤，再斜向下施工28 m后遇到探钻孔涌水量突然增大，涌水量维持在60.0 m3/h左右，水压极大，达到2.5MPa，而且没有减小的迹象，导致无法正常掘进，给生产带来安全隐患。

3.3 突水水源及导水通道

突水发生后，通过对工作面上方的水源观测发现水位点基本无变化，排除了地面补给水源的可能性。结合施工过程中均没有出现大量的涌水，仅在实施探煤钻之后才出现突水，并结合地质资料，分析证明断层上方有1个含水层，由于断层影响含水层向下滑落，再加之断层附近围岩极为破碎，形成了一定的水源通道，致使含水层的水通过这些破碎带产生的裂隙流入工作面，因此，故尽管涌水量很小，但是水压却很大。

3.4 导水通道分析

根据现场判断出该工作面受断层的影响，由工作面出水为顶板水，分析其导水通道为断层破碎带产生的裂隙所致。在综掘过程中，煤层顶板会出现一定范围内的下沉，再加之断层的影响，就会造成顶板破碎形成裂隙，随着顶板压力的释放，裂隙向上逐渐延伸导致第三、四系砂砾石孔含水层或基岩风化带水通过裂隙流入工作面，形成顶板水。同时从涌水量逐渐增加的过程也可以看出，当施工至360 m未完全揭露断层时，仅仅出现淋水现象。然而随着越来越靠近断层，尤其是在揭露断层后往下施工过程中，顶板突然间出现大量的突水，也符合断层破碎带裂隙不断增加的变化规律，即刚刚接触断层时，破碎带范围很小，随着施工的进行，范围逐渐增加，裂隙也越来越多，继而造成中间破碎带形成裂隙成为导水通道。

4 堵水方案与实施

4.1 注浆堵水方案设计

根据1122机巷现场顶板突水的情况，结合突水水源以及突水通道决定不再另外施工堵水钻孔，而在原来施工的地质钻孔处进行注浆堵水，采用安装安全套管直接注水泥—水玻璃双液浆的方法封堵涌水。

4.1.1 注浆压力

根据围岩情况、裂隙发育情况、浆液的扩散情况，注浆终压暂定为10 MPa，双液水泥浆控制在20～30 L/min，注浆段水泥注入量为2～4 t/m。

4.1.2 注浆材料选择

1)水泥。选用P0.42.5普通硅酸盐水泥。

2)水玻璃。选用模数 M=2.8～3.1，浓度45Be’左右以纯碱为原料生产的液体水玻璃。

3)单液水泥浆添加剂。选用三乙醇胺(工业级)，工业食盐。

4)粉煤灰。选用商品袋装粉煤灰。

4.1.3 双液浆的配比

浆液的配制在井下进行，根据钻孔压水试验的结果，配制所需的水泥浆液。先配置单液浆，且单液水泥浆浓度是先稀后浓，当一个级别的单液水泥浆在注入30 min后，压力不升，要调浓一级浆液。

如果单液水泥浆水灰比调到0.8∶1，注入30 min后，仍不见升压，可改注水泥—水玻璃双液浆或注稠化单液浆，即1∶1水泥浆中，加入3% ～5%水玻璃，使浆液稠化，初凝时间缩短。

单液水泥浆中，可以加入部分商品粉煤灰来代替部分水泥，一般可以加入水泥重量的20% ～30%，最多可以加入50%，单液浆的配比情况见表1。

表1 单液水泥浆液配比表

4.1.4 钻注设备

1)钻机。钻机选择190S型冲击式钻机。

2)注浆泵。选用2TGZ－60/210型双液调速注浆泵1台。

3)搅拌机。选用200 L防爆型水泥浆搅拌机1台。

4)阀门。为防止钻孔突然出大水，4英寸中压阀门2个，1英寸球阀30个。

5)混合器。用注浆泵的生产厂家带来的混合器，具体钻注施工材料消耗汇总表见表2。

表2 钻注施工材料消耗汇总表

4.2 注浆堵水

注浆孔选择用原先施工好的地质孔，孔径为d94 mm，埋设d90 mm×4 mm的导管，长度2 m，孔口管外壁抹水泥浆固定在孔内，固定好后，外部喷浆进行二次加固。一端焊有高压法兰(该法兰和孔口大阀门配做)，插入d94 mm的钻孔中，外留200 mm，接好注浆系统，注水泥—水玻璃双液浆固管。孔口管的方位要求按设计用罗盘定位，误差不得超过±30分。

双液固定孔口管后，干4～6 h后，可以使用。钻机就位固定之后，接好压缩空气管路，开始试运转。注浆泵、搅拌机就位后，接水电，准备开始工作。

注浆装置是用d1英寸的水暖管连接而成，见图1。

图1 注浆装置示意图

在整个过程中，注浆装置安装在孔口管法兰盘对接法兰的1英寸球阀上。另一端连接注浆泵或混合器出来的高压胶管。关闭泄浆阀，打开进浆阀，进行压水试验。注浆结束之后，关闭进浆阀门，打开泄浆阀门，压清水清洗泵和管路，直到冲洗干净。

全面检查注浆原始记录，对本次注浆过程中出现的钻孔深度、钻孔涌水量、注浆压力、流量、总的注入量等基本数据正确与否进行检查。分析是否随注浆进程、钻孔涌水量、注入量等参数逐渐减少。若总的趋势减少，可以认为钻注施工正常。

检查钻注过程中出现诸如卡钻、塌孔、埋钻、断钻杆、丢钻头、大量跑浆等情况是否已做妥善处理，是否达到结束注浆的要求。如果未达到，要补加措施，使所有注浆孔的注浆质量达到结束标准。

5 注浆效果分析

在注浆堵水前，顶板出水量达80 m3/h，随着3个探煤钻孔如双液浆的进展，顶板出水量日趋减小。注浆1周后，经现场实测，发现1122工作面机巷顶板出水量基本消失，至向下施工近100 m后也未发现突水量增加的迹象，且涌水量也急剧减小到5 m3/h。工程实践表明，本次顶板注浆堵水工程达到预期目的。

6 结论

1)本次注浆堵水能够堵住1122工作面机巷的高压力断层破碎带裂隙水，关键在于对突水点位置判断准确，注浆堵水设计切合现场实际，现场注浆工艺合理，施工措施妥当。

2)本次机巷顶板注浆堵水成功，为1122工作面机巷的综掘快速掘进提供了保障，节约抽水费用200余万元，也为今后遇到类似的断层或者其他构造带的突水提供了理论依据及现场实践经验。

3)对于新建矿井来说，地质资料不很完整，必须要高度重视地质构造给现场施工带来的影响与隐患，尤其是在富含水的构造破碎带中施工，必须加强水源的防治，提高水灾的预警能力。

［1］卢全生.煤层顶板注浆堵水技术实践［J］.煤矿安全，2009(6):40－43.

［2］陈 轲，王增光.地面注浆堵水技术在矿山建设中的应用［J］.中国矿山工程，2009，38(1):36－37.