强富水弱胶结含水层下巷道掘进防治水技术

赵宝峰，马莲净，王清虎，曹海东，李盼盼

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710064；3.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710064；4.神华宁夏煤业集团有限责任公司麦垛山煤矿，宁夏 银川 750011)

我国煤炭资源丰富，其中西部侏罗纪煤炭资源储量约占60%，包括5个亿吨级煤炭基地和55个千万吨级矿井，已成为我国能源供给的重要保障。侏罗纪煤田普遍赋存侏罗系、白垩系及第四系等煤层顶板含水层，随着对侏罗纪煤炭资源的进一步开发，顶板水害也呈现出日趋频发的趋势[1]。据统计，掘进巷道是发生水害事故的主要地点，约占较大水害事故的80%左右[2]，特别是在顶板存在厚度大、富水性强、胶结较差的含水层时，巷道在掘进过程中同时面对顶板水害和顶板支护两大难题。

根据《煤矿防治水规定》要求，矿井受水害威胁的区域在进行巷道掘进前，应当采用物探、化探和钻探等方法查清水文地质条件，并采取相应的探放水措施。国外针对富水软岩条件下巷道掘进防治水的研究主要围绕水与岩石相互作用的理论方面和室内试验，如T.Heggheim等研究了海水、乙醇及不同浓度的盐水对灰岩力学性质和微观结构的影响，认为水中的离子会使灰岩的矿物成分和结构发生变化[3]；S.W.J.Den等利用对高温和含水条件下的砂岩进行不同加载速率研究砂岩中微裂隙的变化，认为温度对砂岩的裂隙发育具有显著影响[4]；J.Hadizadeh等利用对砂岩在不同围压及应变速率环境下的岩石强度测定来研究水对砂岩的软化作用，提出砂岩的形态、胶结物成分及孔隙对水均具有影响作用[5]。国内针对富水软岩条件下的巷道掘进防治水主要采用常规钻孔超前探放水，可以有效探明掘进前方的构造、老空区和富水异常区等，但是对于巷道上方存在强富水弱胶结含水层，并且巷道直接顶板隔水层较薄的情况下，单一手段无法解决探放水与巷道支护的问题。长距离定向钻探技术在奥灰水防治[6，7]、探查地质异常体[8]、老空水探放[9]、断层注浆[10]等方面应用较多，具有明显的优势。底板含水层注浆改造是东部矿区受奥灰水威胁矿井常用的水害防治方法[11]，注浆锚固技术普遍应用于大硐室开掘[12]、松软煤巷支护[13]、巷道底臌治理[14]和沿空留巷[15]中，而U型钢棚在软岩巷道支护和修复中效果显著[16]。针对复杂水文地质与工程地质条件下的巷道掘进防治水与支护难题，采用长距离定向钻探技术对顶板含水层进行条件探查与疏放，再利用钻孔和锚杆注浆对顶板含水层中的裂隙进行充填、改造，封堵巷道的充水通道，最后利用U型钢棚对顶板局部破碎的区域进行加固，最终实现巷道的安全掘进。

1 矿井及工作面水文地质条件

1.1 矿井及水文地质条件

宁东煤田是我国批准建设的14个亿吨级大型煤炭基地之一，包括鸳鸯湖、马家滩、灵武等矿区，麦垛山煤矿位于鸳鸯湖矿区南部，设计产量8.00Mt/a，是神宁集团下属的主力生产矿井。井田先期开采煤层为侏罗系延安组2煤和6煤，目前，2煤的大巷已经掘进完毕。

2煤的主要充水水源包括上覆直罗组下段含水层(简称Ⅱ含水层)和1—2煤间延安组含水层(简称Ⅲ含水层)，Ⅱ、Ⅲ含水层岩性主要为灰绿、蓝灰、灰褐色的中、粗粒砂岩，夹少量粉砂岩和泥岩，局部含砾，砂岩的成熟度较低，分选性差，接触式胶结为主。砂岩底部含石英小砾石，泥质胶结、颗粒支撑，胶结程度较差，松散—较松散，锤击易碎。

根据地质勘探及水文地质补充勘探资料，Ⅱ、Ⅲ含水层不仅富水性较强，并且胶结性较差，2煤巷道在掘进过程中同时面临着顶板含水层和支护的难题。2煤大巷在掘进过程中发生过5次规模不等的集中涌水现象，结合现场地质资料分析，主要是由于巷道距离顶板含水层较近，顶板弱胶结岩层在裂隙、锚杆和锚索的作用下遇水松散，造成水砂溃涌，严重影响了2煤采掘活动的安全和矿井的正常生产接续。

1.2 工作面及水文地质条件

110207工作面作为2煤的首采工作面，煤层平均厚度为3.75m，顶板Ⅱ、Ⅲ含水层厚度分别为71.72m和12.83m，是影响和威胁2煤采掘活动的主要含水层，根据在2煤大巷开展的放水试验成果，Ⅱ、Ⅲ含水层渗透性和富水性较强，Ⅱ、Ⅲ含水层水文地质参数见表1。

表1 Ⅱ、Ⅲ含水层水文地质参数一览表

110207工作面顶板煤岩层对比如图1所示，从图1中可以看出110207工作面巷道距离Ⅱ含水层16.32～35.06m，巷道掘进产生的围岩松动圈和锚杆、锚索均影响不到Ⅱ含水层，因此，掘进期间面临的主要水害威胁来自Ⅲ含水层。工作面切眼附近(1802和1902钻孔)及中部(1602和1702钻孔)2煤顶板直接隔水层较薄(0.50～10.60m)，并且Ⅲ含水层较厚(13.57～25.40m)，巷道在掘进过程中势必会对Ⅲ含水层造成扰动，存在顶板水害的隐患。

图1 110207工作面顶板煤岩层对比图

110207工作面巷道掘进过程中水害威胁严重的区域主要位于工作面切眼和中部，顶板水防治和巷道支护存在以下几个难点：①巷道直接顶板隔水层较薄，常规探放水钻孔难以施工，大仰角钻孔无法下设止水套管，小仰角钻孔则易对顶板造成破坏；②顶板弱胶结岩层在裂隙、锚杆或锚索作用下稳定性变差，难以支护；③巷道掘进过程中顶板弱胶结岩层易形成离层空间，蓄水后常诱发顶板事故。

为了保障110207工作面巷道的安全掘进，拟采用定向钻探技术探查巷道顶板Ⅲ含水层的富水异常区，并对富水异常区进行顶板水疏放，对局部隔水层较薄的区域采用“注浆锚固+U型钢棚”支护技术，针对局部破碎带淋水较大的区域采用钻孔注浆，对顶板进行含水层改造和加固。

2 强富水弱胶结含水层下掘进巷道防治水技术

2.1 掘进巷道顶板含水层水文地质条件探查

2.1.1 长距离定向钻探

为了有针对性地制定巷道掘进期间的防治水措施，需要探查110207工作面巷道顶板Ⅲ含水层的富水异常区及局部裂隙发育程度，采用长距离定向钻探技术对掘进头前方顶板Ⅲ含水层水文地质条件进行探查。长距离定向钻孔开孔位置位于11采区2煤辅助运输巷，初步设计2个钻孔，分别为FY1-1和FY1-2，平面上沿110207工作面机巷和辅运巷掘进方向施工，长距离定向钻孔布置如图2所示，垂向上位于Ⅲ含水层，长距离定向钻孔剖面如图3所示。

图2 长距离定向钻孔平面图

图3 长距离定向钻孔剖面图

2.1.2 巷道顶板含水层水文地质条件探查成果

长距离定向钻孔FY1-1和FY1-2在施工过程中对其水量进行了实时观测，长距离定向钻孔水量与孔深相关关系如图4所示，从图4中可以看出，随着钻孔施工距离的增加，其涌水量也是随之增加的，其水量随孔深的变化曲线较为一致，在孔深75～102m处、174～216m处和363～501m处存在3个相对富水区。

图4 长距离定向钻孔水量与孔深相关关系

2.2 掘进巷道顶板水疏放

长距离定向钻孔水量历时变化曲线如图5所示，由图5可知，施工的长距离定向钻孔FY1-1和FY1-2初始水量分别为150m3/h和160m3/h，当FY1-2钻孔施工完毕后，FY1-1钻孔水量迅速减小，说明巷道顶板Ⅲ含水层连通性较好。FY1-2钻孔水量前期衰减较快，然后衰减速度减慢，最后逐渐趋于稳定，稳定水量约为25m3/h，说明长距离定向钻孔疏放的Ⅲ含水层静储量有限，与Ⅱ含水层存在一定的联系，但是接受的水量补给有限。

图5 长距离定向钻孔水量历时变化曲

由于巷道宽度相比工作面较窄，其上方的长距离定向钻孔对含水层向巷道内径流的地下水具有较好的截流作用，并且钻孔位于巷道顶板10～20m之间，一方面减少了巷道内锚杆、锚索的淋水现象，另一方面由于巷道顶板10m范围内含水层水量补给较小，给弱胶结巷道的支护创造了有利条件。

2.3 掘进巷道顶板加固技术

2.3.1 巷道顶板钻孔注浆加固

由于延安组1—2煤间含水层胶结程度较差，在2煤大巷掘进期间曾发生多次集中出水，主要是由于局部区域顶板存在裂隙，在较大淋水的作用下，使得顶板岩层出现离层、破碎、下沉，最终形成冒顶或突水溃砂。为了防止顶板局部裂隙发育或破碎区域发生水害事故，采用注浆的方式，对巷道顶板进行加固改造。

图6 巷道顶板注浆孔平面图

根据长距离定向钻孔FY1-1和FY1-2对Ⅲ含水层的探查结果，在孔深75～102m处存在一个相对富水区，加之此处施工巷道较多，顶板受到的扰动较大，需要对其进行注浆加固。巷道顶板注浆孔平面布置如图6所示，注浆孔开孔位置位于11采区2煤辅运大巷，终孔位于1#机辅联络巷上方6～10m处，具体位置如图7所示，设计7个注浆孔，4个检验孔。选用P.O42.5普通硅酸盐水泥作为主要注浆材料，注双液浆时，选用水玻璃的模数为2.4～2.8，浓度为30°～45°Bé。施工阶段单液浆水灰比选择范围为：1∶0.8～1∶1.2，终孔涌水量较大的钻孔初期注浆水灰比为1∶1.2，当注浆压力升高至1.5MPa以后，浆液水灰比逐渐降低至1∶0.8；其他终孔涌水量较小的钻孔注浆水灰比为1：0.8～1∶1。钻孔注双液浆时水灰比为1∶0.8，加入5%水玻璃，注浆终压为3MPa。

图7 巷道顶板注浆孔终孔位置剖面图

2.3.2 巷道顶板锚杆注浆支护

注浆锚固技术在矿山和岩土工程中的应用日益广泛，特别是在软弱岩层支护中效果显著，其实质上是将锚固和注浆技术相结合，利用中空的锚杆(索)兼做注浆管，在全长锚固的同时，利用注浆材料改变围岩的性质，提高围岩的完整性和轻度，来达到稳定支护巷道的目的。

110207工作面巷道在掘进至直接顶板隔水层较薄区域，采用高强度中空注浆锚杆与高性能锚杆相结合的组合控制方案。Ф25mm×2500mm中空注浆锚杆的间排距1000mm×1600mm，巷道顶部1排布置5个，Ф22mm×2400mm螺纹钢锚杆的间排距800mm×1600mm，锚杆采用全长锚固方式，安装后施加高预紧力，并辅以钢带及钢筋网，具体注浆锚杆支护方案如图8所示。在不影响掘进作业的前提下尽快对锚杆注浆，注浆材料采用P.O42.5水泥，加入水泥重量8%的添加剂，水灰比为1∶3。

图8 注浆锚杆巷道支护方案(mm)

2.3.3 巷道顶板U型钢棚支护

在掘进巷道的局部区域，由于顶板胶结性差，并且淋水严重，直接采用钻孔和锚杆注浆会加剧顶板破碎，可以采用先行架设U型钢棚，然后再对顶板进行注浆改造、加固。U型钢棚巷道支护方案如图9所示，其中钢棚由2个棚腿和1个棚梁，及卡子和拉环等组成。拉环采用25#钢管制作，长100mm，焊接在棚腿上；拉杆采用Ф22mm的螺纹钢锚杆制作，长940mm，插入拉环内70mm。U型钢棚卡子采用16mm钢板通过热压成型。每架钢棚的棚腿上用10mm厚钢板焊接200mm×200mm×10mm柱鞋，螺帽采用M24标准型号。

图9 U型钢棚巷道支护方案(mm)

2.4 掘进巷道综合防治水效果

通过长距离定向钻孔对110207工作面掘进巷道前方顶板含水层的富水性进行了探查，同时利用FY1-1和FY1-2钻孔对顶板水进行了预疏放，减少了巷道掘进期间的涌水量；对局部富水的巷道顶板采用注浆加固，封堵了导水通道，避免了水砂溃涌；针对局部巷道顶板隔水层较薄的区域采用“注浆锚固+架设U型钢棚”支护技术，对巷道顶板弱胶结岩层加强支护。

2煤大巷长度约2900m，在掘进过程中几个集中涌水点总涌水量235m3/h，水害和顶板事故频发，110207工作面巷道在掘进过程中通过采用综合防治水技术，截止巷道掘进至1200m时总涌水量小于10m3/h，并且未发生水害和顶板事故，说明所采取的综合防治水技术措施对于强富水弱胶结含水层下巷道掘进具有显著的效果。

3 结 论

1)强富水弱胶结含水层下巷道采用定向钻探技术掩护掘进，工程量少、疏放水效果好、下设止水套管方便，可以有效解决巷道掘进过程中涌水量过大的问题，同时为弱胶结顶板巷道的支护创造了有利条件。

2)采用钻孔和锚杆对局部顶板含水层进行注浆改造、加固，可以有效增加巷道顶板隔水层的厚度，在辅助减小巷道涌水量的同时对巷道顶板进行了加固。

3)U型钢棚对于大面积顶板较为破碎的巷道具有较好的支护作用，同时配合顶板注浆加固，可有效解决弱胶结顶板巷道的支护问题。