挖金湾煤业矿井下巷道水害防治方案的应用

温小伟

（同煤集体挖金湾煤业公司，山西 大同 037003）

挖金湾煤业位于山西省大同市，是同煤集团下属的一个核心煤矿。5137 底抽巷设计长度 853m，巷道布置在 6#煤层中，采用综掘机掘进，支护方式为11#工字钢配合锚网锚索支护。2018 年12 月5137 底抽巷掘进至 305m 处时，迎头顶板及左手帮钻场底板涌水明显增大，涌水点水量 9.5m³/h，出水持续周期 16d。巷道向前掘进 420m 时巷道迎头顶板及煤壁出现不同程度淋水，初期涌水量 23m³/h，15d 后水量减小为 15m³/h。5137 底抽巷于4 月份施工顺煤层探水钻孔过程中，发生孔内涌水，随着孔内水量增大，超出巷道排水能力，发生巷道被淹事故，给煤矿井下的综采作业安全造成了较大的隐患。为了提升煤矿井下综采作业安全性，煤矿成立了安全改善小组，对5137 巷的涌水情况进行分析。结合煤矿井下实际地质条件，安全改善小组提出了建立防水闸墙、突水点封堵注浆等防治水害的技术方案[1]。根据在挖金湾煤业5137 底抽巷的实际应用表明该综合水害防治方案具有显著的效果，极大地提升了煤矿井下综采作业效率和安全性，目前已在大同煤业各矿井得到了广泛的应用。

1 防水闸墙设计

防水闸墙主要用于对井下涌水进行封堵，避免出现透水事故。结合挖金湾煤矿井下的实际情况，提出了采用防水闸墙的方案。

5137 底抽巷所采用的防水闸墙的整体结构呈现倒锥子型，防水闸墙设置时的闸门墙体的应力衰减段的长度Li、防水闸门硐室最大掘进断面积S2可分别表示为[2]：

式中：

r0-结构重要性系数，取1.1；

ri-作用的分项系数， 取 1.3；

rd-结构系数，取 2.0；

P-硐室设计承受的水压，轨道巷水闸墙P= 2.4MPa；

fi-混凝土轴心抗拉强度设计值，C25 混凝土fi= 1.3MPa。

式中：

rsd-作用不定性系数，取 2.0；

fcc-混凝土轴心抗压强度设计值，C25 混凝土fcc= 12.5MPa；

S-闸门墙前后巷道净断面积，S=11m2。

式中：

L-闸门的墙体长度，m；

L0-闸门墙体回升段长度，取 2.0～2.5m；

经综合分析，5137 底抽巷所采用的防水闸墙的长度L=7m，其他结构尺寸如图1 所示[3]。

图1 煤矿井下防水闸墙结构示意图

防水闸墙位置选择在距离涌水点后围岩稳定、相对完整、强度较高的地段。先清理巷道底板淤泥和松动岩层，清理基础深度以挖到实岩为准。排水管路铺设在距离巷道底板标高以上 0.8m、1.6m 和 2m 的三个位置，水平铺设，共计4 趟108×8mm的无缝钢管。闸墙内侧管口安装滤网，闸墙外侧管口安装有高压闸阀、压力表，外端外露墙体 0.5m，控制排水水量并监测水压，管路要每隔 300mm 焊钢筋以防滑动。

注浆管路共计铺设两组，第一组用于加固墙体间空间与围岩裂隙，第二组备用于注浆封堵涌水点。在闸墙外侧管口安装高压闸阀和压力表，外端外露墙体 0.5m，用于安装注浆孔口装置。管路要每隔 300mm 焊钢筋以防滑动。可再预埋两趟Φ108 ×8mm 无缝钢管，下斜 15°左右，安装高压阀门，为后期注浆钻孔施工做准备，对墙体内外侧巷道的四周采用 200mm 厚的混凝土加固 5m。墙体四周掏槽，深度不小于 0.2m。浇注前掏槽和刷大断面时，为使原岩体不受破坏，只能采用风镐剥离，不得使用爆破。

防水闸墙顶底板、围岩开槽完成后，需进行进一步锚杆加固，以便增加围岩强度及闸墙和围岩之间的稳定性。锚杆设计在两帮打Φ16mm×1800mm 锚杆，排距 500mm，外漏 600mm，在正式施工前应先进行锚杆的现场试验。混凝土墙体完工一周后进行注浆。对防水闸墙疏水钻孔关闭进行耐压试验，在墙体不发生渗漏水现象的情况下，压力稳定24h，符合设计要求。

2 突水点封堵注浆

煤矿井下突水点的封堵注浆工艺主要包括了钻机钻孔、注浆、扫孔、反复注浆等工序，其中钻机钻孔对封堵注浆效果影响显著。5137 底抽巷由于隔水层内构造裂隙发育，奥灰含水层富水性强，奥灰水具有一定导水高度，为确保钻探过程中的安全，底板探查孔宜采用两级套管作为孔口管。钻孔结构：开孔孔径为Φ168mm，提前下入5m 长Φ146mm 地质套管，固管扫孔后更换Φ133mm 钻头继续钻进至 15m（具体施工过程中，根据钻孔位置承受水压大小确定孔口管长度），下入Φ108mm 孔口管。固管后继续换Φ89mm 钻头钻进至终孔。钻孔结构如图2 所示。

图2 煤矿井下钻孔结构示意图

注浆的材料可以选择42.5 普通硅酸盐水泥，其质量应符合国家GB175-2007 标准[4]，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥。该矿井下注浆时选择了水泥—粉煤灰混合浆，该浆液适用于岩溶裂隙发育，但未见大溶洞、水量大于50m3/h 的钻孔。水固比 1:1～3:1，固相比（水泥∶粉煤灰）1:1～1:3，可采用连续注浆方式，但注浆时间不超过浆液的初凝时间。

注浆量可根据单个钻孔的注浆量计算公式进行计算，单孔的注浆量Q可表示为[5]：

式中：

A-浆液消耗系数，为0.12～0.15；

R-以注浆孔中心为基点的浆液有效扩散半径，取15.0m；

H-注浆段高，这里暂取注浆段高10m；

n-裂隙率，取5%；

B-浆液充填系数，为0.9～0.95；

m-浆液结石率，为0.85。

经计算10m 孔深预计单孔注浆量Q约45m3。5137 底抽巷工作面需注入16524m3水泥浆（水灰比 1:1），按 60%的有效注浆段计算，需42.5 水泥约8500t。注浆时需要特别注意每孔注浆前都要观测钻孔水量和水压，并进行单孔放水，放水时间不少于 10min，以孔内无岩粉、水变清为宜。安装注浆管路后向孔内压水，其目的是扩张裂隙，确定钻孔的吸水量，以便调整注浆参数，提高注浆效果。压入孔内的水量不少于管路总体积的2 倍，无异常变化时才可以开始注浆。

目前该井下综合防治水方案已经在挖金湾煤业5137 巷进行了实际验证，根据对优化后情况的跟踪监控，在整个综采作业期间未再出现过涌水事故，极大地提升了煤矿井下综采作业的安全性，而且确保了井下综采作业的连续性。综采作业效率提升12.1%以上，得到了集团的高度认可。

3 结论

本文针对挖金湾煤业5137 底抽巷在综采作业过程中出现涌水，严重影响煤矿井下综采作业安全的情况，结合井下实际地质条件，提出了建立防水闸墙、突水点封堵注浆等防治水害的技术方案，根据在挖金湾矿的实际应用表明：

（1）防水闸墙位置选择在距离涌水点后围岩稳定、相对完整、强度较高的地段，且注浆管路共计铺设两组，第一组用于加固墙体间空间与围岩裂隙，第二组备用于注浆封堵涌水点。

（2）注浆的材料可以选择42.5 普通硅酸盐水泥，注浆时可选择水泥—粉煤灰混合浆料，水固比 1:1～3:1，固相比（水泥∶粉煤灰）1:1～1:3。

（3）采用防水闸墙、突水点封堵注浆综合封堵方案，能够有效地降低井下出现突水的概率，提升煤矿井下综采作业的安全性和稳定性。