浅埋煤层巷道过沟探查及治理技术

杨 帆，姬中奎，薛小渊，张 池，任智智，罗安昆，杨 柳，高 幸，常宝天

（1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西神木 719316；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077；4.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054）

陕北矿区煤层厚煤质优良，开采条件简单[1-2]，但陕北地区沟谷发育，煤层埋藏浅上覆基岩薄，掘进巷道和回采工作面不可避免存在过沟问题[3-4]，沟谷处大气降水、地表水、顶板水均是制约矿井安全生产的客观因素，必须结合实际地质及水文地质条件进行相应的探查与治理，确保安全生产[5]。

面对工作面过沟回采存在的问题，侯恩科[6]、蒋泽泉[7]、方刚[8]、王庆雄[9]等多位学者从不同角度提出了相应的防治措施和方法，目前相关学者的研究多集中于对淋水巷道围岩应力分布及变形破坏研究[10]、巷道支护[11]、井下注浆加固和堵水[12-15]等方面，均为巷道掘进揭露异常后采取的相关措施，未进行超前探查与治理方面的研究。为此，以张家峁煤矿3 条巷道过老来沟掘进为例，通过采用多种探查手段，进而采取“地面超前注浆+河道修复+井下补充治理”的方法进行了综合治理，为类似薄基岩浅埋煤层巷道过沟探查治理提供了重要的参考。

1 研究区概况

张家峁煤矿水库南部4-2煤14213 工作面辅运巷、运输巷和14214 工作面回风巷均需穿过老来沟沟底进行掘进，过沟段井上下对照图如图1。

图1 过沟段井上下对照图Fig.1 Comparison of the upper and lower wells of the cross-ditch section

L2 钻孔简易柱状图如图2。位于14214 回风巷上方的L2 钻孔表明，4-2煤厚度4.05 m，埋深13.03 m，煤层顶板新鲜基岩厚度只有6.14 m，风化基岩厚度为6.59 m。

图2 L2 钻孔简易柱状图Fig.2 Simple histogram of L2 drilling

老来沟为井田内主要的河流之一，常年性泉水流量约60 m3/h，主要补给下游的常家沟水库，此外从红柳林井田内芦草沟中引水补给常家沟水库，而输水隧道出水口位于本次过沟巷道上方，水量约200 m3/h。

结合水文地质资料及现场踏勘情况，L2 孔并不是现老来沟的沟底最低处，由于神木地区沟谷切割深度大，在煤层顶板新鲜基岩厚度薄、甚至煤层也可能被风化的情况下，4-2煤3 条巷道的掘进中均面临着巷道顶板淋水突水甚至垮顶溃砂的风险，同时对巷道顶板的地表河道环境造成一定的影响。因此，必须提前开展相关探查工作，查明过沟掘进段4-2煤顶部覆岩结构、基岩风化程度、新鲜基岩厚度和风化带水文地质特征，保证巷道安全掘进，同时保护地表水水资源。

2 过沟段覆岩探查

2.1 探查方案

根据过沟段覆岩结构和特征，探查中采用的方法手段包括钻探、压水试验、水质全分析风化程度鉴定、钻孔录像。

1）钻探工程。14213 工作面运输巷、辅运巷和14214 回风巷3 条巷道平面距离分别为19、21 m，结合地形等高线图及现场施工条件，3 条巷道分别由西向东沿巷道中心线位置以9 m 的孔间距进行布设钻孔，其中14213 工作面运输巷中心线布置6 个探查孔，14213 工作面辅运巷和14214 回风巷中心线布置8 个探查孔，共布置22 个探查孔。探查孔终孔进入新鲜基岩或新鲜煤层以下2 m，终孔直径要求不低于φ91 mm，钻孔一开孔径φ127 mm，孔口管长度4 m，全孔取心。

2）压水试验。压水试验不仅可用来测定地下水位以下的岩体渗透性能，还可用来测定地下水位以上的岩体渗透性能。压水试验采用自上而下的分段压水试验。结合前期钻探探查结果，对具有代表性的钻孔进行压水试验。

3）水质全分析。通过选取钻孔水、地表水进行水质全分析，分析地表水与风化基岩水二者之间的水力联系及循环径流条件。

4）风化程度鉴定。岩石风化程度的定性划分是指从岩石的结构、矿物成分、掘进难易程度、破碎的程度等野外特征进行综合分析确定，受人的经验和主观因素的影响较大。按照岩石风化的特征和深浅，根据GB 50218—2014《工程岩体分级标准》[16]将风化程度分为5 级：未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化。

5）钻孔录像。钻孔录像适用于工程地质、水文地质、地质找矿、岩土工程、矿山等多个行业，本次探查工程利用钻孔录像仪来观测钻孔中风化基岩和正常基岩的各种特征及细微构造，如岩性、岩石结构、裂隙、破碎程度等，同时可与岩心结合辅助编录岩心柱状图。设计所有钻孔均进行钻孔电视工作，以此来查明过沟段巷道顶板岩石风化破碎程度。

2.2 探查结果

根据钻探揭露和岩心鉴定，4-2煤层厚度4～4.58 m，平均4.2 m；4-2煤层埋深10～15.8 m，平均13 m；顶板新鲜基岩厚度0～10.4 m，平均5.6 m；风化基岩厚度2～12.2 m，平均5.6 m；4-2煤层顶板与风化基岩间距0～13.4 m，平均5.6 m。据此绘制的4-2煤层与风化基岩间距等值线图如图3。

图3 4-2 煤层与风化基岩间距等值线图Fig.3 Contour map of the distance between 4-2 coal seam and weathered bedrock

由图3 可知，在过沟段西北区域煤层与风化基岩之间的间距已不足7 m，由南向北整体上风化基岩厚度越来越厚，4-2煤层顶板新鲜基岩越来越薄，且沿沟谷方向，煤层顶板风化强度由微风化到中等风化程度；结合钻孔窥视、压水试验等结果，沿着沟谷方向，风化基岩裂隙发育、渗透性较好。从水质类型来说，多数以HCO3-Ca 型为主，且矿化度低，表明地下水循环径流条件好。

通过探查结果可知，巷道支护时7 m 长的锚索必然会进入风化带，导通风化基岩含水层水，进入井下；其它区域虽煤层顶板风化程度较低，但从钻孔窥视结果来看，其顶板岩石在部分区域破碎、裂隙发育。因此，考虑围岩可能失稳、锚索导通风化带水，地表水补给风化带水等不利因素，必须对3 条巷道过沟段风化带进行注浆加固和堵水注浆，同时，对地面河道进行修复治理，杜绝地表长流水溃入井下，以达到巷道安全掘进和保护地表水的目的。

3 治理工程

3.1 技术思路

3.1.1 治理思路

根据探查情况分析可知，3 条巷道过沟段顶板超前治理包括2 项内容：其一是顶板风化裂隙堵水；其二是顶板围岩加固。治理思路如下：

1）进行地面超前注浆治理。注浆堵水及加固的思路如下：①煤层顶板新鲜基岩厚度不足7 m 时，需对基岩风化带及新鲜基岩1 m 内段进行全段堵水注浆；煤层顶板有7 m 以上新鲜基岩时（7 m 长锚索不会触及风化带出水），此时可以不进行堵水注浆；②所有需要堵水注浆的钻孔，孔口管以下层段均进行加固注浆；若煤层顶板岩层已被风化，在注浆堵水的同时，要考虑注浆对顶板风化带进行加固；③各巷道煤层顶板新鲜基岩厚度不足、围岩可能失稳时需要对基岩风化带进行加固注浆，注浆段为自钻孔孔口管以下至新鲜基岩下1 m。

2）进行地面河道修复治理。对地表环境进行修复，加固河床，避免长流水溃入井下。

3）巷道掘进后若井下仍有淋水，则进行井下注浆堵水加固。

综上，治理方案采用掘进前“地面超前注浆堵水加固+地面河道修复治理”，掘进后井下补充注浆治理，多重手段保障巷道安全掘进，顶板治理工程技术路线图如图4。

图4 顶板治理工程技术路线图Fig.4 Technical roadmap of roof treatment engineering

3.1.2 钻探注浆工程

考虑到巷道平面宽度和浆液扩散距离等因素，平面上沿巷道断面布置3 排钻孔，在巷道中心线及两帮各布置1 排，排距3 m，为保证注浆治理及加固效果，孔间距同样为3 m，注浆孔按正方形进行布置，注浆孔布置示意图如图5。

图5 注浆孔布置示意图Fig.5 Schematic diagram of grouting hole layout

注浆孔为垂直孔，从地面开孔，终孔进入新鲜煤、岩层（含煤层）以下2 m，钻孔一开孔径φ127 mm，下入φ108 mm 套管，套管进入基岩的长度不低于4 m，钻孔裸孔段直径φ91 mm。

由于风化带裂隙一般较小，风化带裂隙的可注性不明，本次注浆材料依次优先采用普通硅酸盐水泥PO42.5、超细水泥和环氧树脂等注浆材料，在上1种注浆材料注浆效果不好的情况下，可以采取下1种注浆材料。单孔水泥浆（含超细水泥浆）注浆采用分段下行式注浆法，环氧树脂采用化学浆注浆法。单回次注浆起压等凝后，需进行扫孔再注浆，若能吃浆还需继续注浆，然后再扫孔，如此反复，直至扫孔后不吃浆停止单孔注浆。注浆前先进行压水，压水压力采用1 MPa，持续30 min，注浆中若吃浆量小，可用稀浆进行注浆。

单液水泥浆（含超细水泥）采用3∶1～1∶1 的水灰比配比，密度约1.2～1.5 t/m3，密度小的浆液在开始注浆时采用，浓度大、密度大的浆液在二次注浆或吃浆量大及注浆结束时选用。化学浆浆液配制：按高渗透环氧:固化剂=100∶（8～12）的质量比，将固化剂倒入高渗透环氧浆液中充分搅拌，即可用灌浆泵进行灌浆，浆液灌满后，保持压力段时间，密切注意灌浆压力的变化，防止爆管。

终孔注浆压力暂按2 MPa 控制，当注浆泵泵量为60 L/min 时，将孔口注浆压力稳定在2 MPa、能够持续30 min 后即达到注浆结束标准。井下注浆堵水工程参照文献［12］中相关设计执行。

3.1.3 地面河道修复

在保持原有泄洪标准的基础上进行河道治理。主要包括：堤岸挡墙、河床加固、砌石护岸、原有排洪渠道修复与疏通等。同时充分利用修整好的水渠，分别在过沟段水渠上游和下游安装地面遥测仪对过沟段上游和下游的水位、流量进行长期监测。

3.2 治理结果

3.2.1 地面注浆

本次地面注浆孔布设以设计为依据，结合探查情况和施工现场等因素，遵循动态设计、信息化施工的动态管理原则，满足巷道安全掘进和减少淋滴水的原则，前期探查孔亦为治理工程的注浆孔。共完成63 个注浆孔，4 个检查孔，地面注浆孔平面布置图如图6。

图6 注浆孔平面布置图Fig.6 Layout of grouting holes

根据注浆工程的技术需要，在完成一次注浆后，因注浆压力或单位时间内注浆量未达到设计注浆结束标准，或由于窜浆、注浆量过大等原因而人为停注后，扫孔后进行了二次注浆。本次地面注浆工程严格按照设计施工，共计注入水泥339 t，化学浆1.6 t。

各注浆孔注浆时存在跑浆、串浆情况。例如14213 运输巷ZA5 注浆时，跑浆至与之相邻的ZA1、ZA2 两钻孔，ZA4 注浆时跑浆至B2、ZB4、ZB3、水渠，ZC5 注浆时跑浆至ZB4、ZC4、C2、C3、ZC2、ZC3、水渠；部分钻孔注浆时跑浆至水渠处，说明局部区域风化裂隙与水渠相通，接受其补给。

对某钻孔注浆时，观测注浆孔周围相邻巷道旁边钻孔跑浆、串浆现象，对未注浆、但串浆的钻孔扫孔后进行了高清录像工作，未注浆钻孔（跑浆）钻孔电视如图7。例如，ZA4 注浆时，浆液已从B2 孔流出，而此时B2 孔还未注浆，利用高清录像仪对B2孔进行观测，发现其原有裂隙已被浆液充填（图7（a））；同样ZC5 注浆时，浆液已从C3 孔流出，从C3孔钻孔电视结果来看，在未注浆情况下，原有裂隙已基本被浆液凝固体所充填（图7（b））。因此，说明在过沟区域西南部风化裂隙连通性好，浆液扩散距离较远，可注性好，从未注浆钻孔的高清成像可以看出地面注浆起到了对风化带裂隙加固充填作用。

图7 未注浆钻孔（跑浆）钻孔电视Fig.7 Ungrouted borehole drilling TV

注浆结束后，施工了4 个检查孔，从钻孔录像来看，风化带原有裂隙已基本被浆液凝固体所充填，从压水试验来看，风化带中已无法压入水。说明本次注浆效果良好，对风化带裂隙进行了充填与加固，达到了预期目的。从3 条巷道注浆情况来看，与前期探查情况一致，在巷道过沟区西北方向风化裂隙发育，沿沟谷区域风化程度越强、渗透性和可注性较好。

3.2.2 井下注浆

根据掘进计划安排，14213 辅运巷和运输巷过沟段已顺利掘进。14213 运输巷在过沟段顶板有淋、滴水现象，水量整体不大于10 m3/h，14213 辅运巷在过沟后顶板有淋、滴水现象，水量约15 m3/h，因此转入井下进行补充治理，参照文献［12］中相关方案，经治理后，2 条巷道淋滴水现象得到有效控制，总水量小于3 m3/h。

3.2.3 地面河道修复

首先沿老来沟河道中线进行河道疏浚，河道疏浚宽度30 m，底部以河床最低点为准。疏浚产生的土石方直接堆放于两岸。共修改堤岸挡墙4 条，其中河道左右两侧各2 条，均采用C25 素砼浇筑。

河床加固长度55 m，宽度20～30 m。河床底部下层布设250 mm 厚C25 素砼垫层，上层布设150 mm 厚C25 钢筋砼底板。芦草沟输水隧道自河道底部通过，在输水隧道下游侧布设C25 素砼防坝，长度35 m，顶宽度500 mm，面坡1∶1，背坡1∶0.5，高度1.5 m，基础埋深1 m，嵌入稳定地层。

修建砌石护岸1 条，长度35 m，高度1.8 m，顶宽300 mm，面坡1∶1，基础埋深500 mm。M7.5 水泥砂浆砌筑，M10 防水水泥砂浆勾缝、抹面。

同时利用修整好的原芦草沟输水涵洞水渠和河床底部中线修建的排水渠分别在合适位置安装地面遥测仪，对输水涵洞水量和老来沟水位进行长期监测。过沟段河道修复治理前后对比图如图8。

图8 过沟段河道修复治理前后对比图Fig.8 Comparison chart before and after restoration of the river course across the ditch

3.2.4 治理效果

经采取“地面超前注浆+地面河道修复+井下补充注浆”等技术手段对3 条巷道多方位综合治理后，14213 运输巷和辅运巷过沟段已顺利掘进，虽有出水但经井下补充注浆后效果良好。一方面避免了巷道直接掘进揭露异常后，治理与掘进冲突，影响采掘接续；另一方面从源头进行了防控，切断了地表水与风化基岩水的联系，使顶板来水可控。

4 结 语

采用钻探、岩心鉴定、压水试验、钻孔录像、水化学测试等技术手段，有效查明了浅埋煤层巷道过沟掘进段顶板覆岩结构、基岩风化程度、新鲜基岩厚度和风化带水文地质特征；浅埋煤层巷道过沟可采取“地面超前注浆+地面河道修复+井下补充注浆”等技术手段进行超前治理，避免巷道掘进揭露顶板后被动治理；实践证明：以上探查技术及治理手段效果良好，为类似条件下巷道掘进提供了重要参考。