巷道掘进过导水断层防治水技术研究

曹宽坚

（山西焦煤汾西矿业贾郭煤矿，山西 沁源 046500）

引言

水害是煤矿采掘作业中主要安全风险，根据有关统计资料显示，矿井生产过程中出现突水多与导致地质构造相关[1-2]。其中断层、陷落柱等由于内部裂隙发育、破碎，若含水层连通，往往是较好的导水通道，特别是采掘作业面无计划揭露导致地质构造时，往往面临较大的安全风险[3-6]。注浆加固、封堵等或者疏排等措施是防治水工作开展的主要技术方法[7-8]。以山西某矿2503 运输巷掘进过导水断层为工程实例，提出采用帷幕注浆方式对导水裂隙进行封堵，为巷道安全掘进创造良好条件。

1 工程概况

山西某矿现阶段生产主要集中在2#煤层，煤层埋深420 m、厚度5.8 m，全区可采，赋存稳定。2503 运输巷沿2#煤底板掘进，围岩用锚网索支护，在正常地质条件下掘进、支护时，围岩始终保持稳定，顶板及煤壁等未出现渗水情况。在巷道与DF21 断层相距30 m时，施工的超前探测钻孔出现涌水情况，同时顶板出现渗水，但是渗水量较低，为确保巷道围岩稳定在原有支护措施上增加架棚支护；在掘进距DF21 断层10 m 时顶板渗水量及围岩变形量均有所增大。巷道与导水断层位置示意图，如图1 所示。

图1 巷道与导水断层位置示意图

2#煤层水源为上覆粗粒砂岩裂隙含水层，煤层与含水层间的泥岩、粉砂岩隔水水隔水效果较好。2#煤层顶板裂隙水富水性中等，若采用疏排方式进行疏排，则面临疏排时间长、影响巷道掘进。为此，在布置疏排钻孔降低涌水量同时采用帷幕注浆方式对巷道影响范围内导水裂隙进行封堵，确保巷道掘进安全。

2 防治水技术

依据2503 运输巷与导水断层实际情况以及煤层上覆裂隙水富水情况，为降低涌水给巷道掘进影响并提高巷道掘进效率，提出采用帷幕注浆方式对巷道影响范围内导水裂隙进行封堵并加固断层破碎带内围岩强度，给巷道掘进创造良好条件并控制过断层期间围岩变形量[9]。

2.1 深孔帷幕注浆方案

在2503 运输巷掘进前方存在有DF21、DF22 两个导水断层，断层水平间距为40 m 左右，断层距离相对较近，通过一次注浆即可实现两个断层导水裂隙封堵以及破碎煤岩体加固。

在2503 运输巷掘进迎头后方15 m、20 m 位置施工2 个钻场，在钻场内施工注浆钻孔，实现巷道掘进轮廓线外10 m 范围内破碎煤岩体得以注浆加固。通过施工钻孔可在巷道外形成10 m 以上的注浆加固范围。钻孔注浆半径按照2.5 m 设计，注浆压力为3 MPa，具体钻孔布置，如图2 所示。

图2 钻孔布置示意图

钻孔施工时先用Φ127 mm 钻头施工2 m，在孔内装入Φ108 mm、长2 070 mm孔口管；后采用Φ89 mm 钻头钻进至设计孔深，钻深80 m；钻孔施工完成后，孔口管法兰盘与托盘采用螺栓连接，将Φ25 mm 高压管与快速接头连接，开启注浆泵进行注浆。具体注浆钻孔结构，如图3 所示。

图3 钻孔结构图

2.2 注浆封堵材料

注浆封堵材料不仅影响注浆效率，而且对围岩注浆加固效果以及导水裂隙封堵效果等有显著影响。2503 运输巷在接近至断层附近时即开始出现渗水、围岩变形量大等问题，表明在导水断层影响范围内煤岩体内裂隙发育、承载能力较差，为此在巷道注浆时综合使用裂隙封堵、围岩加固两种材料，先采用水泥-水玻璃浆封堵导水裂隙后采用封堵纳米材料提高破碎煤岩体强度以及承载能力。通过两种注浆材料综合应用，提高导水断层裂隙封堵能力以及破碎煤岩体强度。具体选用的注浆材料优缺点对比情况，如表1 所示。

表1 材料性能对比表

钻孔注浆量直接导水裂隙封堵效果以及围岩加固效果，具体单孔注浆量可通过公式（1）计算：

式中：R 注浆钻孔有效扩散半径，m；L 注浆长度，m；n注浆加固范围内煤岩体孔隙率，%；α 浆液在裂隙中扩展系数，无量纲；η 注浆浆液消耗系数，无量纲。根据现场实际条件，取R=2.5 m、L=80 m、n=4%、α=0.9、η=1.1，计算求得Q=62.2 m3。

3 防治水效果分析

在2503 运输巷掘进过DF21、DF22 导水断层期间，采用深孔帷幕注浆方式对巷道掘进轮廓线外10 m范围内封堵导水裂隙并加固煤岩体强度，配合前期采用的疏排水钻孔，可有效降低巷道掘进过导水断层期间涌出量以及围岩变形量。

采用深孔帷幕注浆后，巷道过断层期间涌水量控制在3.0 m3/h 以内，涌水基本不会给巷道掘进以及围岩支护带来制约；同时采用表面喷浆后涌水基本消除。过断层期间综合采用架棚、锚网索以及表面喷浆方式，巷道顶底板、两帮最大变形量分别控制在45 mm、32 mm 以内，变形量整体较小。

4 结语

2503 运输巷掘进前方存在有DF21、DF22 导水断层，上述2 个断层与煤层上覆砂岩含水层连通，具有一定导水性。若采用超前疏排方式进行疏排，虽然可实现巷道安全掘进，但是存在疏排时间长、制约巷道掘进效率。为此，提出综合使用超前疏排+帷幕注浆方式进行防治水。

在距离导水断层一定距离，施工超前疏排钻孔对断层水进行疏排，降低水头压力以及含水量；采用帷幕注浆方式对巷道掘进轮廓线外10 m 范围封堵导水裂隙并对破碎煤岩体进行加固。依据现场条件对注浆钻孔布置方案以及注浆材料等进行确定。

通过帷幕注浆加固后，巷道掘进至断层影响范围内涌水量控制在3.0 m3/h 以内；同时采用锚网索、架棚、表层喷浆围岩支护措施后，巷道顶板基本不出现淋水情况，顶底板、两帮最大变形量分别控制在45 mm、32 mm 以内，变形量整体较小，表明现场采用的防治水技术取得较高的效果，可确保巷道掘进安全并控制围岩变形。