构造破碎带大巷顶板淋水注浆封堵技术_张江利.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 构造破碎带大巷顶板淋水注浆封堵技术 张江利 （山西晋煤集团技术研究院有限责任公司， 山西 晋城 048000） 摘要 针对赵庄二号井西轨大巷构造破碎区巷道围岩变形、 喷浆层开裂、 顶板淋水的问题， 通 过分析巷道顶板淋水来源和围岩结构特征， 提出了该巷道淋水封堵原则， 并通过现场试验的方 法， 对大巷围岩顶板和巷帮封堵注浆施工顺序、 注浆钻孔管路固定、 封孔工艺以及注浆压力等技 术工艺进行了分析。工业试验表明 巷道围岩浅部节理裂隙通过构造裂隙与巷道顶板裂隙含水 层导通， 是形成巷道顶板淋水的原因。提出了 “先帮后顶， 帮部由下向上， 顶板先两侧后中间” 的 累积注浆施工工艺， 确定该巷道顶板注浆压力为 2～4 MPa， 巷帮注浆压力为 4～6 MPa。 关键词 构造破碎带； 大巷； 顶板淋水； 注浆封堵； 注浆压力； 矿井水害 中图分类号 TD745.26文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0075-04 Water-spraying Grouting Technique for Roof of Roadway in Structural Fracture Zone ZHANG Jiangli （Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Technology Research Institute Co., Ltd., Jincheng 048000, China） Abstract Aiming at the problems of deation of surrounding rock, cracking of grouting layer and roof watering in the structural fractured area of western rail roadway of Zhaozhuang No. 2 well, based on the analysis of the source of dripping water on the roof of roadway and the structural characteristics of surrounding rock, the principle of dripping water treatment in this roadway is proposed. And through the of field test, the paper analyzes the grouting construction sequence, grouting pipe fixation, hole sealing technology and grouting pressure. The industrial test shows that the joints and fissures in the shallow part of the surrounding rock are channeled through the structural fissures and the fissure aquifer of the roof of the roadway, which is the cause of the water pouring on the roof of the roadway. The cumulative grouting construction process of “first two walls and then roof, two walls from bottom to top, roof from both sides to the middle”was proposed, and the grouting pressure of the roadway roof was determined to be 2 MPa to 4 MPa, and the grouting pressure of the roadway top was 4 MPa to 6 MPa. Key words tectonic fracture zone; main roadway; roof dripping; grouting and blocking； grouting pressure; mine water disaster 矿井水害是煤矿生产五大灾害之一[1-2]。由于矿 井透水[3]、 突水[4-6]和涌水往往都具有水量大、 来势 猛、水压大及突然性强的特点，受到煤矿生产管理 者的高度重视，而矿井淋水由于其水量小、基本无 水压，遭到各级生产管理者的忽视。然而井巷长时 间淋水，会使围岩长时间浸泡在水中，降低围岩强 度，特别是巷道围岩中含有泥岩时，遇水会发生膨 胀， 导致巷道围岩变形增大， 承载能力降低； 且淋水 会使巷道支护体发生侵蚀，长时间侵蚀导致支护体 发生破断，进而导致巷道围岩失稳，影响矿井安全 生产。注浆加固技术是破碎围岩巷道支护的重要技 术手段，许多学者结合特定的地质条件对围岩注浆 加固的技术工艺参数进行了研究，并对加固效果进 行了分析[7-10]。 但是， 对于注浆封堵围岩裂隙， 治理巷 道顶板淋水的技术工艺参数的研究则较少，为此结 合赵庄二号井西轨大巷淋水实际情况，对其封堵原 则， 封堵注浆施工技术工艺参数进行了研究。 1工程概况 赵庄二号井西轨大巷巷道断面为拱形断面， 毛 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.015 张江利.构造破碎带大巷顶板淋水注浆封堵技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 75-78， 83. ZHANG Jiangli. Water-spraying Grouting Technique for Roof of Roadway in Structural Fracture Zone［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 75-78, 83. 移动扫码阅读 技术 创新 75 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 宽 5.04 m， 毛高 4.32 m， 净宽 4.8 m， 净高 4.2 m， 巷 道为全岩巷， 主要以粉砂岩为主深灰色， 均匀层理， 少量水平纹理， 夹 2 层， 菱铁质泥岩。巷道采用锚网 喷联合支护，巷道全断面喷浆，掘进时揭露兴旺庄 南正断层、 DF49断层等， 在 1 380～1 480 m 区域受构 造影响巷道成型较差、围岩变形较大、部分喷浆层 开裂， 顶板淋水较为严重。巷道基本顶为泥岩、 细粒 砂岩和砂质泥岩， 局部偶见 2岩， 厚度 4 m， 深灰 色， 均匀层理， 见大量植物碎屑化石； 直接顶为粉砂 岩， 厚度 2 m 左右， 深灰色， 均匀层理， 少量水平纹 理， 夹 2 层， 菱铁质泥岩； 直接底为粉砂岩， 厚度 8 m， 深灰色， 均匀层理， 少量水平纹理， 夹 2 层， 菱铁 质泥岩。根据水文地质资料，工作面掘进时涌水来 源主要是岩层顶板砂岩裂隙水， 主要来自 K8 砂岩， 正常涌水量 0～10 m3/h， 最大涌水量 60 m3/h。 2淋水封堵方案 2.1围岩结构观测 为了充分掌握巷道淋水区围岩结构特征，在巷 道淋水区施工 10 个顶板钻孔，进行了孔内窥视， 窥 视钻孔孔深 10 m，孔径 φ75mm。综合 10 个钻孔窥 视观测图像分析可知巷道顶板 3 m 以下为煤、 岩 交界区， 可见大量煤线、 裂隙， 较为破碎； 巷道顶板 3～6 m 深度围岩结构较为完整，窥视发现有少量裂 隙； 巷道顶板 6～8 m 深度受断层影响， 部分区域有 明显裂隙；巷道顶板 8～10 m 深度围岩结构较为完 整， 窥视发现裂隙极少。 2.2封堵原则 巷道掘进涌水来源主要是岩层顶板砂岩裂隙 水， 正常涌水量 0～10 m3/h， 水压不大， 经过巷道掘进 时的疏放， 裂隙水余量不大。根据矿井实际调研， 在 雨季时该巷道构造区淋水明显增大，可知地表水会 对裂隙水进行补充。通过巷道顶板岩层结构观测分 析可知， 巷道顶板 6～8 m 深度受断层影响， 部分区 域有明显裂隙，而且由于构造向围岩深部延伸， 导 致巷道围岩浅部节理裂隙与巷道顶板裂隙含水层导 通，从而产生顶板淋水，该区域顶板裂隙是巷道淋 水的主要导水通道，因此，封堵巷道围岩节理裂隙 是治理巷道淋水的关键。由于巷道掘进后在围岩内 形成 1 个塑性破碎区域，仅封堵顶板裂隙会使得部 分顶板裂隙水从巷道帮部渗出，导致巷帮岩体强度 弱化，支护体锈蚀破坏，由于巷道顶板淋水水压较 小，故可对巷道顶板和巷帮进行注浆封堵，在巷道 围岩浅部形成 1 个封堵止水层，使得顶板裂隙水向 围岩深部转移。巷道顶板巷帮注浆后不仅可以封堵 巷道顶板淋水， 而且可以加固巷帮和顶板， 提高巷道 围岩整体性， 并达到保护巷道支护体不发生锈蚀， 从 而提高巷道围岩稳定性。 2.3封堵钻孔参数 根据巷道淋水区断面情况可分为 3 段第 1 段 为 1 380～1 440 m， 巷道为拱形， 宽度 5.4 m， 高度4.2 m， 直墙高度 3.3 m； 第 2 段为 1 440～1 450 m， 巷道 超高， 呈拱形， 宽度 5.4 m， 巷道高度从 6.5 m 过渡到 5.8 m， 直墙高度 3.3 m； 第 3 段为 1 450～1 480 m， 巷 道呈矩形， 宽度 5.4 m， 巷道高度从 5 m 过渡到4.2 m。 1） 第 1 段 1 380 ～1 440 m 钻孔布置。顶板钻孔 排距 3 m， 每排 3 个， 中间钻孔开孔位置在巷道正上 方， 为了增加顶板钻孔在巷道轴线方向的覆盖面积， 并使尽可能多顶板裂隙与封堵注浆钻孔导通，顶板 中间钻孔与巷道轴线方向平行， 仰角 75， 方向指向 巷道往里，施工时注意锚索影响；两侧钻孔开孔位 置距离中间钻孔 1.6 m， 钻孔垂直于巷道轴线方向， 仰角 75； 顶板钻孔孔深均为 10 m， 孔径 75 mm。巷 帮均布置上、 下 2 排钻孔，“三花” 布置， 下排孔距离 底板 1.5 m， 垂直于煤帮； 上排孔距离底板 3 m， 仰角 10， 2 排钻孔间距均为 6 m， 孔深 6 m， 孔径 42 mm。 第 1 段封堵钻孔布置如图 1。 2） 第 2 段 1 440～1 450 m 钻孔布置。顶板钻孔 布置参数与第 1 段相同，巷帮钻孔由于该处巷道高 度大， 两帮均布置上中下 3 排钻孔，“五花” 布置， 下 排孔距离底板 1.5 m， 垂直于煤帮； 中排孔距离底板 2.75 m，垂直于煤帮；上排孔距离底板 4 m，仰角 10， 3 排钻孔间距均为 6 m， 上排孔与下排孔处在 1 条竖直线上， 中排孔与上下排孔交错布置， 设计孔深 6 m， 孔径 42 mm， 第 2 段封堵钻孔布置图如图 2。 图 1第 1 段封堵钻孔布置图 Fig.1First section blocking drilling layout 76 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 2第 2 段封堵钻孔布置图 Fig.2Second section blocking drilling layout 3） 第 3 段 1 450～1 480 m 钻孔布置。该区域巷 道断面为矩形， 顶板钻孔布置参数与第 1 段相同， 巷 帮钻孔布置形式与第 2 段基本保持一致，“五花” 布 置，由于巷道高度变化，要求下排孔距离底板 1.5 m， 上排孔距离顶板 1 m， 中排孔打在上排孔和下排 孔中间位置。 3封堵注浆施工工艺 3.1注浆管路及封孔 1） 注浆管路。 采用 φ20 mm 无缝钢管组合方式， 钢管加工成 2 m/根， 全孔插管， 孔底 1 根钢管开射 浆孔。 2） 管路固定及封孔。 封孔长度一般为 2 m， 巷帮 采用两堵一注，孔口钢管两头缠棉纱。顶板钻孔孔 口钢管内侧焊接弹簧卡爪，顶板管路插入钻孔后， 在 弹簧卡爪作用下可达到固定管路的目的（图 3） ； 顶 板封孔时先计算 2 m 长封孔段所需浆液量， 用棉纱 配合联邦加固 1 号 （双液） 对孔口进行封堵， 保证孔 口不返浆，再采用小型气动封孔泵将配置好的固定 量浆液通过封孔钢管注入孔内， 达到封孔的目的。 3.2封堵注浆施工顺序 西轨大巷担负矿井的辅助运输任务，为不影响 巷道的正常使用，选择在巷道不进行运输的时间段 作业。由于每天作业时间有限， 必须在保证巷道围岩 裂隙得到有效充填的情况下， 尽可能提高施工效率， 因此，需对巷道围岩封堵注浆打钻和注浆的施工顺 序进行优化。钻孔注浆时浆液在自重作用下先充填 下部裂隙， 再充填上部裂隙， 由下向上逐步累积， 故 同一个断面内的封堵注浆钻孔可一次成孔再进行注 浆封堵， 提高打钻施工效率。同一个断面内封堵钻孔 注浆施工顺序为 “先帮后顶， 帮部由下向上， 顶板先 两侧后中间” ， 浆液由下向上逐步累积， 封堵注浆施 工顺序示意图如图 4。封堵注浆顺序为， 先 1、 2 号钻 孔， 其次 3、 4 号钻孔， 后 5、 6 号钻孔， 最后 7 号钻孔。 3.3封堵注浆压力 围岩封堵注浆主要目的是充填围岩裂隙，封堵 导水通道， 形成 1 个封堵止水层， 防止顶板淋水， 由 于巷道顶板注浆过程中注浆压力过大可能会对顶板 支护体造成损伤， 因此顶板注浆压力不易过大， 达到 封堵裂隙的目的即可， 根据现场试验情况， 对巷道顶 板及巷帮封堵注浆压力进行统计分析 （各统计 50 个 钻孔） ， 并结合钻孔窥视对围岩裂隙充填情况进行分 析， 确定了巷道顶板注浆压力为 2～4 MPa， 巷帮注浆 压力为 4～6 MPa， 钻孔注浆压力曲线图如图 5。注浆 量原则上注满为止，当达到注浆压力上限或者漏浆 难以封堵时， 停止注浆。 4效果考察 4.1钻孔窥视 西轨大巷淋水区域进行注浆封堵后，在注浆封 堵区域施工钻孔进行窥视，其中 1 个钻孔窥视结果 如图 6。 由图 6 可见巷道顶板浅部 3 m 以下可见大量 浆液充填体，裂隙几乎全部充满；巷道顶板 3～6 m 图 3孔口钢管示意图 Fig.3Schematic diagram of orifice steel pipe 图 4封堵注浆施工顺序示意图 Fig.4Grouting blocking construction sequence diagram 77 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 编号位置/m注浆前 11 380淋水 21 390淋水 31 400淋水 封堵注浆后 不滴水 不滴水 不滴水 41 430淋水不滴水 71 465涌水小淋水 81 480淋水不滴水 51 445淋水不滴水 61 455淋水不滴水 表 1雨季巷道顶板淋水情况 Table 1Roof water pouring of roadway in rainy season 图 5钻孔注浆压力曲线图 Fig.5Borehole grouting pressure curves 深度基本完整，有少量裂隙充填；巷道顶板 6～8 m 少量裂隙得到良好填充；8～10 m 较为完整， 未发现 明显裂隙和浆液填充痕迹。 4.2顶板淋水观测 封堵注浆前，巷道顶板存在多处涌水或者淋水 现象。封堵注浆施工后， 通过 1 年的时间， 对巷道雨 季和非雨季均进行观察，非雨季巷道顶板未发现有 滴水现象，只有夏季遇水增多的情况下，巷道顶板 之前 1 个出现涌水的地点存在少量淋水现象，其余 地点均不存在滴水现象，雨季巷道顶板淋水情况见 表 1。 从 1 年时间全周期巷道顶板淋水情况看， 巷道 淋水现象得到有效控制， 封堵效果良好。 5结论 1） 分析巷道淋水区的构造情况及淋水来源， 并 通过钻孔窥视分析了巷道顶板围岩结构特征，认为 构造向围岩深部延伸，导致巷道围岩浅部节理裂隙 通过构造裂隙与巷道顶板裂隙含水层导通，是形成 巷道顶板淋水的原因，并提出相应的巷道顶板淋水 图 6注浆后钻孔窥视结果图 Fig.6Peeking results of borehole after grouting （下转第 83 页） 78 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 的封堵原则。 2 ） 按照巷道顶板淋水封堵原则， 结合巷道淋水 区断面特点及巷道顶板围岩结构特征，对巷道顶板 和巷帮封堵注浆钻孔参数进行设计，确定了巷道封 堵注浆钻孔布置参数。 3） 对顶板钻孔封堵注浆管路固定及封孔方式进 行了优化， 提出了 “先帮后顶， 帮部由下向上， 顶板 先两侧后中间”的累积注浆施工工艺，并试验确定 了巷道顶板注浆压力为 2～4 MPa，巷帮注浆压力为 4～6 MPa。 参考文献 ［1］ 刘守强， 武强， 曾一凡. 煤矿防治水细则 修订要点解 析 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （3） 1-4. ［2］ 王丰旺， 张伟.屯兰矿南翼下组煤胶带巷土地沟断层 破碎带防治水方案 ［J］ .中国煤炭， 2018， 44 （12） 113. ［3］ 武强， 张小燕， 赵颖旺， 等.矿井巷道突 （透） 水蔓延模 型研究及应用 ［J］ .煤炭工程， 2018， 50 （2） 1-5. ［4］ 成荣秋， 吴燕清.基于 KPCA-FDA 方法的矿井突水水 源判别研究 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （11） 194-195. ［5］ 杨建， 刘基， 靳德武， 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