山东省煤田地质局第四勘探队 山东 潍坊 261200
摘要：因煤矿巷道顶板出现压力高，流量大，流速快的高压大流量集中涌水，注入的浆液被动水冲散、失效、流失现象严重，堵水效果差。利用水文地质分析和物探手段分析探查顶板含水层强赋水性，钻孔揭露集中富水区后，通过涌水钻孔水文观测分析，注浆试验和连通试验等手段，判断分析钻孔揭露的富水区与导水通道之间的联系程度，从而为选择注浆浆液及配套灌注工艺提供依据。
关键词：巷道顶板，高压大流量，涌水，堵水，注浆封堵，骨料，浆液，试验
0 前言
治理煤矿巷道顶板浅部含水层内集中的高压涌水一直是煤矿水害治理中面临的技术难题之一。其难度主要表现为巷道距含水层较近，导水通道短呈开放式；高压大流量集中涌水表现为流速快，流量大；注入的浆液被湍急涌水冲散、携带而大量流失，难以在通道内留存封堵导水通道。因治理这种涌水技术难度大甚至束手无策，有的矿井被迫采用长期引排的方式泄水。
巨野矿区龙固煤矿辅二运输大巷在穿过三灰含水层时，揭露FL 8-1断层，在断层处巷道顶板出现了高达85m3/h的集中涌水，水压3.0MPa，水温49℃。该涌水出现后，尽管进行了多次封堵，均以失败告终，成为严重影响辅二运输大巷运输安全的顽症。针对该断层涌水特点，在充分分析涌水因素的前提下，采用了物探和钻探结合，注浆连通试验和水文地质分析相结合，骨料和浆液相结合的多种手段，成功快速封堵了涌水。不仅彻底消除了安全隐患，节约了大量排水资金，还为封堵类似条件下的涌水提供了经验。
1辅二运输大巷顶板集中涌水段水文地质概述
辅二运输大巷顶板涌水含水层为三灰，因两条断层（FL8-1、FL8-2）的存在，巷道在穿过三灰时，发现三灰由巷道顶板过渡到底板，巷道直接暴露了三灰含水层，为三灰含水层承压水的开放式排泄创造了条件。
1.1 辅二运输大巷顶板集中涌水区地层
（1）三灰。为巷道直接充水含水层，平均厚度8.20m，上距煤3约50m，深灰色，致密，均一，中上部岩石坚硬，致密，含较多燧石条带及团块，呈灰黑色。下部具裂隙，岩层较破碎。
（2）泥岩。为三灰直接顶，厚度4.4m，灰黑色，细致，平坦状断口，含粒状黄铁矿，具内生滑面。
（3）砂质泥岩。为三灰底板，厚度2.6m，灰色，顶部呈浅灰色，含粘土质成份较高，层理不清，具少量裂隙。
（4）泥质粉砂岩。为三灰老底，厚度4.9m，灰黑色，上部具砂质线理，显水平层理，底部岩性为泥岩，具裂隙，整层岩性较软，含黄铁矿集合体，局部具内生滑面；岩性偏细，呈贝壳状断口。
砂质泥岩和泥质粉砂岩为辅二运输大巷FL8-1断层下盘处的直接顶板，并在FL8-2的作用下，由顶板逐渐过渡到底板。地质结构如图2所示。
1.2 充水水源及导水通道分析
经统计，龙崮煤矿2007年2月15日矿井总涌水量为790m3/h,在该流量下水压基本维持在7.5MPa左右；到2007年4月19日辅二运输大巷7号探水孔出水时，矿井总涌水量增加为1600m3/h，三灰水压由8.7MPa降低到3MPa左右。大量的泄水释放了三灰的静储量，水位的下降说明三灰水难以有其它强含水层的补给。但断层给三灰水排泄提供了通道，并加剧了断层周围岩石岩溶裂隙的发育。巷道揭露后，泄水通道变得畅通无阻，形成断层处的开放式集中涌水，并在集中涌水周围形成散状涌水。经分析认为辅二运输大巷FL8-1处顶板集中涌水水源为三灰含水层。涌水通道以FL8-1断层为主通道，其它次生通道以网状垂直裂隙为主，属高承压水。
2快速封堵巷道顶板集中涌水工艺内容
对FL8-1断层集中涌水的治理应该建立在对充水含水层水文地质分析的基础上，采用物探和钻探手段，结合水文地质观测、注浆试验和动态中的堵水效果评价等多种手段，制定切实合理的注浆堵水方案，并根据施工过程遇到的变化进行实时调整。快速封堵辅二运输大巷顶板集中涌水工艺体系如图1所示。
图1 快速封堵辅二运输大巷顶板集中涌水工艺体系
（1）地球物理勘探。主要作用是探查巷道顶板集中涌水范围三灰含水层内的赋水性，重点是圈出富水区的位置及其发育状态，以及富水区与导水通道的分布关系及连通性。为注浆钻孔的合理布设提供依据，以减少注浆钻孔施工的盲目性和钻孔数量。
（2）注浆钻孔布置。注浆钻孔应最大量揭露三灰内含导水裂隙，顺利实现把堵水浆液注入到这些裂隙内，达到快速封堵裂隙的目的。为满足辅二运输大巷的正常运输，选用目前已有的两个硐室，即3号钻场（硐室）、4号钻场（扩排水仓）内施工钻孔。根据含水层内水的流场，使注入到含水层裂隙内的浆液除充填含水层外，还要沿导水裂隙扩散，进一步达到尽量多封堵导水裂隙的目的。
钻孔内水文地质观测及注浆试验是注浆钻孔揭露涌水裂隙后，必不可少的试验手段，是制定堵水方案，选择注浆浆液和注浆工艺的重要参考依据。
（3）注浆钻孔内水文地质观测。观测的主要内容是钻孔涌水深度、水质、水量和水压值。钻孔涌水深度可揭示涌水裂隙在三灰含水层内的空间位置；根据水质可判断钻孔揭露的涌水裂隙内是否有充填其它杂质（比如泥质成分），依此判断含导水裂隙的开放程度及是否畅通；根据通过不同注浆钻孔涌水观测到的，巷道顶板含水层内泄水点周围水力梯度的差值，可以判断含水层内钻孔揭露的含导水裂隙和巷道顶板集中涌水通道的相关位置关系及连通程度。
（4） 注浆试验。注浆试验内容主要包括注浆压力和注浆速率的观测及其变化，连通试验等。注浆试验是把含有示踪剂（一般使用高锰酸钾或酸性大红）的溶液通过注浆泵通过钻孔注入到含导水裂隙内，观察带有上述红色颜料的水从巷道顶板集中涌水处出现的时间、浓度以及试验中的压强值。当某个钻孔内注入的红颜色从顶板集中涌水处出现时，表明钻孔揭露的涌水裂隙与出水点导水通道连通，颜色涌出的时间越短，涌出量越大，连通性越强。对于长时间不连通的钻孔，没有注浆价值。有时不具备使用高锰酸钾等红色示踪剂时，注浆试验时可以用浓度较小的单液水泥浆代替。
注浆试验中的压强值和注浆速率观测，当注浆试验中压强值较高，注浆速率较少时，说明导水裂隙较小，可注性较差，钻孔可利用价值越小。当注浆压强值较小或逐渐速率较大时，可以认为可注性较强。注浆试验中的压强值实际上就是浆液在通道后裂隙内运移中受到的阻力值即注浆初压值。正式注浆时浆液实际作用在裂隙内的压强值应该为注浆泵表显压强和初压的差值。注浆试验是选择注浆材料和注浆工艺必不可少的关键辅助手段。
（5）注浆浆液的选择及注浆工艺
注浆浆液及其灌注工艺是否适合涌水水文地质特点是注浆堵水成功的关键。注浆浆液的选择以及配套的注浆工艺应该根据注浆钻孔内水文观测和注浆试验值确定。比如经判断含导水裂隙越大，与巷道顶板集中涌水处联系越密切越直接，可注性越强，钻孔越关键（该孔也被称之为注浆关建孔）。但辅二运输大巷涌水水压为3.0MPa，含水层为巷道直接顶板，涌水通道短，水量大，流速快，这也是关建孔内堵水技术难度大，该涌水被长期排放的直接原因。
这也是因此采用骨料和速凝浆液相结合的注浆方案是合理的。在水文地质探查及分析，钻孔水文观测及注浆试验等的基础上，本次堵水设计选用了软骨料和浆液结合的联合治理工艺。即利用细碎的软骨料对较大断面的过水裂隙进行阻水，然后通过孔内注入较大浓度的单液浆对裂隙彻底充填封堵和固结，实现了顺利封堵巷道顶板集中涌水的目标。
3现场实施及治理效果
3.1 瞬变电磁探测
对巷道顶板集中涌水附近含水层的赋水性进行了全断面瞬变电磁探测。经探测分析，巷道顶板三灰内主要有3个赋水区域，其中两个为强赋水区域（集中富水含导水构造），与导水的FL8-1断层联系密切，应为主要充水水源。其余的区域（下图虚线填充部分）为弱赋水区域，为次要充水水源。探测结果如图2所示。
图2瞬变电磁探测结果
3.2 注浆钻孔布置及施工
根据现场可施工环境，在不影响辅二运输大巷正常运输的前提下，注浆堵水钻孔主要布置在3号钻场和4号钻场（扩排水仓）内，钻孔须揭露上述强赋水区域。
（1）钻孔孔径孔径结构。一级孔径Ф170mm，深度5m左右，下入Ф146mm套管作为孔口管，套管封固并打压，耐压值不低于5MPa，套管外壁附肋骨，保证套管居于钻孔中心并起到阻止套管被拔出的作用；二级孔径Ф110 mm，深度到灰岩底板位置，留2～3m止水岩帽，以利于封固套管，全孔下入Ф108mm或者Ф89mm套管作为注浆套管使用，套管封固并打压，耐压值不低于5.0Mpa；Ф75mm或者Ф65mm孔径终孔。注浆套管设计到灰岩底板的目的是用套管隔离灰岩下伏砂质泥岩和泥质粉砂岩等软弱岩层，防止注浆压力直接作用在软弱岩层上造成巷道顶板垮落。
（2）钻探设备选型。根据辅二运输大巷环境和工程特点，选用了SGZ—ШA型和SGZX-3型坑道钻机。两种钻机具有体积小，施工能力强，操作简单安全等特点。
4结语
在硐室内施工钻孔，不会影响到辅二运输大巷内的正常运输。深孔注浆，钻孔在灰岩内穿行的距离较远，揭露的灰岩内裂隙界面面积大，能充分暴露富水裂隙，为注浆减水创造条件。由于钻孔较深，给双液注浆带来难度，双液注浆配比和凝固时间难以把握和控制。要反复进行双液浆配比凝固试验和现场注浆试验。取得与注浆区域水文地质环境相适应的注浆参数和注浆工艺后方可注浆。否则会引起注浆失败，造成钻孔报废。
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论文作者:徐志强,刘永刚,许明宝
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/27
标签：注浆论文; 顶板论文; 钻孔论文; 裂隙论文; 含水层论文; 巷道论文; 浆液论文; 《防护工程》2017年第17期论文;