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摘要：矿山巷道、铁路隧道、地下其它工程施工过程中，经常遇到的重大灾害之一是施工过程中的突水，一次大型突水导致停工、人员伤亡、设备严重破坏与损失。因此，突水预测与防治就成为地下工程施工中的关键环节。矿山巷道施工与煤炭采掘过程中，经常发生突水与大量涌水事故。介绍了近几年来，在矿山地下工程水害预测与防治方面的理论和现场试验多方面的研究成果，包括岩体水力学特性的现场原位测试结果，巷道临界突水距离的确定和突水预测方法，突水构造的超前注浆加固技术。
关键词：地下工程；岩体水力学特性；水害预测与防治；临界突水距离；注浆加固
1岩体水力学特性的原位测试
某煤矿井下施工一水文钻孔，该孔命名为试6-1号孔，孔口位于15#煤层底板，孔口标高+560m，钻井深度72m，共揭露岩层20层，其中泥岩6层，砂岩类9层，石灰岩5层。揭穿了石炭纪15#煤层以下的太原组和本溪组地层。根据钻探进度，先后进行了十几次钻孔原位测试，获得了主要岩层的水力传导系数、储水系数和阻水系数。
采用单段测试法，将橡胶封隔器下入待测钻孔部位，封隔待测岩层，测量其封隔水压及其排量随时间变化，即可以获得岩层原位水力学特性参数。
2临界突水距离研究
在长期的煤矿地下工程施工实践与理论研究的基础上，煤炭系统科研人员提出并逐步完善了突水系数法，其核心思想是基于单位厚度岩层抵抗突水的能力的衡量，也是深刻的理论研究与经验结合的产物。又考虑了岩体应力与水压
联合作用下的岩体破坏深度的影响，其突水系数
式中Ts为突水系数，单位：atm/m；p为底板承受的水压力，atm；M为隔水层的厚度，m；C1为岩体破坏深度，m。突水系数法是比较完善而又简洁
的理论，并被列入煤炭安全规程，突水系数如何选择，国内几大突水矿区在几十年的实践中，总结出如表1所示的临界突水系数表。
基于突水系数法的基本思想和方法，我们研究了确定巷道临界突水距离的方法，考虑巷道塑性破坏区和松动区的影响，我们导出掘进巷道临界突水距离的计算公式为
式中M为掘进巷道临界突水距离m，p为掘进巷道估计的最高水压atm.，即为施工地区最高水位与巷道标高之差；Ts为突水系数，按照大量实践经验（表1），在构造发育地区，取为0.6，构造不太发育的地区，取为1.0；Rp为塑性区半径，m。在不考虑掘进巷道塑性区的前提下，表2给出不同水头下的巷道临界突水距离。
3水害预测方法
在矿山地下工程施工中，采用较为普遍的是地质雷达、超声波探测仪、地电阻法、激电法坑透仪等地球物理探测方法。这些方法由于操作简便、灵活、携带方便而被采用较多。但由于其探测距离偏短，据了解，目前国内最好的探测仪探测的可靠距离都不超过50m，而这一距离与地下工程施工中岩体的临界突水距离十分接近，因而就大大降低了预测预报的可靠性与超前性。为了克服地球物理探测方法可靠性低，探测距离短的缺点，国内许多大水矿井被迫采用超前钻孔探测方法，钻孔深度50m以上。通过钻孔是否涌水，判断掘进工作面前方是否存在导水构造。当钻孔涌水时，测量工作面前方构造带的水压、涌水量及其随时间的变化，由此决定是否采取相应的工程加固措施。
4超前注浆加固技术
对于一般的地下洞室与隧道等，一旦判明前方存在导水断层或导水陷落柱，无论从防止水害还是从工程施工支护角度，最经济可靠而又安全的方法是实施超前注浆加固。1997年12月，在太原市东山煤矿井下钻孔涌水的条件下，实施注浆，取得了成功，并总结出一套可行的注浆加固技术方案。
4.1工程概况
如前所述，在太原市东山煤矿井下施工的试6-1号钻孔，施工钻进至62m后，揭穿了16个岩层，其中，22-26m的太原组石灰岩层涌水量14.73T/h，孔口实测水压0.335Mpa；在59—62m处，本溪组石灰岩涌水量为10.57 t/h，孔口实测水压0.555Mpa，并发现，在钻孔56.8—59m的泥岩中，存在一小断层，泥岩十分破碎。
4.2注浆技术方案
注浆系统与材料：首先下入井管及其止水结构，用单向阀、截止阀、压力表、泥浆泵和泥浆池组成注浆系统。注浆材料采用425硅酸盐水泥，为速凝早强，减少材料消耗，需加入0.5%的录化钠和0.05%的三乙醇胺。
设计注浆参数与工艺：根据钻孔放水与压水试验，确定水灰比由大到小，从1.0逐渐降低到0.6，注浆时，根据钻孔吸浆量进行调整。注浆终压按2.5倍的水压计算，取为2.9Mpa。
4.3注浆实施与观测结果分析
首先开启注浆泵，压注清水，孔口压力在0.6—0.7Mpa下，顺利注入4吨清水，说明注浆系统可靠，含水裂隙岩层连通，透水性好，判断可以转入正常注浆。
按1.0的水灰比配置浆液（2吨水泥），连续注浆，初始压力变化不大，维持在0.55-0.7Mpa之间，后期压力上升，说明裂隙已被局部封堵，浆液开始凝结，然后按0.6的水灰比配置浆液，继续注浆，注入1吨水泥后，注浆压力上升到2Mpa，又注入0.5吨水泥后，压力达到4Mpa，安全阀开启，达到注浆要求，然后压注清水，清洗管路，关闭截止阀，停止注浆。1小时后，孔口压力降至0.2Mpa，说明管内浆液开始初凝，2小时后，孔口压力降为零，说明水泥浆已初凝。7天后，开孔钻进，发现固孔与封堵效果良好。
图1是注浆期间记录的孔口压力随注浆时间的
相关曲线，图1表明，在初始注浆的1个小时左右，浆液未初凝，因而，其压力上升缓慢，其流动性非常类似于水的流动，由此可见，这是最好的注浆加固时间段，浆液可以很好地深入裂隙。图1可见，1小时之后，注浆压力上升很快，注浆速度明显减慢，说明浆液已开始初凝。
图2是注浆初期，壁后注浆压力分布曲线、
各含水层注浆压力分布曲线。由图可见，只要浆液压力高于含水层压力，浆液就可以渗入含水层，注入含水层浆液的范围，取决于浆液的压力高于原始含水层压力的大小及其形成的压力梯度。根据注入浆液量、含水层导水系数、注浆时间、含水层储水量的综合分析，我们估计，此次注浆，在含水层中大约形成半径为5m以上的注浆范围，从而有效地封堵了含水层涌水，加固了软弱裂缝及其断层带。
上述注浆实践，充分证明注浆技术用于预先封闭含水层及其断层与破碎带，是非常可靠而有效的。
5结论
本文较系统地介绍了近几年来，我们在矿山地下工程水害预测与防治方面的理论、现场试验多方面的成果。其主要结论如下
（1）现场原位测试是获取岩体水力学特性的重要的、必不可少的途径，实践证明，本文介绍的测试方法与测试系统是可靠的，通过这些方法，可以获取岩层阻水系数、导水系数等重要参数。
（2）本文基于突水系数法的理论与实践，提出了地下工程巷道掘进过程中预防突水的最小临界距离，进一步介绍了地球物理探测方法和超前钻孔探测方法及其应用的实践。
（3）在钻孔涌水的情况下，采用注浆技术封堵含水层涌水和断层涌水十分有效。分析表明，注浆封堵含水层或断层范围的大小，取决于注浆压力高于原始含水层压力的程度及其形成的压力梯度。
参考文献
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[2]胡耀青，等.承压水上采煤突水的区域监控理论与方法[J].煤炭学报，25（3）：252-255.
[3]赵阳升，等.太原东山煤矿带压开采研究报告[R].太原理工大学研究报告，1998.
论文作者:董清泉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/9
标签：注浆论文; 含水层论文; 浆液论文; 钻孔论文; 巷道论文; 水系论文; 压力论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;