地面打钻注浆封堵导水巷道

2005/10/18 16:28:56

　　摘　要　安徽省淮北市吴冬煤矿中间通风巷道建成后，因巷道冒顶变形使支架坍塌，裂隙导通水量增大，将表土层泥砂带入巷道，使地表下沉，形成深2m、直径6m的塌陷坑，并有逐渐扩展趋势，被迫淹井。采用地面打钻孔充填骨料和注浆，共施工3个钻孔，用1个月的时间就封堵了通风巷道，堵水率达100%，顺利恢复矿井生产。
　　 关键词　淹井　地面打钻　注浆封堵　灌骨料　导水巷道

1　基本情况

　　吴冬矿第四系冲积层厚35m，主要由砂、砂质粘土及底部隔水性差的粘土层组成。风化基岩垂深55m，主要由砂岩、泥岩组成，岩性松软。建井期间，揭露冲积层与风化岩层混合涌水量330m³/h。
　　该矿建有提升井和风井两个井筒，深度分别为90m和47m，第1水平运输巷道垂深90m，中间巷道为45°半煤斜巷，长66m，与第1运输巷贯通，在深65m处开凿另1条下山联络巷与运输巷交接。该通风巷道在掘进过程中采了部分煤，出现过溜煤、冒落，向上影响到裂隙带，裂隙沟通，将上层水导入巷道(涌水250m³/h)，将表土层泥砂带入巷道，使地面下沉，形成了深2m、直径6m塌陷坑，并逐渐扩展，涌水量增加。井下水仓泥砂淤积，不能正常运转，被迫淹井。

2　治水方案

　　基岩风化带厚20m，富水性强。通风巷道上段位于弱风化岩石中，岩石松散、裂隙发育，加之上层水导入巷道，造成岩体破坏，失去稳定，使表土层和基岩风化带的水夹带泥砂大量涌入巷道淤积，水带泥砂冲刷松散的岩体，路径短、流速快，巷道又具有泄压储砂条件，势必扩大过水通道，使涌水量增大，直至疏干上部地层中的储水，但又不具备这一条件，只有采取封堵巷道涌水措施。
　　考虑到巷道涌水量大，上段围岩不稳定，已经一部分冒顶，支架坍塌，若采用局部封堵，巷道顶部的水体作用未排除，仍威胁矿井安全。所以决定将导水的通风巷道全部封堵。目前，常采用注浆固结封堵，较为经济合理、安全可靠。故可采用井下工作面注浆或地面打钻注浆2种施工方案。
　　方案1，即井下工作面注浆。需在通风巷道的下端和联络巷道上端各砌筑1道止浆墙封闭通风巷道中的涌水，然后通过止浆墙由下至上灌注水泥浆或水泥砂浆充填通风巷道。此方案工艺简单，施工方便；但是，通风巷道均为煤-岩巷，顶底板为松散岩石。在围岩松散巷道中构筑止浆墙，难以封闭巷道内涌水，存在淹井的威胁，也无法进行带压注浆。
　　方案2，即从地面打孔钻透巷道，再灌骨料充填、注浆固结。需在通风巷道下端和联络巷上端砌筑1道挡浆墙，淹井后在静水条件下防止注入浆液流入运输巷道。此方案施工安全，而且灌入石渣骨料充填巷道，节省水泥，质量可靠；但是，增加打钻孔的工程量，施工难度大，要求高。
　　从施工安全和质量考虑，确定选用第2方案。

3　注浆施工设计

　　注浆封堵通风巷道的出水段，先堵两头，后针对出水段加压注浆，既保证巷道注浆充填密实，还可以封堵巷道顶底板岩石裂隙的过水通道。
　　注浆施工设计有以下内容：
　　(1)注浆孔数。沿巷道中线布置注浆孔3个，由下至上排列，孔间距分别为14m和12m，见附图。
　　(2)注浆孔深度。1号孔79m，2号孔65m，3号孔53m。

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附图　注浆孔布置及井巷关系
1—挡浆墙；2—通风巷；3—联络巷；4—运输巷

　　(3)巷道充填骨料用量。通风巷道断面为梯形，其面积S=(1.6+2.5)×1.6÷2=3.3m²，3号孔以下斜巷为充填骨料长度L=58m。则骨料用量V=SL=3.3×58=191.4m³。
　　(4)注浆参数。①注浆压力：巷道充填骨料后才能使注浆升压。两端孔注浆结束压力需大于1倍静水压；中间注浆孔注入的浆液需压入裂隙封堵过水通道，相应的注浆压力要高，为静水压力的2～2.5倍。②注浆量：充填巷道容积中石渣空隙、塌陷冒落空间及巷道围岩裂隙的浆液，因离风化带表土层近，不可避免地会窜入上部松散地层。预计浆液注入量为

Q=A(nSL+0.5mLHd)/β+S(66-L)

式中：A为浆液扩散消耗系数，取1.5；S为巷道断面积，S=3.3m²；L为充填巷道长度，L=58m;H为冒落平均影响高度，H=4m;d为冒落影响底边宽度，d=1.6m；n为石渣空隙率，n=40%；m为冒落影响松散带孔隙率，m=20%；β为浆液结石率，β=85%。
　　经计算，得出需注入浆液量约227m³，折合成水泥193t。

4　注浆施工

　　将通风巷道中线投影到地面，并确定主要出水点位置，经复测误差不超过10cm时定出钻孔的位置，分别安装钻机打孔。
4.1　注浆孔钻进
　　(1)钻孔结构。用φ168mm钻头开孔，钻进进入完整基岩3m，下入φ146mm套管，用0.75∶1水泥浆全管固结，下部为φ108mm孔径，以便灌骨料和注浆。
　　(2)注浆孔要求。按工程钻孔规范，钻孔偏斜率小于8‰，但孔深均不超过100m，斜距不超过0.8m，正常作业能达到透巷目的。
　　(3)钻具组合。用φ108mm岩芯管下接筒状取芯钻头，上接φ73mm、长8m加重钻杆，用φ50mm钻杆带动，取芯钻进注浆孔段。
4.2　灌骨料
　　选干净的石渣为骨料，粒径不超过15mm，孔隙率为40%。投渣前将φ50mm钻杆下到孔底，探明孔底深度，并开泵送清水冲开孔底淤积的泥、砂等物。在孔口安设溜槽，人工上料将石渣送入溜槽内，并用清水冲带槽中的石渣进入钻孔，水渣比保持10∶1～4∶1，能长时间正常灌注。当骨料受阻时，启动钻机旋转或上下窜动钻杆，同时在钻杆底部接一段微弯的短管，转动时拨动石渣向四周离散。当石渣充填高度超过巷道顶0.5m时，停止灌渣，转入注浆。
4.3　注浆作业
　　(1)注浆顺序。先注1号、3号孔，封堵通风巷道两端，使出水段巷道处于封闭状态，便于中间后施工的2号孔挤压注浆，以提高固结体密实度。
　　(2)注浆施工。先将钻杆下入孔内，使其插入巷道石渣并接近底板。安装孔口密封装置，使套管和钻杆间封密能承受注浆压力。连接孔口装置和输浆管路，用泵压送搅拌好的浓水泥浆到巷道底部(因水泥浆比重大，渗透性好，可将石渣空隙中的水置换，使浆液面逐渐升高)，随后上提钻杆，当钻杆下端距巷道顶0.5m时，注入1∶1水泥浆。巷道敝口，过浆通道开放时，采用定量灌注，然后再扫孔多次复注，直到过浆通道堵塞，注浆压力升高，1号孔压力达到1MPa、3号孔压力达到0.7MPa(均大于1倍静水压力)，达到注浆结束标准。后施工的2号孔是注浆重点，不但将巷道中石渣残留空隙充填密实，而且还需封堵围岩的过水通道；将钻孔延深至巷道底板下3m，利用注浆管分别对巷道底板、中部、顶板进行反复注浆，浆液浓度依次逐渐变稀，最后以水灰比1.5∶1的稀浆注到压力达到1.5MPa。
　　注浆施工历时1个月，注入骨料183m³、水泥225t，排水后其它巷道基本完好，通风巷道堵水率达100%，顺利恢复生产。

5　结　语

　　(1)吴冬矿通风巷道上段处在弱风化岩层中，岩性松散，离第四系含水层近，水量大，无稳定的隔水层保护，威胁着矿井安全，采用封堵导水的通风巷道，以保矿井安全生产，措施可行。
　　(2)采用3个孔地面注浆施工方案，提供了安全方便的施工条件。由于技术措施可行，3个钻孔全部打中巷道，灌入大量石渣充填，不但节省水泥，同时也提高了封堵巷道的固结质量，仅用1个月时间堵住巷道涌水达100%，矿井排水后，其它巷道基本完好，消除了矿井水害威胁。
　　(3)施工设备简单，工艺简便，注浆堵水效果好。此方法可用于类似工程动水条件注浆。

作者单位：中煤五公司三处，徐州，221000

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