注浆堵水技术在煤矿安全生产中的应用

 

　　红柳煤矿2煤两条大巷沿2煤顶板布置，断面为矩形，尺寸宽高为5.64×4.92m，埋深470m，采用锚带网索梁支护工艺，两巷已安全掘进3150m。两大巷掘至距DF6-1断层50m左右时在原锚带网索梁的基础上增加了排距0.8m的U29型钢棚加强支护，但当大巷继续推进到距DF6-1断层20m时，出现了顶板破碎下沉，U29型钢棚被压垮等严重问题。 

 

　　1.1大巷涌水特点 

　　（1）钻孔涌水较为浑浊，水压达0.6MPa且水中含有大量的泥沙。 

　　（2）受前方DF6-1、DF5及附近伴生断层的影响，岩层已失去了整体性且被切割零碎，致使涌水通道较为复杂，增大了注浆堵水的复杂性及难度。 

　　（3）迎头U型钢棚被压垮，表明迎头附近及前方顶板岩层受水浸泡后已泥化且失去了自承能力，致使U型钢棚在顶板较大的静载压力作用下发生了被压垮现象。 

 

　　1.2 大巷涌水区水文地质 

 

　　2煤大巷迎头或钻场所在位置的前方，其区域地层总体向北倾斜，两大巷的西侧是张家庙背斜，东侧是大羊其向斜，两大巷恰好位于张家庙背斜东翼且靠近背斜轴部位置，

 

　　DF6-1与DF5两断层均为高角度正断层，其产状分别为：DF6-1倾向NW，落差12-35m ，倾角77°；DF5倾向SE，落差13-15m ，倾角75°。 

 

　　由图1-3所示的预想地质剖面可以看出，在断层DF5和DF6-1之间形成了地堑构造，出现了中间部分煤岩层下降，两侧抬升，使得大巷迎头所在位置其厚度10.38m的直接顶与厚度63.95m的粗粒砂岩裂隙含水层下段直接对接，其含水层中的水将通过DF6-1断层带对2煤直接顶的粉砂岩、泥岩进行浸泡并发生软化，进而造成自承能力降低，从而引发了迎头U型钢棚被压垮等问题。 

 

　　根据地质报告、钻孔探放水资料及两条大巷在 

 

　　掘进过程中的观测记录，得出如下几点结论： 

 

　　（1）直罗组粗粒砂岩含水层下段富水性较好，涌水量较大，可通过DF6-1断层带向大巷围岩内渗透，是区域涌水的直接来源。 

　　（2）2煤大巷除目前迎头所在位置外，在掘进过程中未发生其他现象，表明2煤与粗粒砂岩之间的直接顶具有良好的隔水性能。 

　　（3）由于2煤底板存在一定厚度的砂岩含水层，因其富水性较弱，再加之多层隔水层的阻隔，致使两条大巷在掘进过程中未出现底板涌水现象，可以预测富水性较弱的2煤底板含水层不会对大巷构成威胁。 

 

　　2 2煤大巷堵水方案 

 

　　2.1 超前深孔帷幕注浆方案 

 

　　2.2.1 钻场布置 

　　为确保超前帷幕注浆效果，在2煤大巷再次施工3#、4#原钻场，2煤辅运大巷钻机硐室3#设在离水仓5m处， 2煤胶带大巷钻机硐室4#设在离原钻机硐室2 3m处。 

 

　　2.2.2 钻孔布置 

　　为实现超前深孔注浆后，在2煤胶带大巷和2煤辅运大巷各自迎头前方DF6-1断层处形成厚度不小于10m的注浆圈，其钻场内钻孔布置及方位如图2-1及表2-1所示。 

 

　　2.2.3 孔钻及注浆参数 

　　（1）钻孔参数 

　　采用D153mm的无芯钻头开孔，开孔深度及一级套管的安装长度取决于开孔处距大巷迎头的距离。为确保有效的止浆岩帽及注浆压力对大巷围岩不造成影响，则各孔内套管的安装长度如表2-2所示；一级套管安装时用钻机顶入孔内，然后通过注浆充填套管与孔壁之间的缝隙，待浆液凝固后（大约24h）以达到固定套管的目的，一级套管固定完成后再用D94mm钻头钻进，直至达到设计孔深为止。 

 

　　（2）注浆方式 

　　为防止钻孔时可能存在塌孔现象，为此注浆方式应采用前进式分段钻孔分段注浆，即钻一段注一段。根据以往的工程经验，一般每次钻孔段长度为10m，即每钻孔10m，经压水试验后再注浆，依次循环，直至该孔达到设计孔深且注浆完成，然后再进行下一个钻孔的钻进及注浆。 

 

　　（3）注浆材料 

　　注浆材料的选择将直接影响到注浆成本及注浆效果，但考虑到迎头前方存在落差较大的DF6-1断层，为降低注浆成本应首选水泥单浆液，然后再根据情况改用水泥-水玻璃双浆液或煤矿封堵纳米材料，具体实施步骤为： 

 

　　第一步：先注水泥单浆液，水泥为425#的普通硅酸盐水泥； 

　　第二步：当注水泥单浆液压力不起且无法达到注浆终压，可选用凝固较快的水泥-水玻璃双浆液，以控制浆液的扩散范围； 

　　第三步：当注浆后检查孔的出水量不能满足要求时，应选择超细水泥或聚氨酯类的化学浆进行补注。 

 

　　（4）浆液浓度 

　　浆液浓度的选择直接影响到注浆效率及注浆质量，通常浆液浓度越大，扩散范围越小，反之亦然。但根据大量的工程经验，对基岩裂隙承压水应以稀浆为主，对软岩或断层破碎带因吸水率小应以浓浆为主。所以结合本工程的特点，浆液浓度应采用如下几个配比，即水灰比为1、0.8、0.6。当某一配比连续注浆1h且不升压或吸浆量不下降时，应改为下一个配比进行注浆。 

 

　　（5）注浆压力 

　　注浆压力是浆液克服各种流动阻力，使浆液 

　　扩散和充填密实的动力，是注浆的一个重要参数。所以应根据岩层的破碎程度和注浆量进行合理确定，但结合本工程的特点和地质条件，注浆压力应逐渐缓慢增加，其终压应≤4MPa。

 

　　（6）注浆结束标准 

　　常用的结束标准有注浆量结束标准、注浆压力结束标准、吸浆率结束标准。根据现场情况选择注浆量结束标准作为注浆结束标准。 

 

　　2.2.4 注浆效果检验标准及复掘条件 

　　当所有钻孔注浆结束后，以最后一个钻孔注浆结束时间为准，经15d后在3#和4#钻机硐室内用岩芯钻取岩芯，一是检验注浆后浆液是否凝固，二是检验堵水效果。当取出的岩芯观察浆液已凝固，同时检查孔内无出水现象时，此时已基本具备了复掘条件。 

 

　　3 2煤大巷支护方案 

　　为确保两条大巷能顺利施工，除深孔注浆堵水及加固外，也要采取相应的有效支护方案。 

 

　　3.1. 锚带网索参数设计 

　　（1）锚杆 

　　材质：选用KMG335左旋无纵筋锚杆，屈服强度335MPa，极限强度490MPa。 

　　直径：采用直径20mm，其屈服和极限承载能力分别105kN、154kN。 

　　长度：按大巷宽度的0.5倍确定，因大巷宽度为5m，则锚杆长度应为2.5m。 

　　间排距：锚杆间排距按800×800mm。 

 

　　（2）锚索 

　　材质：选用SKP-1860，抗拔力224kN。 

　　直径：采用直径17.78mm，屈服承载力461kN。 

　　长度：按大巷宽度的1.5倍确定，即为7.5m，取8m。 

　　间排距：根据锚杆长度所圈定的顶板煤岩层重量，此重量由锚索来承载，这样便可确定出锚索的间排距，其值即为4000×1600mm。 

 

　　3.2 U29型钢棚参数设计 

　　（1）材质及力学参数：选用U29型钢棚，其断面积36.92cm2，截面惯性矩Ix=612.1cm4，弹性模量E=206000N/m2，极限强度fu=600N/mm2。 

　　（2）U29型钢棚的排距：由于2煤两条大巷顶板受水浸泡后已处于松软状态，按照冒落拱理论，其冒落拱高度应为： 

　　h=（a/2tan26o）-a/2=（5/2tan26o）-5/2=2.63m该高度的松软岩层自重即为65.75kN/m2（2.63×25=65.75kN/m2），则U29型钢棚拱部力学模型如图5-1所示。 

　　根据图3-1所示的力学模型，计算U29型钢棚的支设排距P，其计算过程为： 

　　支座竖向反力： 

　　U29型钢棚最大弯矩： 

　　计算U29型钢棚的排距P：根据抗弯强度公式，得： 

　　由上述计算结果：U29型钢棚排距应小于0.311m，为便于施工取排距为0.4m。 

 

　　3.3大巷支护参数设计 

　　①锚杆：采用KMG335左旋无纵筋锚杆，规格Φ20×2500mm，间排距800×800mm，使用MKS23/70树脂药卷，用量2卷/锚杆，施加预紧力矩400N.m。 

　　②托盘：采用铁托盘，规格150×150×10mm。 

　　③金属网：采用Q235、直径6.5的钢筋点焊制作，网格尺寸100×100mm，规格3000×1000mm。 

　　④锚索：材质为SKP18-1860的7股钢绞线锚索，规格Φ17.8×8000mm，每断面布置2根，排距1600mm，使用MKS23/70树脂药卷，用量4卷/锚杆，施加预紧力100kN。 

　　⑤锚索梁：采用槽钢制作，规格（22×3000mm）。 

　　⑥U29型钢棚背面金属网：采用Q235、直径6.5的钢筋点焊制作，网格尺寸100×100mm，规格3000×1000mm。 

　　⑦U29型钢棚：采用U29型钢制作，排距400mm，其制作结构如图3-2所示。 

　　⑧喷层：采用C20混凝土，喷厚以覆盖住U29型钢棚为准。

 

　　3.4 支护施工工艺 

　　第一步：按荒断面设计尺寸，即荒宽5.64m、墙高2.1m、拱半径2.82m进行开挖，确保荒断面相对光滑，避免出现凹凸现象。 

　　第二步：根据锚杆的间排距，应及时铺网和打 

　　安锚杆，铺网时网与网之间应相互搭接200mm，并用11#细铁丝每隔300mm绑扎一次；打安锚杆时应遵循钻孔（孔深2.4m）→用压风管将孔内积水和煤岩粉冲洗干净→用锚杆将树脂药卷送入孔底并搅拌→放置托盘、拧紧螺母，其预紧力矩应达到400N.m。 

　　第三步：架设U29型钢棚，分两种情况，一是出现超挖时，在U29型钢棚背面用矸石袋充填严密，确保U29型钢喷受力均匀；二是大巷成形较好时，在U29型钢棚背面上再铺设一层钢筋网，然后喷浆，喷浆层厚度以覆盖住U29型钢棚为准。 

 

　　（1）前后棚之间应采用5道拉杆相互拉结（拱顶1道、拱角各1到，棚腿各1道）； 

　　（2）U29型钢拱与棚腿连接处的卡兰应施加400N.m的预紧力矩； 

　　（3）为防止棚腿踢脚失稳，应在离底板1m处用两根锚杆将棚腿与墙部围岩拉结牢固； 

　　（4）U29型钢棚与围岩之间间隙较大时，应采用编织袋装煤矸石进行充填，以确保其受力均匀； 

　　（5）U29型钢棚应铺设钢筋网，网与网及网与U29型钢棚应相互绑扎牢固。 

 

　　第四步：喷浆，采用C20混凝土，喷层厚度以覆盖住U29型钢棚为准。 

　　第五步：施工U29型钢反底拱。将底板浮矸挖去并成弧形，底板中间最大挖深593mm，在弧形底板上先铺设钢筋网，然后放置U29型钢反底拱，并将U29型钢反底拱的两端分别与棚腿焊接在一起，其上用毛石混凝土填平，再用1：2的水泥砂浆找平，找平层厚度为20mm。 

　　注：U29型钢反底拱施工时间可滞后迎头一段距离实施。 

 

 

　　注浆堵水技术在红柳煤矿过断层及软岩巷道支护得到了成功的应用，加快了巷道掘进速度，有效改善了煤矿软岩巷道的承载能力，但该技术在推广应用过程中要注意钻孔涌水处理与抛浆处理处理，以防注浆技术应用出现安全隐患。 

 

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