巷道掘进过导水断层深孔帷幕注浆技术应用.pdf

收稿日期:2023 04 23作者简介:王亚楠(1988-),男,山西泽州人,工程师,从事煤矿采煤技术研究工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.027巷道掘进过导水断层深孔帷幕注浆技术应用王亚楠(山西泽州天泰坤达煤业有限公司,山西 晋城 048019)摘 要:为确保 3502 运输巷安全掘进过 DF113 断层,结合现场情况提出以深孔帷幕注浆为主、超前小导管为辅的防治水以及围岩加固技术方案,并通过锚网索梁联合支护体系降低巷道过断层期间围岩变形量。采用理论计算法确定帷幕注浆加固范围并给出帷幕注浆钻孔布置、注浆技术参数,帷幕注浆加固范围远超过巷道掘进扰动范围,可实现导水通道有效封堵;为新一步封堵围岩裂隙并提高围岩强度,在巷道断面布置超前小导管;采用锚网索梁联合支护体系,充分发挥高预紧力锚杆及锚索支护效果,降低变形量。现场应用后,3502 运输巷过 DF113 断层期间围岩基本不出现淋水情况,同时巷道围岩变形量较小,确保了巷道安全掘进。关键词:巷道掘进;导水断层;帷幕注浆;围岩支护中图分类号:TD745 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)09 0095 03 水害是制约煤矿安全生产的不利因素之一,矿井突水事故多发生在褶曲、断层、陷落柱、裂隙发育带等地质异常区。断层破碎带与断层上下两盘间渗透性、岩性参数等存在明显差异,破碎带常具有导水性好、强度低等特点,是良好的导水通道1-2。巷道掘进穿越断层时,常面临涌水量增大、构造应力显现等问题,并伴随有围岩大变形,严重时导致突水、围岩支护体系失效等情况,严重影响井下生产安全3-5。为确保巷道安全掘进过断层,众多的学者及工程技术人员对防治水技术、围岩支护技术等进行研究,其中刘广超6综合钻探、物探手段确定断层产状、位置等详细参数,并通过分次成孔、交替注浆方法对断层破碎围岩进行加固、封堵导水裂隙,综合采用短注短掘、先注后掘方法进行掘进,为巷道安全过断层创造良好条件;张自政等7针对断层影响区围岩破碎、承载能力差等特点,提出综合工字钢架棚+滞后注浆+锚杆二次注浆手段联合支护围岩,取得较好围岩控制效果;陈和平等8针对红柳煤矿2 煤辅运大巷过 DF6-1 断层为工程实例,针对巷道过断层期间面临的突水、冒顶以及溃砂等问题,提出采用帷幕注浆方式加固巷道掘进轮廓线外破碎、不稳定岩体并封堵导水裂隙,通过短掘短支减少掘进对围岩扰动,确保了巷道安全作业。上述研究成果为巷道掘进过导水断层提供了宝贵的借鉴经验。注浆是现阶段防治水工作常用的技术措施,注浆浆液在破碎岩体中扩散不仅可起到加固岩体目的,而且可封堵已有以及潜在导水裂隙,降低甚至避免巷道掘进空间出现涌水。文中就以山西某矿 3502 运输巷掘进过 DF113 断层为工程实例,综合采用物探、钻探技术手段确定断层性质及导水性,通过深孔帷幕注浆手段加固破碎围岩并封堵导水裂隙,后采用局部小导管注浆+锚网索梁支护方式实现围岩变形有效控制。1 工程概况 1.1 地质概况3502 运输巷设计沿着 5 号煤层底板掘进,煤层埋深为 620680 m,厚度 5.8 m、赋存较为稳定,巷道设计掘进长度为 1 360 m,采用综掘方式掘进。5 号煤层顶底板岩性以泥岩、细粒砂岩、粉砂岩以及粗粒砂岩为主,具体顶底板岩性参数如图 1 所示。图 1 煤层顶底板岩性柱状图 3502 运输巷原设计采用锚网索支护方式,表面喷射混凝土,在地质条件正常区域内掘进时巷道围问问题题探探讨讨 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月岩始终保持稳定,未出现围岩变形量大或者喷射用混凝土开裂等问题。在巷道掘进至距 DF113 断层50 m 时,超前施工的地质探测钻孔涌水量超过1.0 m3/h,同时围岩裂隙发育,为此在原有锚网索支护基础上按照 800 mm 棚距布置 U 型钢钢架棚。在3502 运输巷掘进前方存在有 DF113 断层,预计该断层附近发育有多个次生小断层。尽管 3502 运输巷与 DF113 断层间有 10 m 间距,但是巷道靠近断层时围岩裂隙发育,在构造应力、淋水等综合影响下导致围岩变形量增加,U 型钢被压弯。1.2 断层参数综合钻探以及物探技术手段对 DF113 断层进行超前探测,发现 DF113 断层落差在 1528 m、断距 5.06.1 m、倾角 5063.在 3502 运输巷底板布置探放水钻孔进行放水试验,具体探放水结果如图2 所示。探放水钻孔出水量稳定在 1.0 m3/h,表明涌水点水源补给较为稳定;同时探测出水位标高与5 号煤层底板奥灰水水位标高相似,因此判定DF113 断层主要补给水源为底板奥灰水含水层。图 2 探水钻孔涌水量曲线 2 巷道过导水断层帷幕注浆方案3502 运输巷底板与底板奥灰水顶间隔为 40 m、承受奥灰水水压为 0.69 MPa,底板隔水层厚度较大且承受水压较小。结合 3502 运输巷前方 DF113 断层导水情况以及断层赋存参数,为降低断层导水对巷道掘进影响并为巷道安全掘进过断层破碎带创造良好条件,提出在 3502 运输巷内布置注浆钻孔对DF113 断层进行深孔帷幕注浆。通过深孔帷幕注浆后可实现 3502 运输巷掘进轮廓线外一定范围内煤岩体加固并封堵裂隙,避免掘进期间出现围岩失稳或者大量涌水问题,确保 3502 运输巷安全掘进,并减少防治水投入。2.1 帷幕注浆范围确定3502 运输巷过 DF113 断层时帷幕注浆范围综合斯列夫公式(1)以及巷道围岩塑性区公式(2)确定9-11。t=L(2L2+8KpP-L)4Kp (1)式中:t 为安全隔水层厚度,取 5.64 m;L 为巷道宽度,取 5.0 m;r 为隔水层容重,取 2.7 kN/m3;Kp为隔水层抗拉强度,取 1.54 MPa;P 为底板水头压力,取 1.3 MPa.将上述参数带入到公式(1)中求得 t=5.64 m.R1=R0(0+C tan)(1-sin)Pi+C tan1-sin2sin (2)式中:R1为围岩塑性区范围,取 2.69 m;R0为巷道半径,取 2.5 m;0为原岩应力,取 16 MPa;为内摩擦角,取 35;C 为粘聚力,取 6 MPa;Pi为支护阻力,本次计算不考虑,取 Pi=0.将上述参数带入到公式(2)中求得 R1=2.69 m.经过计算求得 t+R0=8.14 m、R1+R0=6.19 m,取上述最大值作为帷幕注浆半径 8.14 m,从安全方面决定现场帷幕注浆半径为 8.5 m.2.2 帷幕注浆钻孔布置断层导水、破碎带以及强度低等均会影响巷道掘进过断层安全。在巷道与 DF113 断层间距 10 m时,在距离 3502 运输巷掘进迎头 15 m、20 m 位置,分别在两帮布置钻场,沿着巷道周边均匀布置 8 个注浆孔深均为 90 m 注浆钻孔并进行深孔注浆,确保3502 运输巷掘进前方 DF113 断层内存在 10 m 以上的帷幕注浆封堵圈,具体注浆钻孔布置以及注浆加固范围如图 3 所示。图 3 帷幕注浆钻孔布置示意(单位:mm)使用 D42 mm 钻杆+D127 mm 钻头钻进 2 m,在孔内装入 D108 mm2 070 mm 套管,一级套管外露69 第 32 卷端焊接有 D108 mm 法兰盘;法兰盘与托盘用螺栓连接并将 D25 mm 高压软管插入快速接头内;开启注浆泵并使得浆液充填一级套管与钻孔孔壁,待浆液凝固后即实现一级套管固定;用 D42 mm 钻杆+D89 mm 钻头钻进扫孔,待钻进到 2.5 m 后进行耐压试验;向孔内压水,水压为 4 MPa,稳定 30 min,以便对检验以及套管牢固程度。随后采用 D42 mm 钻杆+D89 mm 钻头从一级套管处钻进至孔底,孔深80 m.注浆过程中首先用水泥-水玻璃双液将实现断层破碎带及附近岩体导水裂隙快速封堵,随后用封堵纳米材料提高断层破碎带及影响范围内煤岩体稳定性及承载能力。为确保钻孔注浆浆液有效扩散半径达到 4 m 以上,注浆压力控制在 810 MPa.3 围岩支护方案3.1 超前小导管由于深孔帷幕注浆无法实现 3502 运输巷掘进影响范围内围岩加固,可能导致巷道掘进过断层时部分未加固岩体变形量大,影响后续掘进安全。因此,在 3502 运输巷掘进距断层破碎带前 500 1 000 mm 时,通过超前小导管向巷道周边浅部破碎岩体进行局部注浆加固。采用的超前小导管规格为D38 mm 3 500 mm 无 缝 钢 管,布 置 间 距 均 为300 mm,排距为 2 000 mm,主要布置在巷道拱顶为主,有 10外插角。超前小导管选用的注浆浆液为封堵纳米材料,注浆压力控制在 13 MPa.3.2 联合支护在 3502 运输巷过 DF113 断层期间,围岩若出现大变形势必会产生新的裂隙,影响帷幕注浆以及超前小导管漏水裂隙封堵以及围岩加固效果。为此,在 3502 运输巷过 DF113 断层时,在原有锚网索支护基础上增加钢带、锚索梁结构提高围岩控制效果,通过锚网索梁联合支护体系实现断层破碎带围岩变形有效控制。具体巷道支护断面如图 4 所示。图 4 巷道支护断面 支护用螺纹钢锚杆规格为 D20 mm2 400 mm,按照800 mm800 mm 间排距布置,锚杆端头锚固力控制在 120 kN 以上,预先施加 30 kN 以上预紧力;与巷道走向方向平行布置长度 3 300 mm、眼距800 mm 的 T 型 钢 带。支 护 用 锚 索 规 格 为D21.8 mm6 300 mm 高强预紧力钢绞线,预先施加6070 kN 预紧力。在顶板 T 型钢带间增设长度2 800 mm、眼距 1 000 mm 的锚索梁,锚索梁按照1 600 mm 间距布置。巷道全断面铺设长 宽=2 600 mm1 100 mm 的金属网。4 现场应用效果在 3502 运输巷掘进过 DF113 断层前通过深孔帷幕注浆技术+小导管注浆技术可在巷道掘进影响范围之外形成止水帷幕、围岩加固圈,从而避免巷道掘进过断层期间出现突水、淋水量大以及围岩失稳等问题。现场共计注入水泥-水玻璃双液浆约130 t、纳米封堵材料约 89 t.现场应用后,3502 运输巷过断层期间未出现围岩淋水情况,为巷道安全掘进创造良好条件。同时巷道围岩采用锚网索梁联合支护工艺后,巷道围岩变形量较小,监测发现顶底板、巷帮最大变形量分别控制在 32 mm、15 mm 以内,围岩变形得到较好控制,可满足后续巷道使用需要。5 结 语1)3502 运输巷掘进期间揭露的 DF113 断层与底板承压含水层(奥灰水)间存在一定的水力联系,断层具有一定的导水性且断层破碎带及影响范围内煤岩体破碎,巷道掘进过断层期间面临较大的涌水、围岩变形破坏等问题。为确保巷道安全掘进,提出通过深孔帷幕注浆技术在巷道掘进轮廓线外形成止水帷幕,起到降低甚至杜绝期间巷道的围岩涌水、加固破碎围岩目的;在巷道掘进断面布置超前小导管,向巷道周边浅部破碎岩体进行局部注浆加固。通过深孔帷幕注浆以及超前小导管可实现断层破碎带及影响区内围岩加固以及导水裂隙封堵,为 3502运输巷安全掘进创造良好条件。2)为降低 3502 运输巷过 DF113 断层期间围岩变形量,避免围岩变形产生新的导水裂隙,提出在运输巷采用锚网索梁联合支护体系,通过布置高预应力锚杆、锚索提高围岩自身承载能力,同时通过T 型钢带、锚索梁以及金属网提高围岩护表能力。3)现场应用后,3502 运输巷过 DF113 断层期间围岩基本不淋水,同时监测得到巷道顶底板、巷帮最大变形量分别为(下转第 100 页)79第 9 期 王亚楠:巷道掘进过导水断层深孔帷幕注浆技术应用 较大的叶轮对风机内部气流的流动方向影响较大。4 不同转速时对旋风机性能仿真分析法的工程应用 采用风管式通风机空气动力性能实验装置开展工业性试验分析,具体实验装置涉及设备包括 FBD-No.5 对旋风机、多孔整流栅、风机试验管道、节流铁网、集流器、压力计、功率计、大气压力计、温度计等。组装实验装置,对各类计量设备进行校准处理后,开展工程试验分析。具体分析以 2 900 2 900 r/min工况为例,分析标准大气压力、20 环境下对旋风机全压,具体分析结果如表 1 所示。表 1 两种分析方法的对比结果方法容积流程/(m3h-1)13 35113 14212 89212 38412 11011 64611 199仿真分析法的风机全压/Pa1 4681 6691 8782 3712 6372 8072 798工业性试验法的风机全压/Pa1 4731 6751 8842 3782 6452 8122 804差异率/%0.340.360.320.290.300.180.21 如表 1 所示,相较于工业性试验法所获取的分析结果,仿真分析法获取的结果均偏小,但两种方法所获取结果之间最大差异率为 0.36%,实际差异较小,可确认仿真分析法获取的结果精准性较高。5 结 语综上所述,以 FBDNo.5 对旋风机为例,介绍一种两级不同转速时对旋风机性能仿真分析方法。此方法可通过数值仿真模拟软件,从功率特性和静压分布两个角度实现对旋风机的性能仿真分析。结合工业性试验结果可知,仿真分析法所获取的分析结果精准性较高,可作为后续矿用两级不同转速时对旋风机性能分析方法。同时,相较于工业性试验法,仿真分析法无需准备过多试验仪器设备,分析成本较低、仿真分析效率较高,具有更强的应用优势。参考文献:1 郑 楠,叶学民,胡佳密,等.齿形襟翼及跨度对对旋风机气动性能影响的数值研究J.动力工程学报,2021,41(12):1 081-1 089.2 周 磊.FBDCZNo.14/255 型对旋风机性能及电机功率匹配研究J.机械管理开发,2021,36(5):59-61.3 韩 伟,徐俊,史凤霞,等.基于变转速控制的对旋轴流泵混输特性分析J.液压气动与密封,2022,42(9):6-13.4 张林森,胡 平,宁小玲.对旋风机用对转永磁同步电机双转子同步技术J.电机与控制应用,2021,48(1):61-67.5 赵智胜.两级叶轮转速匹配下的通对旋风机性能研究J.机械管理开发,2021,36(4):100-101,121.本期编辑:王伟瑾(上接第 97 页)32 mm、15 mm,围岩变形较小,表明现场采用的深孔帷幕注浆技术以及围岩支护技术取得较好成果。参考文献:1 贺红宙.软岩巷道过导水断层围岩控制技术研究J.江西煤炭科技,2022(1):91-93.2 张家贵.断层破碎带注浆加固防治水技术应用J.山西化工,2021,41(6):176-178.3 张文明.巷道掘进过导水断层深孔帷幕注浆技术应用研究J.山西能源学院学报,2020,33(1):12-14.4 王俊良.过导水断层软岩巷道围岩稳定控制技术J.煤矿安全,2020,51(12):85-92,99.5 薛建坤.基于靶面帷幕注浆的导水断层治理技术J.中国煤炭地质,2020,32(5):49-52.6 刘广超.高水压大断层时效性注浆加固技术研究J.煤炭工程,2018,50(9):43-46.7 张自政,李树清,于宪阳,等.深井穿断层回采巷道围岩变形机理与稳定控制对策J.湖南科技大学学报:自然科学版,2020,35(1):10-16.8 陈和平,朱健伟,郭爱江.帷幕注浆技术在巷道过断层中的应用J.能源科技,2021,19(5):21-25.9 高连荣.巷道掘进过导水断层水害防治技术研究J.中国矿山工程,2020,49(2):21-23.10 王剑峻.巷道通过导水断层的帷幕注浆工程J.中国矿山工程,2017,46(1):33-36,65.11 王占银.大断面巷道过导水断层破碎带施工技术J.神华科技,2016,14(6):29-31,38.本期编辑:王伟瑾001 第 32 卷