CN108915736B - 强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，包括长距离定向钻孔对巷道顶板含水层地下水的截流、常规钻孔与锚杆注浆、U型钢棚支护等步骤。本发明结合掘进巷道顶板含水层的厚度、富水性、胶结性与隔水层厚度等特点，采取长距离定向钻孔对地下水截流和疏导；钻孔注浆封堵巷道渗水裂隙；锚杆注浆配合U型钢棚支护的技术方案，通过长距离定向钻孔拦截掘进巷道顶板含水层对巷道的水量补给，同时对常规钻孔和注浆锚杆的引流注浆，封堵巷道渗水裂隙以及锚杆、锚索与岩层之间的渗水通道，有效减少了掘进巷道的涌水量和加强了巷道的支护，进而避免了强富水弱胶结含水层下掘进巷道水害和顶板事故的发生。

Description

强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法

技术领域

本发明涉及矿山安全的技术领域，尤其涉及一种强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法。

背景技术

我国西部侏罗纪煤炭资源储量约占总储量的60％，随着东部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭生产重点逐步向西转移，其在国民经济建设中的地位日益重要，矿井的安全生产成为国家能源供给的重要保障。由于侏罗纪煤田煤层顶板普遍存在基岩裂隙含水层和松散含水层，加上高强度的开采条件，当采掘工作面的破坏范围波及至上覆含水层时，往往会发生水害事故。根据统计资料，掘进巷道是重大水害事故发生的主要地点，约占总事故的80％，是矿井水害防治的重要对象。

以往针对巷道掘进期间的防治水措施以施工钻孔超前探查为主，可以有效判断掘进巷道前方是否存在富水异常区、断层、老空区或陷落柱等水害隐患。当掘进巷道上方存在强富水弱胶结含水层时，并且直接顶板隔水层较薄时，采用常规钻探技术进行超前探查时，钻孔仰角过大，存在止水套管下设困难，钻孔仰角过小，则会对弱胶结的顶板产生一定的破坏，并且施工过多的常规钻孔会影响弱胶结顶板的完整性，从而易诱发顶板事故。以往钻孔注浆技术主要应用于底板含水层的改造和加固，对于顶板含水层注浆的应用较少，一方面顶板砂岩含水层注浆效果较差，另一方面对顶板砂岩含水层进行注浆易加剧顶板的破坏。

强富水弱胶结含水层下掘进巷道同时面临水害和顶板事故，并且施工的常规钻孔和锚杆无法有效解决顶板水害和掘进巷道支护问题，还可能使顶板含水层中的地下水沿钻孔和锚杆周边的裂隙进入巷道及顶板岩层，造成顶板产生离层、开裂、下沉等现象，使胶结性较差的顶板更加破碎，难以支护。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，以克服上述缺陷。

发明内容

针对强富水弱胶结含水层下巷道掘进过程中，常规钻探和注浆技术无法有效解决水害和顶板事故的问题，本发明的目的是提供一种强富水弱胶结含水层下掘进巷道水害防治方法，根据掘进巷道顶板含水层厚度、富水性、胶结性与隔水层厚度等特点，采取长距离定向钻孔对地下水截流和疏导；钻孔注浆封堵巷道渗水裂隙；锚杆注浆配合U型钢棚支护的技术方案，实现强富水弱胶结含水层下下巷道的安全掘进。

为解决上述问题，本发明公开了一种强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，其特征在于包含如下具体步骤：

步骤一：根据井下实际条件，选择已掘巷道合适位置的作为钻场，施工长距离定向钻孔，长距离定向钻孔在平面上要位于掘进巷道正上方，以对顶板含水层向巷道的地下水补给进行截流和在钻孔注浆时进行引流，在施工长距离定向钻孔中对掘进巷道前方顶板含水层的富水异常区进行探查；

步骤二：根据长距离定向钻孔对掘进巷道前方顶板含水层富水异常区的探查，在巷道掘进至局部富水异常区或直接顶板隔水层较薄区域前，向掘进巷道顶板施工常规钻孔进行注浆，在长距离定向钻孔疏放水的引流作用下对含水层进行局部改造，从而让顶板含水层富水异常区中的裂隙进行注浆充填，并对顶板含水层进行加固；

步骤三：采用注浆锚杆加强巷道支护；

步骤四：架设U型钢棚对已掘巷道顶板破碎区域进行支护。

其中：在步骤一中，施工长距离定向钻孔中对掘进巷道前方顶板含水层的富水异常区进行探查包含如下子步骤：

步骤1.1：施工长距离定向钻孔时下设止水套管，套管长度L＜H·sinα，其中H为顶板隔水层的厚度，α为套管的倾角，当钻孔进入掘进巷道正上方顶板含水层后，并且钻孔距离掘进巷道顶板垂向高度10m时进行变角，沿含水层进行钻进，与含水层底板距离保持10m；

步骤1.2：每钻进50m，对钻孔水量进行一次观测，绘制钻孔水量随孔深变化历时曲线图，当出现单位进尺水量增加幅度超过20％的区域时判定为相对富水异常区。

其中：步骤二中施工钻孔进行注浆包含如下子步骤：

步骤2.1：在井下已掘巷道中选择直接顶板较厚并较为完整的岩层作为钻场，下设止水套管，止水套管长度L＜H·sinα，其中H为顶板隔水层厚度，α为套管倾角，向掘进巷道前方的顶板含水层富水异常区施工常规钻孔，钻孔终孔位置位于掘进巷道巷道顶板10～20m；

步骤2.2：针对常规钻孔进行注浆，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥作为注浆材料，水灰比选择范围为1:0.8～1:1.2，注浆压力大于掘进巷道顶板含水层水压的1.5～2倍；

步骤2.3：长距离定向钻孔疏放水与常规钻孔注浆同时进行。

其中：在步骤2.3中，当长距离定向钻孔中出现较多浆液时，在浆液中加入5％模数为2.4～2.8、浓度为30～45°Bé水玻璃，浆液的水灰比为1:0.8，以加速浆液的凝固。

其中：在步骤三中，采用中空锚杆注浆进行支护，注浆锚杆采用φ25mm×2500mm中空注浆锚杆，间排距为1000mm×1600mm，已掘巷道顶部1排布置5个注浆锚杆，排数根据淋水区域外扩1～2m确定，注浆材料采用P.O42.5水泥，加入水泥重量8％的添加剂，水灰比为1:3。

其中：在步骤四中，U型钢棚由两个棚腿、一个棚梁及卡子和拉环组成，拉环焊接在棚腿上。

通过上述内容可知，本发明的强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法可以结合掘进巷道顶板含水层的厚度、富水性、胶结性与隔水层厚度等特点，采取疏导、截流、封堵和注浆的技术方案，拦截充水水源对掘进巷道的水量补给，封堵钻孔、锚杆、锚索与岩层之间的导水通道，有效减少了掘进巷道的涌水量和加强了巷道的支护，进而避免了复杂水文地质条件下掘进巷道水害和顶板事故的发生。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1A显示了本发明中长距离定向钻孔的平面示意图。

图1B显示了本发明中长距离定向钻孔的剖面示意图。

图2A显示了本发明中巷道顶板含水层注浆钻孔的平面示意图。

图2B显示了本发明中巷道顶板含水层注浆钻孔的剖面示意图。

图3是注浆锚杆支护巷道剖面图；

图4是U型钢棚支护巷道剖面图。

具体实施方式

参见图1A至图4，显示了本发明的强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法。

所述强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法根据巷道顶板含水层厚度、富水性、胶结性与隔水层厚度等特点的水害和顶板事故进行综合防治，其包含如下具体步骤：

步骤一：参见图1A和图1B，在掘进巷道顶板含水层底部施工长距离定向钻孔：根据井下实际条件，选择已掘巷道4合适位置的作为钻场3，施工长距离定向钻孔1，长距离定向钻孔1在平面上要位于掘进巷道2正上方，一方面可以对顶板含水层向巷道的地下水补给进行截流，另一方面在钻孔注浆时可以起到引流的效果，同时可以对掘进巷道前方顶板含水层的富水异常区进行探查，具体而言可包含如下子步骤：

步骤1.1：在井下巷道中选择直接顶板较厚并较为完整的岩层作为钻场3，施工长距离定向钻孔1，下设止水套管7，在满足《煤矿防治水规定》中对止水套管长度的要求同时，要求套管长度L＜H·sinα，其中H为顶板隔水层6的厚度，α为套管7的倾角。当钻孔进入掘进巷道正上方顶板含水层5后，并且钻孔距离掘进巷道2顶板垂向高度10m左右时，进行变角，沿含水层5进行钻进，与含水层底板距离保持10m左右。

步骤1.2：在长距离定向钻孔1钻进过程中，每钻进50m，对钻孔水量进行一次观测，绘制钻孔水量随孔深变化历时曲线图，当出现单位进尺水量增加幅度超过20％的区域，可判定为相对富水异常区，作为下一步常规钻孔或锚杆注浆区域的依据。

步骤二：参见图2A和图2B，施工常规钻孔对顶板含水层进行改造和加固，根据长距离定向钻孔对掘进巷道前方顶板含水层富水异常区的探查，在巷道掘进至局部富水异常区8或直接顶板隔水层较薄区域前，向掘进巷道顶板施工常规钻孔9进行注浆，在长距离定向钻孔1疏放水的引流作用下对含水层5进行局部改造，目的是对顶板含水层富水异常区8中的裂隙进行注浆充填，同时起到对顶板含水层5进行加固的作用，其中施工钻孔进行注浆可以包含如下子步骤：

步骤2.1：在井下已掘巷道中4选择直接顶板较厚并较为完整的岩层作为钻场10，下设止水套管，要求套管长度L＜H·sinα，其中H为顶板隔水层6厚度，α为套管倾角。向掘进巷道前方的顶板含水层富水异常区8施工常规钻孔9，钻孔终孔位置位于掘进巷道巷道4顶板10～20m，常规钻孔9施工完毕后对钻孔水量和水压进行观测；

步骤2.2：针对常规钻孔9进行注浆，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥作为主要注浆材料，水灰比选择范围为1:0.8～1:1.2，注浆压力大于掘进巷道顶板含水层5水压的1.5～2倍。

步骤2.3：长距离定向钻孔1疏放水与常规钻孔9注浆同时进行，当长距离定向钻孔1中出现较多浆液时，可在浆液中加入5％模数为2.4～2.8、浓度为30～45°Bé水玻璃，浆液的水灰比为1:0.8，以加速浆液的凝固。

步骤三：参见图3，采用注浆锚杆11加强巷道支护：在常规钻孔注浆9改造和加固的局部掘进巷道顶板含水层5，仍然可能存在规模较小的裂隙，为了避免含水层5中的地下水沿普通锚杆12与岩层之间的裂隙进入已掘巷道4或直接顶板，采用中空锚杆11注浆进行支护，注浆锚杆11采用φ25mm×2500mm中空注浆锚杆，间排距为1000mm×1600mm，已掘巷道4顶部1排布置5个注浆锚杆11，排数根据淋水区域外扩1～2m确定，注浆材料采用P.O42.5水泥，加入水泥重量8％的添加剂，水灰比为1:3。在对注浆钻孔9进行注浆后，可以施工部分检验钻孔，通过取心对钻孔注浆的质量和效果进行检验；

步骤四：参见图4，架设U型钢棚13对已掘巷道4顶板破碎区域进行支护：在采用常规钻孔9或锚杆11注浆后，如果掘进巷道4局部顶板仍然较为破碎，可以采取架设U型钢棚13对顶板进行支护，U型钢棚13支护巷道剖面见图4，其中钢棚13由两个棚腿14、一个棚梁15及卡子16和拉环17等组成。拉环17采用25#钢管制作，长100mm，焊接在棚腿14上。U型钢棚13的卡子16采用16mm钢板通过热压成型。每架钢棚13的棚腿上用10mm厚钢板焊接200×200×10mm柱鞋18，螺帽采用M24标准型号。同时可以再次配合常规钻孔9和锚杆11注浆对顶板含水层5进行二次改造和加固。

由于复杂水文地质条件下掘进巷道面临的水害和顶板事故互为成因，相互作用，只要对顶板含水层进行疏放或对顶板裂隙进行封堵、加强支护，通过长距离定向钻孔拦截掘进巷道顶板含水层对巷道的水量补给，同时对常规钻孔和注浆锚杆的引流注浆，封堵巷道渗水裂隙以及锚杆、锚索与岩层之间的渗水通道，有效减少了掘进巷道的涌水量和加强了巷道的支护，进而避免了强富水弱胶结含水层下掘进巷道水害和顶板事故的发生。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (4)

1.一种强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，其特征在于包含如下具体步骤：

步骤一：根据井下实际条件，选择已掘巷道合适位置的作为钻场，施工长距离定向钻孔，长距离定向钻孔在平面上要位于掘进巷道正上方，以对顶板含水层向巷道的地下水补给进行截流和在钻孔注浆时进行引流，在施工长距离定向钻孔中对掘进巷道前方顶板含水层的富水异常区进行探查，其包含如下子步骤：

步骤1.1：施工长距离定向钻孔时下设止水套管，套管长度L＜H·sinα，其中H为顶板隔水层的厚度，α为套管的倾角，当钻孔进入掘进巷道正上方顶板含水层后，并且钻孔距离掘进巷道顶板垂向高度10m时进行变角，沿含水层进行钻进，与含水层底板距离保持10m；

步骤1.2：每钻进50m，对钻孔水量进行一次观测，绘制钻孔水量随孔深变化历时曲线图，当出现单位进尺水量增加幅度超过20％的区域时判定为相对富水异常区；

步骤二：根据长距离定向钻孔对掘进巷道前方顶板含水层富水异常区的探查，在巷道掘进至局部富水异常区或直接顶板隔水层较薄区域前，向掘进巷道顶板施工常规钻孔进行注浆，在长距离定向钻孔疏放水的引流作用下对含水层进行局部改造，从而让顶板含水层富水异常区中的裂隙进行注浆充填，并对顶板含水层进行加固，施工钻孔进行注浆包含如下子步骤：

步骤2.1：在井下已掘巷道中选择直接顶板较厚并较为完整的岩层作为钻场，下设止水套管，止水套管长度L＜H·sinα，其中H为顶板隔水层厚度，α为套管倾角，向掘进巷道前方的顶板含水层富水异常区施工常规钻孔，钻孔终孔位置位于掘进巷道巷道顶板10～20m；

步骤2.2：针对常规钻孔进行注浆，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥作为注浆材料，水灰比选择范围为1:0.8～1:1.2，注浆压力大于掘进巷道顶板含水层水压的1.5～2倍；

步骤2.3：长距离定向钻孔疏放水与常规钻孔注浆同时进行；

步骤三：采用注浆锚杆加强巷道支护；

步骤四：架设U型钢棚对已掘巷道顶板破碎区域进行支护。

2.如权利要求1所述的强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，其特征在于：在步骤2.3中，当长距离定向钻孔中出现较多浆液时，在浆液中加入5％模数为2.4～2.8、浓度为30～45°Bé水玻璃，浆液的水灰比为1:0.8，以加速浆液的凝固。

3.如权利要求1所述的强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，其特征在于：在步骤三中，采用中空锚杆注浆进行支护，注浆锚杆采用

中空注浆锚杆，间排距为1000mm×1600mm，已掘巷道顶部1排布置5个注浆锚杆，排数根据淋水区域外扩1～2m确定，注浆材料采用P.O42.5水泥，加入水泥重量8％的添加剂，水灰比为1:3。

4.如权利要求1所述的强富水弱胶结含水层下掘进巷道的水害防治方法，其特征在于：在步骤四中，U型钢棚由两个棚腿、一个棚梁及卡子和拉环组成，拉环焊接在棚腿上。

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