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摘要：本文简要叙述利用超前钻探注浆加固围岩技术，确保安全通过陷落柱段施工，保证了施工进度和工程质量。
关键词：陷落柱超前钻探注浆技术
Abstract: This paper describes the use of advanced drilling rock grouting reinforcement technology, ensure the safety of the collapse column section construction, ensure construction progress and quality of the project.
Key words: The collapse columnAdvanced drillingGrouting technology
中图分类号：U415.6
中煤矿山建设集团二十九工程处施工的五里堠煤矿下组煤集中辅助运输下山工程，按照“有疑必探、先探后掘”的原则，对下组煤集中辅助运输下山2m处进行探放水施工。在施工超前钻孔的过程中，钻孔出现涌水现象，经实测涌水量最大为70m3/h，水压为2.0mpa。
1、水文地质情况
1.1、K2灰岩情况
该地层为石炭系上统太原组（C3t），是井田内重要含煤地层之一，据其岩相岩性及古生物组合对比，将本组地层分为三个岩性段,下组煤集中辅助运输下山属于第一段：由晋祠砂岩（K1）底界至四节石灰岩（K2）底界，岩性由灰白色中粒石英砂岩、灰黑色泥岩、砂质泥岩及14、15号煤层组成。K2灰岩岩溶裂隙发育程度不同，局部漏水严重。
1.2、DX14陷落情况
DX14陷落柱位于DF8断层西部，勘探范围6号拐点南，长轴走向N32°E，3#煤层至15#煤层均见，该陷落柱在煤层中的平面形态近于椭圆形，3#煤层长轴直径约112m，15#煤层长轴直径约165m。在三维数据体有效范围内，此陷落柱可连续追踪，在所抽取的时间剖面及相应的属性数据体上，断陷点反映较清晰，15#煤层中共解释断陷点12个，其中A级断陷点8个，B级断陷点2个，C级断陷点2个，综合评价该陷落柱属可靠陷落柱。
DX14陷落柱位于测区中南部，陷落3#～15#煤层。图1是DX14陷落柱所在瞬变电磁测线的视电阻率断面图，图中分析，DX14陷落柱右下部等值线数值较，呈低阻反映。结合经过“差值处理”得到的各富水异常平面图和分析单支曲线图，综合分析该陷落柱在K2灰岩顺层富（导）水，但是DF8断层距离陷落柱和富水区域较近，陷落柱可能在后期再次扩大与断层相连，所以DF8断层在此处应引起重视。
图1 DX14陷落柱所在瞬变电磁测线的视电阻率断面图
1.3工作面地质情况
迎头停掘工作面断面全为细粒砂岩，巷道底板下3.5m为15号煤层顶板，15号煤层上三层岩石分别为：14.86m的细粒砂岩、3.38m的泥岩、1.4m的粉砂岩；煤层下三层岩石分别为：4.43m的泥岩、4.7m的细粒砂岩、4.1m的铝土质泥岩。K2灰岩底板距停掘工作面底板的垂距为16.14m。
2 工作面预注浆施工方案
根据下组煤等高线图推断，下组煤辅助运输下山在61m处遇到DX14陷落柱，在120m处穿过DX14陷落柱，由于一次注浆120m效果不明显，需采用分次注浆进行封堵，一次施工注浆孔长度为0-71m，二次注浆孔长度为51m-120m。必须预留20m的超前钻探距离。应用工作面预注浆，在巷道周围造成帷幕。使用单液水泥浆进行封堵，如水泥浆不能达到预想效果再使用化学浆进行封堵。
为保证安全钻进注浆孔，采用预埋孔口管并安装阀门的方法，打钻时带阀钻进。
2.1 工作面预注浆设计
2.2 注浆孔数的选择
注浆孔数与裂隙发育程度、浆液有效扩散半径及巷道断面大小有关
表1注浆孔数与裂隙发育程度对应表
根据现场观察，下组煤集中辅助运输下山61m-120m段出水属于DX14陷落柱，暂定为14个钻孔，（其中注浆孔为11个、检验孔位3个），注浆孔终孔位置的孔距，应满足浆液有效扩散半径的要求，以保证形成足够的注浆壁。
2.3 巷道工作面注浆孔的布置
根据注浆目的和裂隙发育程度及其分布情况进行布孔，力争使注浆孔与更多的裂隙交切。布孔特点：呈放射状布孔，终孔位置超出巷道荒断面轮廓线5m。终孔间距基本相同。适用条件：巷道掘进方向与裂隙面垂直、斜交或平行。含水岩层较破碎或为断层带。
图2下煤组辅助运输下山DX14陷落柱预留岩柱加固注浆孔布置图
2.4 注浆孔注浆顺序
下组煤集中辅助运输下山DX14陷落出水下部注浆：1号注浆孔→2号注浆孔→3号注浆孔→5号注浆孔→5号注浆孔→6号注浆孔→7号检查孔→8号检查孔。下组煤集中辅助运输下山DX14陷落出水上部注浆：9号注浆孔→10号注浆孔→11号注浆孔→12号注浆孔→13号注浆孔→14号检验孔。
如图2：下组煤辅助运输下山DX14陷落柱预留岩柱加固注浆孔布置图。
2.5注浆压力及注入量
注浆压力是浆液在裂隙中流动，扩散充塞，压实的能量，是控制浆液距离的重要因素之一，一般选用注浆终压是静水压力的2～3倍，静水压经现场观测为2MPa，为保证注浆效果，最大终压取静水压力3倍，并加上静水压力。
注浆终压力=2×3+2=8Mpa。
巷道工作面预注浆选用单液水泥浆，单液水泥浆采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥，根据现场施工情况必要时使用水玻璃或化学浆液。
浆液扩散半径按下式计算：R＝
式中t——凝固时间24h
k——渗透系数0.01cm/s
n——孔隙率20％
h——注浆压力8Pa
β——水与浆液之间的粘度比1.5
R——浆液扩散半径（m）
r——灌浆孔半径5cm
计算得浆液扩散半徑为4.58m
钻孔浆液注入量按下式计算：
Q＝aβnπR2L
式中Q——注浆量
a——浆液损耗系数，1.2m
β——注浆系数，0.5
n——孔隙率3％
R——扩散半径4.58m
L——注浆孔长度71m
计算得钻孔浆液量：84.49m3
2.6 注浆孔的施工
注浆孔采用ZDY－4000型钻机配Ф93mm钻杆及Ф130mm冲击钻头钻孔，地面直接供水作打钻循环水。在打钻前，要在φ108mm孔口管上安设4″高压球阀，以防钻孔时含水层突水造成淹井事故。
2.7注浆作业
2.7.1 注浆前的准备工作
注浆站布置在工作面，站内安装KBY－50/70型液压注浆泵1台，并设置清水池、浆液池各一个、水泥浆搅拌筒两套，将搅拌桶搅拌好的浆液通过砌筑的水沟流入浆液池。注浆机设置在浆液池旁边，把吸浆管放入浆液池进行注浆。
2.7.2注浆设备试运转
注浆设备及管路安装完毕后，必须进行试运转，注浆系统要满足最大注浆压力和流量的要求。
2.7.3注浆作业
注浆作业流程：浆液经搅拌系统搅拌后，经注浆泵、输浆管和注浆孔口管进入受注岩层。
作业程序：当注浆孔钻到既定深度后，先用清水冲孔（破碎带不冲）直到流清水后进行注浆作业。注浆作业程序如下：
安装注浆机 压水试验 注浆 冲洗输浆管路 拆洗注浆泵 扫孔或钻进
2.7.3 压水试验
注浆前进行压水试验，冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗透能力，并根据泵压及注入量，进行钻孔吸浆量的测定，钻孔吸水量的计算公式为：q=Q/H
式中 q ——单位钻孔吸水量，l/min
Q ——压水最大压力时的流量，1/min
H ——试验段的高度，为40m。
压水试验时，尽可能采用大泵量，压力值控制在本段注浆终压，一般压水时间为20min（破碎带压水时间缩短或不压水），精确测量并记录压水段高、流量和壓力，根据压水时间测定的单位钻孔吸水量，确定注浆时浆液的起始浓度，并作为鉴定注浆效果的依据之一。
2.7.4 注浆压力的调整
在注浆过程中，注浆压力可分为初期、正常及终压三个阶段变化，当初始浓度确定后，根据注浆压力变化情况，应及时控制浆量，调整浆液浓度及凝胶时间等，使注浆压力平缓地升高，避免出现较大波动，直至达到注浆终压和终量，并稳定20分钟以上。
2.7.5 浆液的调配
单液水泥浆常用的水灰比为2:1、1.5:1、1.25:1、1:1、0.75:1、0.6:1和0.5:1单液水泥浆配制；每次注浆的初始浓度根据压水试验测定的单位钻孔吸水量进行选择； (根据现场施工情况，必要时改注双液浆，使用水玻璃或化学浆液) 注双液浆时，水玻璃浓度稀释为30～40Be’。单、双液浆的使用条件和水泥浆的初始浓度根据注浆前压水量来确定，当压水量大于250L/min时，水泥浆:水玻璃为1:1；当压水量小于250L/min时，水泥浆:水玻璃为1.25:1；当水泥浆小于180L/min时，水泥浆：水玻璃为1.25:1～1.5:1。
每次注浆时，一般先稀后浓。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段，若压力不升且进浆量也不减，应逐渐加大浆液浓度；反之，若压力上升快且进浆量减量也快，应依次降低浆液浓度；每更换一次浆液浓度，一般持续20分钟。
2.7.6单孔注浆结束
当钻孔注浆达到结束标准，或因裂隙较大，浆液注入量已超过设计标准，仍未达到结束标准，但为防止浆液扩散较远，可结束本次注浆。在结束注浆前，需压注一定量的清水，将管路中的浆液冲洗干净，注水量为输浆管路和注浆孔容积的80%，然后关闭孔口高压球阀，打开放浆阀，冲洗输浆管路。
2.7.7注浆结束标准及注浆过程中的质量检查
注浆结束标准需达到下列3条：⑴ 各注浆孔的注浆压力达到设计终压值，进浆流量小于50～60L/min，稳定20分钟以上。⑵ 注浆结束时，浆液的水灰比不低于1:1（即1:1浆液或更稀）。⑶ 浆液的注入量基本达到设计要求，扫孔后涌水量小于0.2m3∕h。
注浆过程中的质量检查：注浆施工是隐蔽性工程，施工过程中的技术资料以及出现的与注浆相关的现象，都是评价注浆质量的重要依据；必须及时进行整理、统计和分析各孔的注浆参数、注入浆量和材料等，以便了解各孔间参数的变化，从而采取相应的措施；对于返浆和窜浆情况都要做好记录，查出原因，避免再次发生。
3注浆技术要求
3.1注浆前对注浆材料进行试验，材料的质量应符合现行国家标准及技术条件；并找出在给定条件下浆液的最佳配比和浓度。
3.2注浆时必须注意注浆压力和吸浆量的变化情况，及时进行相应的调整，并认真记录，每注1m3或5min记录一次泵压和泵量，发现异常情况及时汇报，以便于采取措施进行处理。
3.3各工种操作人员必须坚守岗位，服从统一指挥，发现异常情况及时汇报，以便采取处理措施。
3.4灰浆搅拌应先加水后加灰，并必须保证连续供浆，不得间断。
3.4每次注浆结束后，灰浆搅拌池应冲洗干净，无残浆、灰渣；注浆泵应打开清洗、检修，并试运转，以备下次注浆使用；值班技术人员整理好资料，并填写注浆报告单。
4结束语
中煤二十九工程处在施工五里堠煤矿下组煤集中辅助运输下山工程时，对DX14陷落柱出水进行注浆治理，注浆效果明显，并采用锚杆、锚网索与喷浆联合支护等措施，一掘一支，安全、有效地控制了陷落柱段冒顶、片帮等事故发生。通过下组煤DX14陷落柱段，保证了施工进度和工程质量。
关键词：陷落柱超前钻探注浆技术
Abstract: This paper describes the use of advanced drilling rock grouting reinforcement technology, ensure the safety of the collapse column section construction, ensure construction progress and quality of the project.
Key words: The collapse columnAdvanced drillingGrouting technology
中图分类号：U415.6
中煤矿山建设集团二十九工程处施工的五里堠煤矿下组煤集中辅助运输下山工程，按照“有疑必探、先探后掘”的原则，对下组煤集中辅助运输下山2m处进行探放水施工。在施工超前钻孔的过程中，钻孔出现涌水现象，经实测涌水量最大为70m3/h，水压为2.0mpa。
1、水文地质情况
1.1、K2灰岩情况
该地层为石炭系上统太原组（C3t），是井田内重要含煤地层之一，据其岩相岩性及古生物组合对比，将本组地层分为三个岩性段,下组煤集中辅助运输下山属于第一段：由晋祠砂岩（K1）底界至四节石灰岩（K2）底界，岩性由灰白色中粒石英砂岩、灰黑色泥岩、砂质泥岩及14、15号煤层组成。K2灰岩岩溶裂隙发育程度不同，局部漏水严重。
1.2、DX14陷落情况
DX14陷落柱位于DF8断层西部，勘探范围6号拐点南，长轴走向N32°E，3#煤层至15#煤层均见，该陷落柱在煤层中的平面形态近于椭圆形，3#煤层长轴直径约112m，15#煤层长轴直径约165m。在三维数据体有效范围内，此陷落柱可连续追踪，在所抽取的时间剖面及相应的属性数据体上，断陷点反映较清晰，15#煤层中共解释断陷点12个，其中A级断陷点8个，B级断陷点2个，C级断陷点2个，综合评价该陷落柱属可靠陷落柱。
DX14陷落柱位于测区中南部，陷落3#～15#煤层。图1是DX14陷落柱所在瞬变电磁测线的视电阻率断面图，图中分析，DX14陷落柱右下部等值线数值较，呈低阻反映。结合经过“差值处理”得到的各富水异常平面图和分析单支曲线图，综合分析该陷落柱在K2灰岩顺层富（导）水，但是DF8断层距离陷落柱和富水区域较近，陷落柱可能在后期再次扩大与断层相连，所以DF8断层在此处应引起重视。
图1 DX14陷落柱所在瞬变电磁测线的视电阻率断面图
1.3工作面地质情况
迎头停掘工作面断面全为细粒砂岩，巷道底板下3.5m为15号煤层顶板，15号煤层上三层岩石分别为：14.86m的细粒砂岩、3.38m的泥岩、1.4m的粉砂岩；煤层下三层岩石分别为：4.43m的泥岩、4.7m的细粒砂岩、4.1m的铝土质泥岩。K2灰岩底板距停掘工作面底板的垂距为16.14m。
2 工作面预注浆施工方案
根据下组煤等高线图推断，下组煤辅助运输下山在61m处遇到DX14陷落柱，在120m处穿过DX14陷落柱，由于一次注浆120m效果不明显，需采用分次注浆进行封堵，一次施工注浆孔长度为0-71m，二次注浆孔长度为51m-120m。必须预留20m的超前钻探距离。应用工作面预注浆，在巷道周围造成帷幕。使用单液水泥浆进行封堵，如水泥浆不能达到预想效果再使用化学浆进行封堵。
为保证安全钻进注浆孔，采用预埋孔口管并安装阀门的方法，打钻时带阀钻进。
2.1 工作面预注浆设计
2.2 注浆孔数的选择
注浆孔数与裂隙发育程度、浆液有效扩散半径及巷道断面大小有关
表1注浆孔数与裂隙发育程度对应表
根据现场观察，下组煤集中辅助运输下山61m-120m段出水属于DX14陷落柱，暂定为14个钻孔，（其中注浆孔为11个、检验孔位3个），注浆孔终孔位置的孔距，应满足浆液有效扩散半径的要求，以保证形成足够的注浆壁。
2.3 巷道工作面注浆孔的布置
根据注浆目的和裂隙发育程度及其分布情况进行布孔，力争使注浆孔与更多的裂隙交切。布孔特点：呈放射状布孔，终孔位置超出巷道荒断面轮廓线5m。终孔间距基本相同。适用条件：巷道掘进方向与裂隙面垂直、斜交或平行。含水岩层较破碎或为断层带。
图2下煤组辅助运输下山DX14陷落柱预留岩柱加固注浆孔布置图
2.4 注浆孔注浆顺序
下组煤集中辅助运输下山DX14陷落出水下部注浆：1号注浆孔→2号注浆孔→3号注浆孔→5号注浆孔→5号注浆孔→6号注浆孔→7号检查孔→8号检查孔。下组煤集中辅助运输下山DX14陷落出水上部注浆：9号注浆孔→10号注浆孔→11号注浆孔→12号注浆孔→13号注浆孔→14号检验孔。
如图2：下组煤辅助运输下山DX14陷落柱预留岩柱加固注浆孔布置图。
2.5注浆压力及注入量
注浆压力是浆液在裂隙中流动，扩散充塞，压实的能量，是控制浆液距离的重要因素之一，一般选用注浆终压是静水压力的2～3倍，静水压经现场观测为2MPa，为保证注浆效果，最大终压取静水压力3倍，并加上静水压力。
注浆终压力=2×3+2=8Mpa。
巷道工作面预注浆选用单液水泥浆，单液水泥浆采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥，根据现场施工情况必要时使用水玻璃或化学浆液。
浆液扩散半径按下式计算：R＝
式中t——凝固时间24h
k——渗透系数0.01cm/s
n——孔隙率20％
h——注浆压力8Pa
β——水与浆液之间的粘度比1.5
R——浆液扩散半径（m）
r——灌浆孔半径5cm
计算得浆液扩散半徑为4.58m
钻孔浆液注入量按下式计算：
Q＝aβnπR2L
式中Q——注浆量
a——浆液损耗系数，1.2m
β——注浆系数，0.5
n——孔隙率3％
R——扩散半径4.58m
L——注浆孔长度71m
计算得钻孔浆液量：84.49m3
2.6 注浆孔的施工
注浆孔采用ZDY－4000型钻机配Ф93mm钻杆及Ф130mm冲击钻头钻孔，地面直接供水作打钻循环水。在打钻前，要在φ108mm孔口管上安设4″高压球阀，以防钻孔时含水层突水造成淹井事故。
2.7注浆作业
2.7.1 注浆前的准备工作
注浆站布置在工作面，站内安装KBY－50/70型液压注浆泵1台，并设置清水池、浆液池各一个、水泥浆搅拌筒两套，将搅拌桶搅拌好的浆液通过砌筑的水沟流入浆液池。注浆机设置在浆液池旁边，把吸浆管放入浆液池进行注浆。
2.7.2注浆设备试运转
注浆设备及管路安装完毕后，必须进行试运转，注浆系统要满足最大注浆压力和流量的要求。
2.7.3注浆作业
注浆作业流程：浆液经搅拌系统搅拌后，经注浆泵、输浆管和注浆孔口管进入受注岩层。
作业程序：当注浆孔钻到既定深度后，先用清水冲孔（破碎带不冲）直到流清水后进行注浆作业。注浆作业程序如下：
安装注浆机 压水试验 注浆 冲洗输浆管路 拆洗注浆泵 扫孔或钻进
2.7.3 压水试验
注浆前进行压水试验，冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗透能力，并根据泵压及注入量，进行钻孔吸浆量的测定，钻孔吸水量的计算公式为：q=Q/H
式中 q ——单位钻孔吸水量，l/min
Q ——压水最大压力时的流量，1/min
H ——试验段的高度，为40m。
压水试验时，尽可能采用大泵量，压力值控制在本段注浆终压，一般压水时间为20min（破碎带压水时间缩短或不压水），精确测量并记录压水段高、流量和壓力，根据压水时间测定的单位钻孔吸水量，确定注浆时浆液的起始浓度，并作为鉴定注浆效果的依据之一。
2.7.4 注浆压力的调整
在注浆过程中，注浆压力可分为初期、正常及终压三个阶段变化，当初始浓度确定后，根据注浆压力变化情况，应及时控制浆量，调整浆液浓度及凝胶时间等，使注浆压力平缓地升高，避免出现较大波动，直至达到注浆终压和终量，并稳定20分钟以上。
2.7.5 浆液的调配
单液水泥浆常用的水灰比为2:1、1.5:1、1.25:1、1:1、0.75:1、0.6:1和0.5:1单液水泥浆配制；每次注浆的初始浓度根据压水试验测定的单位钻孔吸水量进行选择； (根据现场施工情况，必要时改注双液浆，使用水玻璃或化学浆液) 注双液浆时，水玻璃浓度稀释为30～40Be’。单、双液浆的使用条件和水泥浆的初始浓度根据注浆前压水量来确定，当压水量大于250L/min时，水泥浆:水玻璃为1:1；当压水量小于250L/min时，水泥浆:水玻璃为1.25:1；当水泥浆小于180L/min时，水泥浆：水玻璃为1.25:1～1.5:1。
每次注浆时，一般先稀后浓。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段，若压力不升且进浆量也不减，应逐渐加大浆液浓度；反之，若压力上升快且进浆量减量也快，应依次降低浆液浓度；每更换一次浆液浓度，一般持续20分钟。
2.7.6单孔注浆结束
当钻孔注浆达到结束标准，或因裂隙较大，浆液注入量已超过设计标准，仍未达到结束标准，但为防止浆液扩散较远，可结束本次注浆。在结束注浆前，需压注一定量的清水，将管路中的浆液冲洗干净，注水量为输浆管路和注浆孔容积的80%，然后关闭孔口高压球阀，打开放浆阀，冲洗输浆管路。
2.7.7注浆结束标准及注浆过程中的质量检查
注浆结束标准需达到下列3条：⑴ 各注浆孔的注浆压力达到设计终压值，进浆流量小于50～60L/min，稳定20分钟以上。⑵ 注浆结束时，浆液的水灰比不低于1:1（即1:1浆液或更稀）。⑶ 浆液的注入量基本达到设计要求，扫孔后涌水量小于0.2m3∕h。
注浆过程中的质量检查：注浆施工是隐蔽性工程，施工过程中的技术资料以及出现的与注浆相关的现象，都是评价注浆质量的重要依据；必须及时进行整理、统计和分析各孔的注浆参数、注入浆量和材料等，以便了解各孔间参数的变化，从而采取相应的措施；对于返浆和窜浆情况都要做好记录，查出原因，避免再次发生。
3注浆技术要求
3.1注浆前对注浆材料进行试验，材料的质量应符合现行国家标准及技术条件；并找出在给定条件下浆液的最佳配比和浓度。
3.2注浆时必须注意注浆压力和吸浆量的变化情况，及时进行相应的调整，并认真记录，每注1m3或5min记录一次泵压和泵量，发现异常情况及时汇报，以便于采取措施进行处理。
3.3各工种操作人员必须坚守岗位，服从统一指挥，发现异常情况及时汇报，以便采取处理措施。
3.4灰浆搅拌应先加水后加灰，并必须保证连续供浆，不得间断。
3.4每次注浆结束后，灰浆搅拌池应冲洗干净，无残浆、灰渣；注浆泵应打开清洗、检修，并试运转，以备下次注浆使用；值班技术人员整理好资料，并填写注浆报告单。
4结束语
中煤二十九工程处在施工五里堠煤矿下组煤集中辅助运输下山工程时，对DX14陷落柱出水进行注浆治理，注浆效果明显，并采用锚杆、锚网索与喷浆联合支护等措施，一掘一支，安全、有效地控制了陷落柱段冒顶、片帮等事故发生。通过下组煤DX14陷落柱段，保证了施工进度和工程质量。