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帷幕注浆技术在某煤矿止水工程中的应用
摘要：针对某煤矿安全开采的需求，对地下三个含水层开展了试验段帷幕注浆方案设计，对钻孔间距、钻孔深度、注浆孔结构进行了设计优化，制定了注浆孔施工流程图并开展了试验段帷幕注浆施工，现场试验表明，采用帷幕注浆法起到了较好的止水效果，在类似工程中具有参考价值。
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1、工程概况
某煤矿位于黑龙江，北东至南西走向长约为25km，北西至南东倾向宽6 km。矿区交通比较便利。区内交通以公路为主，区内有农场砂石公路及田间机耕路。
2、工程地质及水文地质条件
2.1工程地质条件
矿区地层系统较简单，由第四系盖层、新近系含煤地层（富锦组）、古近系含煤地层（宝泉岭组）及石炭二叠系基底组成，矿区地层情况见表1。
其特征由老到新叙述如下：
(1）石炭二叠系（C-P)
本区钻孔揭露最大厚度为90.05 m，以深灰-灰白色变质粉砂岩、中砂岩为主，局部为中酸性凝灰熔岩。
(2）古近系宝泉岭组（E2-3b)
地层厚度33.8～603.6 m，由半胶结泥岩、砂岩、粉砂岩、含砾砂岩、炭质泥岩及煤组成，含煤5-8层。
(3）新近系富锦组（N)
厚度44.40～302 m，主要由半胶结的泥岩、粉砂岩、中细砂岩、褐煤及炭质泥岩等组成。富锦组中含有8号、9号、10号、20号4个煤层，10号煤层为全矿区发育的巨厚煤层，煤层厚度平均14.65 m。
表1某煤矿地层简表
(4）第四系（Q)
地层厚度为23.75～98.00 m，一般为51.76 m。由上至下主要由腐植土、中砂、粘土、细砂和粗砂层组成，底部多为砂层及砂砾层。
2.2水文地质条件
2.2.1含水层
矿区含水层自上而下划分为三个含水层，分别为上部含水层、中部含水层和下部含水层。
(1）上部含水层
全区普遍发育，岩性以中砂和细砂为主，夹有粗砂和粉砂，含水层厚度一般5～15 m，平均厚度10.80m，含水层厚度9.20 m。
(2）中部（煤层顶）含水层
全区发育，岩性主要为第三系微胶结各粒级砂岩及第四系底部中、粗砂。该含水层厚度变化大，平均厚度23.40 m，平均埋藏深度60.30 m。
(3）下部含水层
发育在煤层底板以下，岩性为微胶结的灰色、灰绿色中，细砂岩和粉砂岩，局部为微胶结粗砂岩。煤层底板以下20 m内的含水层厚度2.00～15.00 m，平均厚度6.85 m。
2.2.2隔水层
根据矿区地层，自上而下划分为3个隔水层，即顶部隔水层、中部隔水层及下部隔水层。
(1）顶部隔水层
全区发肓，裸露地表，岩性为灰色，土黄色粘土，质地细腻，柔软可塑，干燥后较坚硬，平均厚度7.15 m。
(2）中部隔水层
发育在上部和中部含水层之间，全区发育，岩性为灰色、灰绿色粘土，致密可塑，较硬。平均厚度7.80 m。
(3）下部隔水层
发育在煤层底板与下部含水层之间,岩性为灰绿色、灰褐色泥岩，柔软可塑，平均厚度3.40 m，厚度较大的部位隔水性好。
3、帷幕止水方案设计
3.1帷幕止水方案选择
目前帷幕隔水墙通常为防渗墙法、旋喷桩隔水墙法及注浆帷幕隔水墙法，其构建方法据实际条件而定，其构建方法和适用条件如下[1]:
(1）防渗墙法
防渗墙堵水是沿工程线用特种施工机具挖掘沟槽，在槽内填入防渗材料而形成连续防渗墙，起截水防渗、挡土或承重作用。具有工艺简单、施工进度快、防渗效果好、造价低等优点。
(2）旋喷桩隔水墙
旋喷桩堵水是用钻机钻到预定深度后，利用高压泵将配置好的浆液通过钻杆经喷嘴转换成高压喷流高速喷出，在切削破坏土层的同时，把浆液和土层搅拌混合成圆柱状固结体，连续成墙。此法适用于细颗粒埋藏浅的松散体含水层，施工方法简单、效率高。
(3）注浆帷幕隔水墙
注浆帷幕是指在选定的帷幕线上，施工一定间距的钻孔，用注浆设备向孔内注浆，形成连续地下阻水墙。该法适于各种地层及各种深度。
综合考虑，本次帷幕隔水墙构建方式采用注浆帷幕隔水墙法。通过对上、中、下三个含水层中的孔隙、裂隙进行浆液充填，达到封堵过水通道、隔离水源补给的目的。
3.2帷幕设计方案
3.2.1帷幕轮廓、结构设计[2,3,4]
(1）帷幕带长度设计
试验段帷幕带布置在采坑西端帮70平台上，帷幕带长度为100 m。
(2）帷幕带深度设计
根据上、中、下三个含水层水文地质条件，分别对3个含水层进行注浆施工，注浆孔深度需达到下部含水层以下5 m。
(3）帷幕带厚度设计
依据《矿山帷幕注浆规范》（DZ/T 0285-2015），为保障此次帷幕墙效果，结合以往施工经验，初步确定帷幕带设计厚度6 m。
3.2.2注浆钻孔设计[5,6,7]
试验段注浆帷幕按整体单排孔，局部双排孔布置，共布设注浆孔15个。注浆有效半径预设为5 m，单排孔钻孔布设间距8 m，两排孔钻孔布设间距10m，排距4 m，帷幕有效宽度≥6 m，钻孔布置如图1所示。
3.2.3注浆孔结构及参数
注浆钻孔开孔采用Φ146 mm钻头钻进，钻进至注浆段顶部，下置Φ127 mm套管，注浆、固管，待凝固后进行扫孔；采用Φ94 mm钻头继续钻进至下部含水层底下5 m左右，下置Φ89 mm滤管，进行洗孔、压水、注浆。注浆孔结构如图2所示。
4、工程施工
4.1施工顺序
总体施工顺序为先施工注浆孔，再施工检查孔，最后施工水位监测孔。注浆孔施工自帷幕带中心Z7孔开始，依次向两侧推进，先进行单序孔施工，再进行双序孔施工，最后进行Z14、Z15孔施工。施工顺序如图3所示。
图1试验段注浆孔平面布置
图2注浆孔结构示意
4.2注浆孔施工
4.2.1注浆工艺流程[8,9,10]]
(1）首先采用测量仪器根据设计的注浆试验钻孔坐标进行实地测量放样，放样误差小于1 cm，钻机定为误差小于10 cm。
(2）钻孔开孔采用Φ146 mm钻头钻进，钻进至注浆段顶部，下置Φ127 mm套管，强度等级为32.5R、水灰比0.6:1的水泥浆注浆、固管，待凝固48 h后采用Φ94 mm钻头扫孔进行1 MPa耐压试验。
(3）采用Φ94 mm钻头继续钻进至下部含水层以下5 m左右，下置Φ89 mm滤管，对注浆段进行洗孔。
(4）开展含水层段帷幕注浆现场试验，确定注浆材料配比及注浆压力，并进行间歇式注浆，直至满足注浆结束标准并进行注浆后的简易压水试验。
(5）注浆封孔
注浆孔成孔工艺示意如图4所示。
4.2.2现场施工效果
2023年10月，现场采用全液压水井钻机进行注浆孔施工，完成注浆钻孔6个，深度30 m～100 m不等，成孔后下入89 mm滤管后，进行常压注浆，施工现场如图5所示。现场试验表明，采用帷幕注浆法起到了较好的止水效果。
5、结束语
采用帷幕注浆法对地下三个含水层进行止水封堵，对注浆钻孔间距、钻孔深度、注浆孔结构进行了设计优化，开展了试验段帷幕注浆施工，现场试验表明，采用帷幕注浆法起到了较好的止水效果，在类似工程中具有参考价值。
图3注浆钻孔施工顺序示意
图4注浆孔成孔工艺示意
图5注浆孔施工
参考文献:
[1]刘强,张可能,尹琼.矿山帷幕注浆过程控制及注浆效果评价[M].长沙:中南大学出版社,2018.
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文章来源:苏文中,吴浩,张磊.帷幕注浆技术在某煤矿止水工程中的应用[J].科学技术创新,2024(13):169-172.
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