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摘 要：新维煤矿主井筒开掘至165～250m段揭露富水断层F175，井筒围岩软弱、裂隙发育，易引起河水倒灌及大量淋水对井筒稳定造成较大威胁。本文根据工程地质条件，提出采用架设矿工钢支架、背接金属网、超前注浆及喷浆封闭与二次模筑钢筋防水混凝土相结合的联合支护方法，完成过断层水患防治工作，达到理想效果，为同类井筒施工提供有益经验和借鉴。
关键词：井筒 富水断层 注浆 联合支护
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0031-03
Research on Water Prevention and Control Technology of Ultra Shallow Well Bore with Strong Water-rich Fault
WANG Kexiong YIN Zhengchuan
（Xinwei Coal Mine， Furong Company，Sichuan Coal Group， Junlian， Sichuan Province， 645250 China）
Abstract： The water-rich fault F175 is exposed from the main shaft to 165 ～ 250m in Xinwei Coal Mine. The surrounding rock is weak and the fractures are well developed. According to the engineering geological conditions， this paper puts forward the combined support method of pre-grouting， i-shaped steel frame， Steel Mesh， connecting bar and shotcreting， which combines the primary support with the secondary formwork reinforced waterproof concrete， the work of prevention and control of water disaster through fault is completed， and the ideal effect is achieved， which provides beneficial experience and reference for similar shaft construction.
Key Words： Shaft; Water-rich fault; Grouting; Combined support
新維煤矿维新主、副斜井及管道斜井井口与新场井主、副平硐共用一个工业广场，工业广场位于镇舟河西岸的乌龟田附近，在井田西北部，广场地面标高+431m，三条井筒均为同向施工，相对间距在35m左右。维新主斜井主要用于维新井的煤炭运输、维新副斜井主要用于矿井的材料运输、管子斜井主要用于矿井的行人、供风及供排水等，服务年限均在70年以上。作为矿井的主要开拓巷道[1]，井筒施工到250m、180m、165m时遇断层F175，三条大巷与地面距离均较近，主斜井是35m，副斜井是34m，管子井距是38m，和镇舟河平面距离最近52m。三条大巷均会从镇舟河下过，镇舟河水体极易从断层风化裂隙带渗入甚至涌入巷道，这对于巷道的掘进存在较大的透水安全隐患。本课题通过对富水断层地层岩性渗水河床的勘探岩芯、裂隙情况、水质化验等综合分析巷道所穿河床段的岩性及水文地质资料，确定井巷治水方案和支护方式及选择正确的施工工艺;通过先进的巷道支护技术及注浆技术，制定安全有保障、经济可操作性的目的，保证近距离河水下浅埋深井巷施工安全、顺利。
1 地质情况
维新主副斜井及管子井大巷层位要穿过宣威组粉砂岩夹泥岩，其中，掘进过程中有部分煤线及峨眉山组凝灰岩和玄武岩，该组煤岩层受风化等影响，导致其稳定性变差，需在掘进过程中加强顶板支护，否则有大面积冒顶的风险。因围岩破碎，煤岩层裂隙导通导致其瓦斯等气体含量增加，在掘进期间必须加强瓦斯等监测。巷道过泥岩等软岩段极易发生变形，在掘进期间需及时喷浆封闭。
井筒过F175断层段岩性主要为断层角砾岩、糜棱岩及断层破碎带所影响的范围，岩体多为破碎状结晶及镶嵌结构，岩体完整性差，围岩级别为V级。该断层为压扭性断层，断层带隔水，两盘富水性较好，断层在宣威组地层中导水性弱，在玄武岩地层中导水性很强，在茅口组灰岩中导水性也很强，导致玄武岩与茅口灰岩将发生水力联系，在断层影响带形成强充水地段，在主斜井掘进时易发生突水突泥事故。主斜井遇断层位置，详见图1。
2 方案确定
通过多种方法计算、研究和分析，并结合设防段巷道岩性特点、掘进施工工艺、支护工艺等参数，从而确定该类巷道的施工作业流程：架设矿工钢支架、背接金属网、超前注浆及喷浆封闭与二次模筑钢筋防水混凝土相结合的联合支护。注浆采用水泥浆，并采用长距离注浆的方式确保安全;支架间距0.8m;金属网为Φ6.5mm钢筋制作，网孔140mm×140mm，长×宽：2520mm×1050mm。
3 井筒过断层注浆堵水技术参数
3.1 注浆段长
通过对F175断层影响带岩石破碎和静压水压力、储水量的测定，注浆段确定为30m。 3.2 止浆墙
F175断层段岩层破碎或有涌水不能够作岩帽，采用C20混凝土砌厚度为1.0m止浆墙。
3.3 布孔方式
主斜井全断面宽4.6m，高3.7m。在全断面布置注浆孔16个，布孔图详见图2所示。所有注浆孔都带有5°～6°的经向外扎角，保证注浆液沿裂隙扩散。
3.4 注浆段高
注浆段高，控制在5m以内，钻孔钻进过程中，涌水量大于3m3/h，这时必须立即停钻注浆，不得顶水钻进。
3.5 注浆参数
3.5.1 注浆终压
为防止跑浆及封闭效果，第一段注浆压力稍微高于受注点静水压力，取终浆压力为静水压力的2.0～2.5倍。再采用逐段加大注浆压力，利用注浆高压力推挤断层破碎带，达到密实、胶结、隔水效果。确定第一段注浆终压崭定为2MPa，第二段为4MPa，第三段为8MPa。
3.5.2 注入量
当钻孔涌水量为5～10m3/h，注入5t水泥之后;钻孔涌水量达到10～20m3/h，水泥浆注入10t之后;钻孔涌水量达到20m3/h以上，水泥注入15t之后，采取停停注注的方法，控制浆液不要扩散太远。
3.6 浆液的选择
F175断层注浆，选择以单液水泥浆为主的注浆方式。在钻孔涌水量<5m3/h或者钻孔进入断层破碎带、夹泥带，单液水泥浆的起始浓度为2：1。注浆30min后，注浆压力没变化，调整一级浓度到水灰比1.5：1，再注30min没变化，单液水泥浆水灰比调到1：1，直到注浆结束。
如果钻孔涌水量>5 m3/h，单液水泥浆的起始浓度为水灰比1：1，注入60min压力没变化，水泥浆浓度调整为水灰比0.8：1，直到注浆结束。
单液水泥浆在制浆过程中需要注意的是：一定要加入復合速凝早强剂（三乙醇胺和食盐），这样能缩短初凝时间，减少等干时间，缩短工期。
水灰比为1：1的单液水泥浆在标准条件下，初凝时间为11～12h，加入复合速凝早强剂（三乙醇胺和食盐）后，初凝时间可缩短为6～7h。三乙醇胺（工业级）加水泥重量的0.5‰。工业食盐加水泥重量的5‰。
4 预裂注浆效果检验
采用一台小型坑道钻机，配φ63.5mm或φ75mm的筒状取芯钻头和1m长的岩芯管以及φ42mm普通钻杆、异径接头，对注浆段进行取芯。若岩芯f≥6，20m孔深;岩石f≤6，进入2m就可结束。当取芯钻孔涌水量≤2m3/h，方可掘进;>2m3/h则再次补孔注浆，直到再次检测涌水量≤2m3/h为止。
通过取芯钻孔实测涌水量为1.88m3/h，可以停止注浆，进行掘进。通过对岩芯试件的检测，岩芯试件f=5，掘进采用施工超前管棚作临时支护。
5 巷道支护
巷道掘进采用分次爆破的浅循环作业方式，每次进度不大于0.8m，保证架设一组支架的距离（0.8m/架）。爆破期间循环装药量≯5kg，采用光面爆破，确保眼痕率及巷道成型。初步支护采用架设矿工钢支架、背接金属网、超前注浆及喷浆封闭，之后采用二次模筑钢筋防水混凝土做永久支护。
6 结语
通过先进的掘进施工工艺及河床下放水技术，采用可靠的先进设备，通过注浆工艺穿越河床，制定出一套经济上合理、安全可靠、技术上可行的掘进技术体系，为浅埋深河体下掘进施工提供技术保障，积累了先进的掘进经验。
（1）巷道治水完全达到设计的二级防水要求，巷内无滴水段;
（2）通过近半年的矿压观测，巷道开挖后至初期支护完成最大沉降量在15～50mm之间，二次初砌后，最大沉降量在5mm以内。
从现场的施工情况及后期效果来看，利用先进的支护技术结合注浆工艺，能确保巷道能成功穿越河体下富水断层，保证施工期间及巷道使用的安全，值得在类似井巷施工条件下进行推广和应用。
参考文献
[1] 李刚.破碎带厚度对软岩巷道初次支护效果影响研究[J].山西化工，2018，38（6）：123-125.
[2] 李圆圆.新奥法施工数值模拟及量测研究[D].大连：大连理工大学，2018.
[3] 郭强.深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[4] 黄庆享，刘玉卫.巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论[J].采矿与安全工程学报，2015，31（3）：354-358.
[5] 常剑. 高温巷道围岩调热圈温度场及隔热支护结构调热降温机制[D].阜新：辽宁工程技术大学，2019.
[6] 郭强.深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.
关键词：井筒 富水断层 注浆 联合支护
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0031-03
Research on Water Prevention and Control Technology of Ultra Shallow Well Bore with Strong Water-rich Fault
WANG Kexiong YIN Zhengchuan
（Xinwei Coal Mine， Furong Company，Sichuan Coal Group， Junlian， Sichuan Province， 645250 China）
Abstract： The water-rich fault F175 is exposed from the main shaft to 165 ～ 250m in Xinwei Coal Mine. The surrounding rock is weak and the fractures are well developed. According to the engineering geological conditions， this paper puts forward the combined support method of pre-grouting， i-shaped steel frame， Steel Mesh， connecting bar and shotcreting， which combines the primary support with the secondary formwork reinforced waterproof concrete， the work of prevention and control of water disaster through fault is completed， and the ideal effect is achieved， which provides beneficial experience and reference for similar shaft construction.
Key Words： Shaft; Water-rich fault; Grouting; Combined support
新維煤矿维新主、副斜井及管道斜井井口与新场井主、副平硐共用一个工业广场，工业广场位于镇舟河西岸的乌龟田附近，在井田西北部，广场地面标高+431m，三条井筒均为同向施工，相对间距在35m左右。维新主斜井主要用于维新井的煤炭运输、维新副斜井主要用于矿井的材料运输、管子斜井主要用于矿井的行人、供风及供排水等，服务年限均在70年以上。作为矿井的主要开拓巷道[1]，井筒施工到250m、180m、165m时遇断层F175，三条大巷与地面距离均较近，主斜井是35m，副斜井是34m，管子井距是38m，和镇舟河平面距离最近52m。三条大巷均会从镇舟河下过，镇舟河水体极易从断层风化裂隙带渗入甚至涌入巷道，这对于巷道的掘进存在较大的透水安全隐患。本课题通过对富水断层地层岩性渗水河床的勘探岩芯、裂隙情况、水质化验等综合分析巷道所穿河床段的岩性及水文地质资料，确定井巷治水方案和支护方式及选择正确的施工工艺;通过先进的巷道支护技术及注浆技术，制定安全有保障、经济可操作性的目的，保证近距离河水下浅埋深井巷施工安全、顺利。
1 地质情况
维新主副斜井及管子井大巷层位要穿过宣威组粉砂岩夹泥岩，其中，掘进过程中有部分煤线及峨眉山组凝灰岩和玄武岩，该组煤岩层受风化等影响，导致其稳定性变差，需在掘进过程中加强顶板支护，否则有大面积冒顶的风险。因围岩破碎，煤岩层裂隙导通导致其瓦斯等气体含量增加，在掘进期间必须加强瓦斯等监测。巷道过泥岩等软岩段极易发生变形，在掘进期间需及时喷浆封闭。
井筒过F175断层段岩性主要为断层角砾岩、糜棱岩及断层破碎带所影响的范围，岩体多为破碎状结晶及镶嵌结构，岩体完整性差，围岩级别为V级。该断层为压扭性断层，断层带隔水，两盘富水性较好，断层在宣威组地层中导水性弱，在玄武岩地层中导水性很强，在茅口组灰岩中导水性也很强，导致玄武岩与茅口灰岩将发生水力联系，在断层影响带形成强充水地段，在主斜井掘进时易发生突水突泥事故。主斜井遇断层位置，详见图1。
2 方案确定
通过多种方法计算、研究和分析，并结合设防段巷道岩性特点、掘进施工工艺、支护工艺等参数，从而确定该类巷道的施工作业流程：架设矿工钢支架、背接金属网、超前注浆及喷浆封闭与二次模筑钢筋防水混凝土相结合的联合支护。注浆采用水泥浆，并采用长距离注浆的方式确保安全;支架间距0.8m;金属网为Φ6.5mm钢筋制作，网孔140mm×140mm，长×宽：2520mm×1050mm。
3 井筒过断层注浆堵水技术参数
3.1 注浆段长
通过对F175断层影响带岩石破碎和静压水压力、储水量的测定，注浆段确定为30m。 3.2 止浆墙
F175断层段岩层破碎或有涌水不能够作岩帽，采用C20混凝土砌厚度为1.0m止浆墙。
3.3 布孔方式
主斜井全断面宽4.6m，高3.7m。在全断面布置注浆孔16个，布孔图详见图2所示。所有注浆孔都带有5°～6°的经向外扎角，保证注浆液沿裂隙扩散。
3.4 注浆段高
注浆段高，控制在5m以内，钻孔钻进过程中，涌水量大于3m3/h，这时必须立即停钻注浆，不得顶水钻进。
3.5 注浆参数
3.5.1 注浆终压
为防止跑浆及封闭效果，第一段注浆压力稍微高于受注点静水压力，取终浆压力为静水压力的2.0～2.5倍。再采用逐段加大注浆压力，利用注浆高压力推挤断层破碎带，达到密实、胶结、隔水效果。确定第一段注浆终压崭定为2MPa，第二段为4MPa，第三段为8MPa。
3.5.2 注入量
当钻孔涌水量为5～10m3/h，注入5t水泥之后;钻孔涌水量达到10～20m3/h，水泥浆注入10t之后;钻孔涌水量达到20m3/h以上，水泥注入15t之后，采取停停注注的方法，控制浆液不要扩散太远。
3.6 浆液的选择
F175断层注浆，选择以单液水泥浆为主的注浆方式。在钻孔涌水量<5m3/h或者钻孔进入断层破碎带、夹泥带，单液水泥浆的起始浓度为2：1。注浆30min后，注浆压力没变化，调整一级浓度到水灰比1.5：1，再注30min没变化，单液水泥浆水灰比调到1：1，直到注浆结束。
如果钻孔涌水量>5 m3/h，单液水泥浆的起始浓度为水灰比1：1，注入60min压力没变化，水泥浆浓度调整为水灰比0.8：1，直到注浆结束。
单液水泥浆在制浆过程中需要注意的是：一定要加入復合速凝早强剂（三乙醇胺和食盐），这样能缩短初凝时间，减少等干时间，缩短工期。
水灰比为1：1的单液水泥浆在标准条件下，初凝时间为11～12h，加入复合速凝早强剂（三乙醇胺和食盐）后，初凝时间可缩短为6～7h。三乙醇胺（工业级）加水泥重量的0.5‰。工业食盐加水泥重量的5‰。
4 预裂注浆效果检验
采用一台小型坑道钻机，配φ63.5mm或φ75mm的筒状取芯钻头和1m长的岩芯管以及φ42mm普通钻杆、异径接头，对注浆段进行取芯。若岩芯f≥6，20m孔深;岩石f≤6，进入2m就可结束。当取芯钻孔涌水量≤2m3/h，方可掘进;>2m3/h则再次补孔注浆，直到再次检测涌水量≤2m3/h为止。
通过取芯钻孔实测涌水量为1.88m3/h，可以停止注浆，进行掘进。通过对岩芯试件的检测，岩芯试件f=5，掘进采用施工超前管棚作临时支护。
5 巷道支护
巷道掘进采用分次爆破的浅循环作业方式，每次进度不大于0.8m，保证架设一组支架的距离（0.8m/架）。爆破期间循环装药量≯5kg，采用光面爆破，确保眼痕率及巷道成型。初步支护采用架设矿工钢支架、背接金属网、超前注浆及喷浆封闭，之后采用二次模筑钢筋防水混凝土做永久支护。
6 结语
通过先进的掘进施工工艺及河床下放水技术，采用可靠的先进设备，通过注浆工艺穿越河床，制定出一套经济上合理、安全可靠、技术上可行的掘进技术体系，为浅埋深河体下掘进施工提供技术保障，积累了先进的掘进经验。
（1）巷道治水完全达到设计的二级防水要求，巷内无滴水段;
（2）通过近半年的矿压观测，巷道开挖后至初期支护完成最大沉降量在15～50mm之间，二次初砌后，最大沉降量在5mm以内。
从现场的施工情况及后期效果来看，利用先进的支护技术结合注浆工艺，能确保巷道能成功穿越河体下富水断层，保证施工期间及巷道使用的安全，值得在类似井巷施工条件下进行推广和应用。
参考文献
[1] 李刚.破碎带厚度对软岩巷道初次支护效果影响研究[J].山西化工，2018，38（6）：123-125.
[2] 李圆圆.新奥法施工数值模拟及量测研究[D].大连：大连理工大学，2018.
[3] 郭强.深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[4] 黄庆享，刘玉卫.巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论[J].采矿与安全工程学报，2015，31（3）：354-358.
[5] 常剑. 高温巷道围岩调热圈温度场及隔热支护结构调热降温机制[D].阜新：辽宁工程技术大学，2019.
[6] 郭强.深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.