萬福礦井深部巷道過富水灰?guī)r層預(yù)注漿治理技術(shù)

呂文茂，錢自衛(wèi)，孟凡貞，范寶江

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城273500；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.兗煤萬福能源有限公司，山東 菏澤274900）

工作面預(yù)注漿法是巷道過富水含水層水害防治最常用的方法之一。在巷道未掘進(jìn)揭露含水層前布置鉆場，對含水層開展工作面預(yù)注漿，使?jié){液預(yù)先充填圍巖裂隙，在巷道周圈形成封水帷幕，以保證巷道掘進(jìn)通過富水含水層時不再出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。萬福礦井井底車場建設(shè)階段多條巷道需穿越太原組第3層灰?guī)r巖溶裂隙含水層（簡稱：三灰）施工，該礦井三灰埋深大、承壓高、富水性較強，巷道施工前需對三灰開展預(yù)注漿治理。本研究將以萬福礦井回風(fēng)大巷為例，研究該巷道預(yù)注漿治理三灰水害技術(shù)。

1 回風(fēng)大巷概況

兗煤萬福礦井位于山東巨野煤田的最南端，為當(dāng)前山東省內(nèi)唯一在建礦井。該礦井采用立井、暗斜井開拓，井底車場布置于-820、-950 m 2個水平。-820水平井底車場的軌道、回風(fēng)、進(jìn)風(fēng)大巷、雙煤倉、溜井、炸藥庫均穿越三灰施工（見圖1）。-820水平回風(fēng)大巷斷面為矩形，采用綜掘法施工，錨網(wǎng)噴支護(hù)，凈斷面寬×高為5.4 m×4.4 m，頂幫錨網(wǎng)噴厚度150 mm。

圖1 萬福礦井回風(fēng)大巷剖面圖

2 三灰水文地質(zhì)條件

1）三灰發(fā)育情況。萬福礦井-820水平井底區(qū)域三灰的厚度8.14～8.44 m，三灰產(chǎn)狀為120°∠13°～18°，三灰與3煤的間距62 m左右，三灰距離奧灰115 m左右。

2）三灰富水滲透性。-820水平三灰井下簡易放水試驗獲得滲透系數(shù)為3.40～7.75m/d，為中等滲透性；井下三灰放水試驗獲得三灰單位涌水量為0.072～0.170L/(s·m)，為中等富水性[1-2]。

3）三灰及其上下巖層的強度。根據(jù)風(fēng)、主、副井筒井檢孔報告，三灰上下砂巖層抗拉強度為0.45～1.52 MPa，平均1.05 MPa；泥巖抗拉強度為0.36～1.59 MPa，平均0.70 MPa；三灰抗拉強度為2.64～4.23 MPa，平均3.40 MPa。

3 回風(fēng)大巷三灰水害預(yù)注漿治理方案

3.1 注漿帷幕厚度計算

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》巷道安全隔水厚度計算公式[3-4]：

式中：t為安全隔水層厚度（m）；L為巷道底板寬度（m），取石門掘進(jìn)最大寬度5.7 m；γ為底板隔水層的平均容重（M N/m3），取0.024 M N/m3；Kp為隔水層的平均抗張強度（MPa），三灰上下50 m段泥巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r加權(quán)平均抗拉強度為1.3 MPa；P為底板隔水層承受的水頭壓力（MPa），取8.0 MPa。

以此計算，在原始水壓8.0 MPa的條件下，巷道施工安全隔水層厚度t為10.0 m，考慮到巷道掘進(jìn)圍巖產(chǎn)生松動圈，松動圈厚度取3.0 m，則巷道施工13.0 m范圍內(nèi)的含水層需進(jìn)行治理。以此計算結(jié)果，巷道三灰威脅區(qū)段長度約為169 m。

3.2 注漿鉆孔布置

回風(fēng)石門三灰注漿鉆場布置于回風(fēng)石門入口向前40 m位置（距離H1導(dǎo)線點48 m），鉆場巷道停頭位置上距三灰底板13 m?；仫L(fēng)石門制漿治理目的層位三灰，共設(shè)計15個注漿孔（4個中線孔+4個左幫孔+4個右?guī)涂?3個驗證孔），均布置于巷道迎頭。注漿孔設(shè)計如圖2所示，鉆孔的設(shè)計深度47～156 m（實際施工過程中確保鉆孔穿過三灰即可停鉆注漿），總鉆巖進(jìn)尺1 692 m。預(yù)設(shè)漿液擴散半徑6.0 m，能夠形成交圈效果。

圖2 三灰段預(yù)注漿鉆孔設(shè)計圖

3.3 鉆進(jìn)成孔及鉆孔結(jié)構(gòu)

井下三灰注漿孔均設(shè)計安裝套管，套管長度8 m，?108 mm?？卓诠馨惭b完成后，套孔鉆進(jìn)設(shè)計采用?75 mm鉆頭。上仰孔采用水泥-水玻璃雙液漿外注內(nèi)返漿法固管，水平及下俯孔采用內(nèi)注外返漿法固管。待固管漿液充分固結(jié)后，注漿孔采用?75 mm鉆頭無芯套孔鉆進(jìn)至8.5 m進(jìn)行耐壓試驗，試驗壓力不小于12.0 MPa（最大水壓的1.5倍）。確保孔口管安裝穩(wěn)固后，原位采用?75 mm鉆頭無芯套孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時孔口必須安裝高壓防噴閥門。

3.4 注漿材料選用

本注漿主要選用純水泥漿液及水泥-水玻璃雙液漿，純水泥漿為主、雙液漿為輔。水泥設(shè)計選用標(biāo)號為42.5的水泥，水玻璃濃度36波美度。水泥基漿液采用普通水泥與水按一定比例混合而成，水泥漿屬于顆粒懸浮液，主要適用于類似三灰這種富水巖層寬大裂隙、空洞的充填。

3.5 注漿壓力控制

根據(jù)有關(guān)規(guī)范，注漿終壓一般選擇為靜水壓力的2～5倍，參考該礦風(fēng)井、副井、主井預(yù)注漿的經(jīng)驗，確保注漿施工過程的安全，本次三灰在疏降條件下預(yù)注漿孔口終壓設(shè)計為12.0 MPa。

3.6 注漿工藝

原則上各注漿孔設(shè)計單次注漿，直接鉆進(jìn)至設(shè)計孔深進(jìn)行注漿即可。如鉆進(jìn)過程中遇到塌孔、卡鉆等鉆孔現(xiàn)象，則提鉆注漿加固后，再套孔延伸至設(shè)計深度注漿即可。

工藝流程：根據(jù)壓水及鉆孔出水情況，確定注漿壓力和漿液配比→注漿，待壓力升高后停注→（套孔鉆進(jìn)→注漿，待壓力升高后停注）→封孔。

每個鉆孔注漿時，初注用濃漿，復(fù)注時逐漸降低漿液濃度，但每次注漿時，一般先稀后濃。當(dāng)漿液在裂隙中沉析、充填階段，若壓力不升且進(jìn)漿量也不減時，應(yīng)逐漸加大漿液濃度；反之，若壓力上升快且進(jìn)漿量減量也快，應(yīng)依次降低漿液濃度。

4 實際注漿情況及效果

回風(fēng)大巷三灰注漿共消耗水泥548 t，按注漿治理層巖體體積計算，漿液對注漿治理層段的充填率約為2.5%。圖3為按照施工順序繪制的鉆孔出水量統(tǒng)計圖，可見施工后期隨著注漿的進(jìn)行，施工鉆孔的水量整體呈現(xiàn)降低的趨勢。在本階段最后施工的HZ51、HZ58號2個孔最大水量分別為20 m3/h、2 m3/h，明顯小于前期施工的鉆孔，注漿結(jié)束后施工3個驗證孔H J60、H J61，H J62號，僅H J61出水約1 m3/h，說明注漿效果較好。

圖3 按照施工次序鉆孔涌水量及注漿量

后期回風(fēng)大巷掘進(jìn)穿過三灰，發(fā)現(xiàn)三灰裂隙發(fā)育，裂隙中漿液充填飽滿，掘進(jìn)時無明顯出水現(xiàn)象，僅有迎頭位置少量滴水，注漿效果大幅高于預(yù)期，三灰水害防治取得成功。

5 結(jié)論

1）萬福礦井-820水平井底車場多條倉巷穿越太原組第三層灰?guī)r巖溶裂隙含水層施工，該層灰?guī)r埋深大、承壓高、富水性較強，需提前進(jìn)行水害治理。

2）設(shè)計采用工作面預(yù)注漿的方式進(jìn)行三灰水害治理，合理確定的注漿帷幕厚度、注漿孔參數(shù)、注漿材料、注漿壓力及施工工藝。

3）注漿后通過檢查孔的出水情況及后期實際開挖檢驗，發(fā)現(xiàn)三灰裂隙中漿液充填飽滿，掘進(jìn)時無明顯出水現(xiàn)象，注漿效果大幅高于預(yù)期，深部巷道三灰水害注漿治理取得成功。