万福矿井深部巷道过富水灰岩层预注浆治理技术

吕文茂，钱自卫，孟凡贞，范宝江

（1.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城273500；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116；3.兖煤万福能源有限公司，山东 菏泽274900）

工作面预注浆法是巷道过富水含水层水害防治最常用的方法之一。在巷道未掘进揭露含水层前布置钻场，对含水层开展工作面预注浆，使浆液预先充填围岩裂隙，在巷道周圈形成封水帷幕，以保证巷道掘进通过富水含水层时不再出现涌水现象。万福矿井井底车场建设阶段多条巷道需穿越太原组第3层灰岩岩溶裂隙含水层（简称：三灰）施工，该矿井三灰埋深大、承压高、富水性较强，巷道施工前需对三灰开展预注浆治理。本研究将以万福矿井回风大巷为例，研究该巷道预注浆治理三灰水害技术。

1 回风大巷概况

兖煤万福矿井位于山东巨野煤田的最南端，为当前山东省内唯一在建矿井。该矿井采用立井、暗斜井开拓，井底车场布置于-820、-950 m 2个水平。-820水平井底车场的轨道、回风、进风大巷、双煤仓、溜井、炸药库均穿越三灰施工（见图1）。-820水平回风大巷断面为矩形，采用综掘法施工，锚网喷支护，净断面宽×高为5.4 m×4.4 m，顶帮锚网喷厚度150 mm。

图1 万福矿井回风大巷剖面图

2 三灰水文地质条件

1）三灰发育情况。万福矿井-820水平井底区域三灰的厚度8.14～8.44 m，三灰产状为120°∠13°～18°，三灰与3煤的间距62 m左右，三灰距离奥灰115 m左右。

2）三灰富水渗透性。-820水平三灰井下简易放水试验获得渗透系数为3.40～7.75m/d，为中等渗透性；井下三灰放水试验获得三灰单位涌水量为0.072～0.170L/(s·m)，为中等富水性[1-2]。

3）三灰及其上下岩层的强度。根据风、主、副井筒井检孔报告，三灰上下砂岩层抗拉强度为0.45～1.52 MPa，平均1.05 MPa；泥岩抗拉强度为0.36～1.59 MPa，平均0.70 MPa；三灰抗拉强度为2.64～4.23 MPa，平均3.40 MPa。

3 回风大巷三灰水害预注浆治理方案

3.1 注浆帷幕厚度计算

依据《煤矿防治水细则》巷道安全隔水厚度计算公式[3-4]：

式中：t为安全隔水层厚度（m）；L为巷道底板宽度（m），取石门掘进最大宽度5.7 m；γ为底板隔水层的平均容重（M N/m3），取0.024 M N/m3；Kp为隔水层的平均抗张强度（MPa），三灰上下50 m段泥岩、细砂岩、灰岩加权平均抗拉强度为1.3 MPa；P为底板隔水层承受的水头压力（MPa），取8.0 MPa。

以此计算，在原始水压8.0 MPa的条件下，巷道施工安全隔水层厚度t为10.0 m，考虑到巷道掘进围岩产生松动圈，松动圈厚度取3.0 m，则巷道施工13.0 m范围内的含水层需进行治理。以此计算结果，巷道三灰威胁区段长度约为169 m。

3.2 注浆钻孔布置

回风石门三灰注浆钻场布置于回风石门入口向前40 m位置（距离H1导线点48 m），钻场巷道停头位置上距三灰底板13 m。回风石门制浆治理目的层位三灰，共设计15个注浆孔（4个中线孔+4个左帮孔+4个右帮孔+3个验证孔），均布置于巷道迎头。注浆孔设计如图2所示，钻孔的设计深度47～156 m（实际施工过程中确保钻孔穿过三灰即可停钻注浆），总钻岩进尺1 692 m。预设浆液扩散半径6.0 m，能够形成交圈效果。

图2 三灰段预注浆钻孔设计图

3.3 钻进成孔及钻孔结构

井下三灰注浆孔均设计安装套管，套管长度8 m，ϕ108 mm。孔口管安装完成后，套孔钻进设计采用ϕ75 mm钻头。上仰孔采用水泥-水玻璃双液浆外注内返浆法固管，水平及下俯孔采用内注外返浆法固管。待固管浆液充分固结后，注浆孔采用ϕ75 mm钻头无芯套孔钻进至8.5 m进行耐压试验，试验压力不小于12.0 MPa（最大水压的1.5倍）。确保孔口管安装稳固后，原位采用ϕ75 mm钻头无芯套孔钻进，钻进时孔口必须安装高压防喷阀门。

3.4 注浆材料选用

本注浆主要选用纯水泥浆液及水泥-水玻璃双液浆，纯水泥浆为主、双液浆为辅。水泥设计选用标号为42.5的水泥，水玻璃浓度36波美度。水泥基浆液采用普通水泥与水按一定比例混合而成，水泥浆属于颗粒悬浮液，主要适用于类似三灰这种富水岩层宽大裂隙、空洞的充填。

3.5 注浆压力控制

根据有关规范，注浆终压一般选择为静水压力的2～5倍，参考该矿风井、副井、主井预注浆的经验，确保注浆施工过程的安全，本次三灰在疏降条件下预注浆孔口终压设计为12.0 MPa。

3.6 注浆工艺

原则上各注浆孔设计单次注浆，直接钻进至设计孔深进行注浆即可。如钻进过程中遇到塌孔、卡钻等钻孔现象，则提钻注浆加固后，再套孔延伸至设计深度注浆即可。

工艺流程：根据压水及钻孔出水情况，确定注浆压力和浆液配比→注浆，待压力升高后停注→（套孔钻进→注浆，待压力升高后停注）→封孔。

每个钻孔注浆时，初注用浓浆，复注时逐渐降低浆液浓度，但每次注浆时，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时，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。

4 实际注浆情况及效果

回风大巷三灰注浆共消耗水泥548 t，按注浆治理层岩体体积计算，浆液对注浆治理层段的充填率约为2.5%。图3为按照施工顺序绘制的钻孔出水量统计图，可见施工后期随着注浆的进行，施工钻孔的水量整体呈现降低的趋势。在本阶段最后施工的HZ51、HZ58号2个孔最大水量分别为20 m3/h、2 m3/h，明显小于前期施工的钻孔，注浆结束后施工3个验证孔H J60、H J61，H J62号，仅H J61出水约1 m3/h，说明注浆效果较好。

图3 按照施工次序钻孔涌水量及注浆量

后期回风大巷掘进穿过三灰，发现三灰裂隙发育，裂隙中浆液充填饱满，掘进时无明显出水现象，仅有迎头位置少量滴水，注浆效果大幅高于预期，三灰水害防治取得成功。

5 结论

1）万福矿井-820水平井底车场多条仓巷穿越太原组第三层灰岩岩溶裂隙含水层施工，该层灰岩埋深大、承压高、富水性较强，需提前进行水害治理。

2）设计采用工作面预注浆的方式进行三灰水害治理，合理确定的注浆帷幕厚度、注浆孔参数、注浆材料、注浆压力及施工工艺。

3）注浆后通过检查孔的出水情况及后期实际开挖检验，发现三灰裂隙中浆液充填饱满，掘进时无明显出水现象，注浆效果大幅高于预期，深部巷道三灰水害注浆治理取得成功。