兖煤菏泽能化有限公司万福矿井风井井筒基岩段(-782m～-861m)探水预注浆及防奥灰突水加固施工方案

1、兖煤菏泽能化有限公司万福矿井风井井筒基岩段（-782m-861m）探水预注浆及防奥灰突水加固施工方案1 施工概况 万福矿井风井井筒于2016年3月31日完成了-785m以上套壁工作。（风井井口地坪绝对标高+45m，除水文地质资料、施工段地层岩性表外，本措施内标高均为绝对标高），风井井筒净直径6m，井底连接处设计标高-820m，井底水窝设计标高-835m。-785m以上井壁均为双层复合井壁钢筋混凝土结构。自-785m-835m至还剩余50m井筒未掘进。根据矿方提供主井井检孔资料显示，井筒在掘进至井底水窝底板时，水窝底板距十下灰上界面6.8m、下界面13m，距奥灰上界面50.2m。由于十下灰局部段

2、岩石破碎，且十下灰与奥灰间距小，十下灰与奥灰间有可能会通过破碎带和构造发生水力联系。为了确保井筒基岩段及井底连接处施工安全，经矿方同意决定对-782m-861m进行探水注浆加固，通过本次探水预注浆对十下灰进行超前打钻、注浆加固，防止基岩段掘进期间高承压含水层奥灰通过断层、构造带与十下灰沟通，造成十下灰突水，为下一步施工创造安全条件。1.1 地质及水文地质情况施工段地层主要为石炭系上统太原组(P1t)、中统本溪组(C2b)及奥陶系中、下统(O1-2m)地层，其中太原组(P1t)由灰至灰黑色泥岩、粉砂岩、砂岩、薄层灰岩及煤层组成，底部有杂色含鲕粒泥岩，与本溪组连续沉积。石炭系上统本溪组(C2b)主

3、要由紫色、灰色泥岩、砂岩及石灰岩组成，含灰岩23层(十二、十三、十四)，底部常为一层紫红色铁铝质泥岩，与下伏奥陶系地层呈假整合关系。奥陶系中、下统(O1-2m)主要为灰至深灰色厚层状石灰岩，夹多层白云质灰岩、白云岩及薄层泥岩，岩溶裂隙发育，为煤系下伏地层的主要充水含水层，区内共5个孔揭露，揭露最大厚度52.54m。 地层倾向北西向、倾角35°，井筒西侧230m外存在3条断层：FW13b断层：走向北东，倾向南东，倾角70°，落差015m。FG6断层：走向北北东，倾向南东东，倾角70°，落差07m。FG7断层：走向北北东，倾向南东东，倾角70°，落差012m

4、。根据水文地质资料，对井筒下部施工有影响的含水层主要为太原组十下灰，奥陶系灰岩含水层。太原组十下灰含水层：位于孔深887.20m893.40m，浅灰色、灰色石灰岩，厚6.20m，块状、致密、质较纯、局部有裂隙。十下灰段冲洗液消耗量为00.20m3/h。本含水层富水性弱。在927.10930.77m发现有破碎带,厚度为3.24m。井田内9孔揭露，厚6.057.66m，平均6.74m。浅部裂隙发育，局部有溶蚀现象，充填方解石与泥质。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层：井田内有5孔揭露，揭露厚度3.6952.54m，其中W-24、W-28、291号孔揭露厚度大于40m。岩性为浅灰至棕灰色,厚层状石灰岩,见有裂

5、隙及小溶洞,有的被方解石充填或半充填，未见漏水孔。主井检查孔所穿过的地层取芯率高，岩芯完整，地层倾角46°，在927.10930.77m发现有破碎带,厚度为3.24m。奥陶系石灰岩：底深981.35m（未透），厚50.25m，主要成分为灰色、灰白色石灰岩，坚硬、致密，具缝合线构造，中夹泥质，具裂隙，多被充填方解石。位于孔深930.77m以深，浅灰色、灰色石灰岩，揭露厚度50.58m（钻探成果），块状、致密、质较纯、局部有裂隙，充填方解石。奥灰段冲洗液消耗量为00.20m3/h。经抽水试验q=0.002254l/s.m，矿化度为3.843g/L，水温28°C，水质类型SO2-

6、4-K+·Na+型水，静止水位深6.57m（静止水位高程为+36.272m），恢复水位深7.48m（恢复水位高程为+35.362m）。表1-1 万福矿井风井井筒柱状图，施工段地层岩性层数层厚（m）累深（m）岩性13.2826.32粗粒砂岩22.46828.78泥岩35.89834.67粗粒砂岩40.5835.17泥岩51.4836.57细粒砂岩61.26837.83石灰岩70.4838.23煤80.67838.90泥岩91.43840.33石灰岩100.4840.7312上煤111.0841.73泥岩123.43845.16细粒砂岩131.3846.46中粒砂岩141.69848.1

7、5泥岩152.04850.19石灰岩160.2850.3914煤173.68854.07细粒砂岩182.6856.67粉砂岩197.47864.14细粒砂岩205.03869.17粉砂岩212.73871.90石灰岩220.5872.4015上煤232.76875.16细粒砂岩241.27876.43粉砂岩254.08880.51泥岩263.78884.29细粒砂岩272.91887.20泥岩286.2893.40石灰岩（十下）290.53893.93煤301.84895.77泥岩312.9898.67细粒砂岩323.79902.46粉砂岩331.84904.3细粒砂岩344.55908.85

8、泥岩351.85910.7粉砂岩361.58912.28细粒砂岩378.35920.63泥岩384.98925.61粉砂岩391.92927.53泥岩403.24930.77铝质泥岩4150.28981.05奥灰图1-1 万福煤矿风井井筒-782m-861m探水预注浆段终孔位置、剖面、标高示意图2 施工目的通过本次探水预注浆施工，对-782m-861m地层（包括十下灰）进行注浆加固改造，防止奥灰突水，保证井筒及井底老坑掘砌施工安全。3 排水系统 排水系统设计两趟独立排水管路：3.1 第一趟排水系统的组成有司泵工、108×4.5mm排水管路、电缆（型号为MY-3×70+1&#

9、215;25）1000m、启动柜（400A）、一台潜水泵（型号为80 LW 65-25-7.5）（工作面水窝内）（备用一台）、三台（一用一备一检修）50m3/h的卧泵（型号为80DM-90×12）、水箱（规格长×宽×深为1.5m×1.25m×2.5m）。 3.2 第二趟排水系统的组成有司泵工、159×5mm排水管路、电缆（型号为MY-3×70+1×25）1000m、启动柜（400A）、二台（一用一备）扬程900m的潜水泵（型号为QJ50-900-300kw）。排水过程：正常探放水施工期间，工作面止浆垫中心设一水窝，

10、水窝规格长×宽×深为500mm×500mm×500mm，水窝内布置一台扬程25m，排水能力为80m3/h的潜水泵（备用一台），通过潜水泵排至上层吊盘的水箱内，经吊盘上的卧泵通过排水管路排至地面。排水路线：井底水窝吊盘水箱吊盘上的卧泵108mm排水管井口排水路线2：井底水窝潜水泵159mm排水管井口4 止浆岩帽及止浆垫抗压强度计算因二级管长度为21m，减去3m的止浆垫，剩余18m套管进入的岩石，经过注浆加固后作为预留止浆岩帽。4.1 冻结段-785-803m承受注浆压力（利用冻结岩石强度及二级套管注浆补强）计算：利用止浆岩帽预留厚度计算公式： 其中 D井筒

11、净直径，取值6m岩石的允许抗剪强度，取最低值0.8MPaB预留岩帽厚度，取18m计算得-785m-803m 止浆岩帽承可承受注浆压力P=9.6MPa4.2 混凝土止浆垫厚度计算：利用混凝土止浆垫厚度计算公式：其中 P混凝土止浆垫承受注浆终压，取值9MPa井筒荒半径4.3m混凝土允许抗压强度取28d强度的1/3（混凝土标号C60），取21MPa。经计算设计止浆垫厚度为3.13m。经计算利用厚18m的止浆岩帽和3.13m厚的止浆垫共同作用可承受的最大注浆压力为18.6MPa，可满足设计最终注浆15 MPa的要求。止浆垫施工时上平面尽量平整，保证止浆垫的质量，养护达到混凝土设计标号（C60）。5 注

12、浆系统5.1 井下注浆系统：井下注浆采用2ZBSB1.927.2/10.53-11型高压电动双液往复式注浆泵，人工在井下工作面按配比制作浆液进行注浆，井下注浆系统主要用于钻孔孔口管的埋设、孔口管试压及钻孔注浆结束的封堵。5.2 地面注浆系统：从地面敷设一趟38mm高压注浆胶管。地面注浆采用XPB-90C高压电动无极调速注浆泵注浆，浆液制作利用地面搅拌站进行下灰至电动搅拌桶内，无论孔内水量大小首先使用地面注浆站进行压水试验30分钟（根据压水情况，如压水试验压力上升较慢或无压时，说明孔内裂隙发育，采用地面注浆泵进行注浆。如压水试验压力上升较快时，说明孔内裂隙不发育，采用井下注浆泵进行注浆）。图5.

13、2-1 井下注浆工艺流程图5.2-2 井下注浆工艺流程6 施工方案6.1 本次施工前要进行物探，物探结束后进行探水预注浆。注浆段高的确定：本次施工段为井筒-782m-861m段，段高79m。6.2 钻孔设计：设计探水预注浆钻孔23个。表6.2-1 钻孔参数孔 号方位(°)倾角(°)孔深（m）孔 号方位(°)倾角(°)孔 深（m）检1#孔-907910#270-83801#0-838011#300-83802#30-838012#330-83803#60-838013#345-73824#90-838014#0-73825#120-838015#15-73

14、826#150-838016#165-73827#180-838017#180-73828#210-838018#195-73829#240-838019#90-8779.520#180-8779.521#270-8779.522#360-8779.5备注首先施工井筒探水孔，然后施工马头门探水孔，再施工检验孔，最后施工检1#孔，探水孔钻进至终孔后要及时注浆封堵，并确保封孔质量；表中13#18#孔为马头门探水孔。一级孔口管长8m，二级孔口管长21m。一级孔口管壁厚为6mm。二级孔口管壁厚为4.5mm专用地质孔口管。6.3 钻孔的设计及控制范围6.3.1 本次钻孔设计分为一圈孔、二圈孔、马头门钻孔

15、、中心检验孔。一圈孔共12个，开孔位置在距井壁0.5m的圆周上均匀布置，孔间距1.3m。以井筒中心线为标准，终孔位置控制在距井壁荒径外9.7m，以井底水窝为标准，终孔位置控制井底水窝底板以下26m。根据煤矿防治水规定要求，静水压力大于3MPa小于10MPa时，要求打钻超前安全距离大于25m，因此终孔位置控制底板以下26m。6.3.2 二圈孔共4个。开孔位置在距井壁1m的圆周上均匀布置。以井筒中心线为标准，终孔位置控制在距井壁荒径外4.1m，以井底水窝为标准，终孔位置控制井底水窝底板以下26m。6.3.3 马头门钻孔共6个，开孔位置在距井壁1m的圆周上均匀布置。以井筒中心线为标准，钻孔穿过马头门

16、位置控制12m，终孔位置控制在距井壁荒径外24m，以井底水窝为标准，终孔位置控制井底水窝底板以下26m。6.3.4 中心检验孔一个，设计倾角为-90°，孔深79m，开孔位置在井筒中心布置。终孔位置控制井底水窝底板30m。6.3.5 所有钻孔打到终孔后，穿过十下灰底板以下13m，距奥灰顶界面24m。6.4 施工顺序6.4.1 止浆垫的施工工作面探水预注浆前，必须要对止浆垫及止浆垫以上1m的井壁进行注浆加固,注浆加固时在止浆垫四周用YT-28凿岩机均匀打10个钻孔（可在边缘处打斜孔）孔深要求穿过止浆垫，止浆垫加固完成后。在井壁一周距止浆垫1m处打1排钻孔，孔数68个孔进行井壁注浆充填加固

17、。打眼直径42mm，孔深2.4m3m，原则上打穿井壁进入壁后（壁座壁厚2.4m），然后利用注浆1寸插管对其进行注浆加固。注浆终压为9MPa，各注浆孔达到设计终压注浆加固结束。6.4.2 布孔及钻孔施工顺序6.4.2.1 施工前，由技术员对所有钻孔开孔位置进行布置和确定钻孔孔位。6.4.2.2 钻机的固定：钻机的固定采用专用钻机架和自制专用攀撅和地锚在止浆垫上固定钻机，固定钻机前要校定钻机的方位和顶角等。6.4.2.3 一圈孔共12个钻孔，先施工6个钻孔（1#、7#、3#、9#、5#、11#），剩余六个钻孔（2#、4#、6#、8#、10#、12#）的施工要根据马头门钻孔、二圈孔、中心检验孔施工完

18、成后的实际情况来确定是否继续施工。6.4.2.4 马头门孔号（13#、16#、14#、17#、15#、18#）共6个钻孔。6.4.2.5 二圈孔孔号（19#孔、21#孔、20#孔、22#孔）共4个钻孔。6.4.2.6 中心检验孔（检1#孔）共1个钻孔。施工17个钻孔时，有任意一孔水量达到10m3/h时，剩余钻孔继续施工。施工时采取打一孔注一孔的方式进行（即施工一个钻孔钻进至终孔并且进行注浆后，再进行下一个钻孔的施工）。本次钻探施工采用56mm复合片钻头无芯钻进，孔内无水时，一次钻进至设计终孔位置，钻进时要时刻观测孔内情况，涌水量有变化时要及时测量，并详细记录（孔深、水量、水温、水压、构造等），

19、对岩石有异常变化可做判层岩性记录。当钻孔涌水量大于10m3/h且伴有喷孔现象、水有异味时，及时向项目部调度室汇报，通知监理、矿方后采取安全措施进行处理。在各钻孔钻进的过程中，水量大于5m3/h时，要停止钻进，拔出钻杆，进行注浆，注浆过程中当压力达到14MPa时，采用双液浆进行注浆，当压力达到设计终压15MPa时（此时采用双液浆注浆的主要目的是为了缩短凝固时间，可达到迅速扫孔复注的目的)，结束本孔注浆。按此施工技术要求，直至打到设计终孔位置。6.4.3 注浆压力根据2016年4月23日兖州煤业股份有限公司菏泽能化公司万福矿井风井探水预注浆设计及施工安全技术措施专家审查意见，本次注浆终压设计为15

20、MPa。6.4.4 打钻、注浆设备选型表6.4.4-1 排水设备选型设备名称型号功率台数备注卧泵80DM-90×1250m3/h3台二层盘潜水泵80 LW 65-25-7.580m3/h2台工作面水窝潜水泵QJ50-900-300kw50m3/h2台模板绳悬挂至井底底板排水管路159mm排水管路108mm 表6.4.4-2 钻机的选型：选用MK-4全液坑道钻机参数名称型号备注全液压坑道钻机MK-4钻杆直径50mm钻孔深度 m200 /300钻孔倾角0°±90°电动机功率KW22总质量KG1200泵型号传动速度吸浆量（L/min）最大注浆压力MPa配用电机

21、KW注塞直径注塞往复次数重量kg外型尺寸mm长宽高2ZBSB1.927.2/10.53-111速16217.552261050175094511202速1918313速369.5544速60696表6.4.4-3 井下注浆泵选型：选用2ZBSB1.927.2/10.53-11高压电动双缸调速注浆泵 表6.4.4-4 地面注浆泵选型：选用高压注浆泵6.5 注浆材料 本次注浆以单液浆为主，双液浆为辅，选用PO42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃波美度为40Be，模数2.22.5。单液浆配比：水灰比1：1或1:0.75（根据实际注浆情况可进行调整）；双液浆配比：水泥浆与水玻璃体积比1：0.30.5。6.6

22、 开孔注意事项、开孔深度、埋管深度及孔口管结构根据2016年4月23日兖州煤业股份有限公司菏泽能化公司万福矿井风井探水预注浆设计及施工安全技术措施专家审查意见，在施工钻孔时，要确保不会打穿冻结管。经分析，因本次施工位置在-782m，根据冻结造孔资料显示，冻结管下放终端位置位于-795m，为了防止本次打钻打穿冻结管，造成冻结管内的冻结液和水流出，造成事故。经详查冻结管下放的资料，查明冻结管的终端位置距井壁荒径外7m，经计算打穿冻结管需要角度28°，而本次施工的所有钻孔最大倾角为18°，因此本次施工不存在打穿冻结管。本次探水施工设计埋设二级套管，一级套管埋设深度8m，二级套管埋

23、设深度21m。首先用133mm的钻头进行开孔，开孔至8.5m，下入108mm孔口管8m，用双液浆（水泥-水玻璃）进行固管，凝固30分钟后用92mm钻头进行扫孔试压，试压压力按规范大于注浆终压1MPa要求，本次所有钻孔孔口管试压压力定为16MPa并稳压30分钟，孔口管不松动、周围不漏水为合格（或连续5次以上冲击压力达到16MPa以上且压力稳定在10MPa并稳压40分钟，也可视为试压合格）。试压成功后，继续开孔至孔深21.5m，埋设89mm孔口管21m，凝固30分钟后进行耐压试验，试压压力为16MPa并稳压30分钟，试压成功后用56mm钻头钻进至终孔。孔口管用108mm×6mm无缝钢管加

24、工、89mm×4.5mm专用地质孔口管，每节孔口管长2m，中间用接箍连接，孔口管法兰盘上部安装108mm防水闸门（DN100），防水闸门上部安装防喷装置（自制），且防水闸门和防喷装置开关必须灵活可靠，孔口管法兰盘与防水闸门用22mm×120mm螺栓连接。（后附钻孔结构图） 图6.6-1 孔口管加工6.7 注浆加固质量结束及检验标准6.7.1 各单孔的注浆压力达到设计终压（15MPa），注浆量达到要求，钻孔吸浆量小于20L/min，稳定30 min。6.7.2 钻孔每一注浆段结束后，需进行扫孔检查，若单孔涌水量大于0.5m3/h 或吸水量大于0.5m3/h，则必须重新注浆。6

25、.8 施工结束标准 根据本次施工目的要求，主要是针对奥灰以上十下灰以下的地层进行注浆加固。因此本次施工结束标准可分为有水和无水两种情况。 6.8.1 孔内无水时结束标准：钻孔注浆达到设计终压15MPa、钻孔进浆量小于20L/min或为拒浆状态，钻孔不再进行扫孔复注，本孔施工结束。6.8.2 孔内有水时结束标准：必须进行多次扫孔复注，注浆达到设计终压15MPa，直至最后一次扫孔复注孔内无水，本孔施工结束。6.8.3 所有钻孔均达到上述两种标准后，对所有钻孔资料进行综合分析、评估后，确定达到本次施工目的后，结束本次工程。7 预计施工工期施工17个探水钻孔后，孔内无水时，注浆后经评估能保证井筒施工安

26、全及质量后，确定剩余钻孔不再施工时，预计本次探水注浆工期为62天。施工17个探水钻孔后，若单孔涌水量大于或等于5m³/h，或水文地质条件复杂，注浆后经评估不能保证井筒施工安全时，需施工剩余钻孔时，预计本次探水注浆工期为84天。施工23个探水钻孔后，注浆后经评估不能保证井筒施工安全时，需补充措施增加探水注浆钻孔时，工期按实际情况予以延长。工期预计说明：一级管开孔、埋管以及固管1个班，试压1个班，二级管开孔2个班，埋管以及固管1个班，试压1个班，钻进至终孔2个班，注浆2个班。以上工期为1个钻孔施工的时间，每个班按8小时计算，工期预计按正常施工计算，特殊情况另计。8 劳动组织 表8-1劳动

27、组织序号工种每小班数每圆班人数主要职责1技术负责13负责技术及施工过程控制2值班经理13全面负责井上下工作3注浆工26负责打钻和注浆4钻进工、司泵工26负责钻机、注浆泵的运转5电工、钳工26负责照明及电路维修7信号工26负责井上下联系8运输工515负责材料运送9绞车工26负责设备和人员上下10把钩工26负责井口工作11风 工13负责通风和排水12井壁观测工13负责观测井壁安全13瓦斯检查工13负责检测瓦斯14压力观测工13负责观察压力表15放浆工13负责打开放浆球阀16班长13负责本班任务指挥合计25759 井筒工作面探放水应急措施9.1 打钻出水期间应急操作9.1.1 根据2016年4月23

28、日兖州煤业股份有限公司菏泽能化公司万福矿井风井探水预注浆设计及施工安全技术措施专家审查意见，在钻进至十下灰时，因十下灰含水层与奥灰含水层距离较近，理论水压大于9MPa，因此要引起高度重视，做好防范措施。要求钻孔钻进至十下灰以上5m前，必须停止钻进，检查大闸门及防喷装置开关是否灵活、钻机固定是否牢固、排水泵试运行，合格后，方可正常钻进。9.1.2 在遇到大水突然停电的情况下，由工作人员用大管钳将钻杆拧掉甩入钻孔内，及时关闭闸门，并马上汇报应急指挥部值班人员。9.1.3 一但钻孔出水，且水压高、水量大，不得拔出钻杆；应当立即向指挥部汇报，现场立即关小防水闸门和防喷装置，使闸门关到最小，以减小突水量和延长缓冲时间。9.1.4 钻孔钻进至十下灰出水后，要通知矿方及监理方进行测定水量、水压及温度，做好相关记录，应立即启动排水设施进行排水，在保证水量可控的情况下，向上提拔钻杆，卸掉3根5根，甩掉剩余钻杆，迅速关闭闸门，准备注浆。9.1.5 在所有排水设备投入使用后的情况，还不能满足排水要求的情况下，当班队长要全面指挥，让井下人员有秩序的从井下撤离。9.1.6 在整个施工中，司泵工和吊盘工要做好本职工作，不得擅离职守，即使遇到大水需要撤离时也要最后一个升井。9.1.7 本次探水预注浆施工，钻