松散風(fēng)積砂層降水井施工技術(shù)研究

王國(guó)強(qiáng) 許剛剛 韓 強(qiáng) 王曉明

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

松散風(fēng)積砂層降水井施工技術(shù)研究

王國(guó)強(qiáng) 許剛剛 韓 強(qiáng) 王曉明

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了確保內(nèi)蒙古某礦4201工作面回采至大水溝流域下方時(shí)實(shí)現(xiàn)過溝安全回采，對(duì)防治突水潰砂災(zāi)害發(fā)生的措施作了研究，通過實(shí)施地面導(dǎo)流工程和降水井工程，形成疏降漏斗，降低松散含水砂層潛水水頭高度，疏干半徑覆蓋整個(gè)工程區(qū)域，消除了突水潰砂災(zāi)害發(fā)生的水動(dòng)力條件，取得了良好的施工效果。

松散風(fēng)積砂層，過溝開采，降水井，疏放水

0 引言

第四系沖積層中富水性強(qiáng)的風(fēng)積砂含水層是引起淺埋薄基巖煤層開采突水潰砂的重要原因之一。其中，疏水降壓是目前保障第四系風(fēng)積砂層下安全采煤行之有效的技術(shù)措施。研究表明，在近松散層下采煤時(shí)，覆巖垮落帶和裂縫帶導(dǎo)通上覆松散層后發(fā)生滲透變形破壞與上部松散層土的性質(zhì)有關(guān)。在采礦動(dòng)力作用下，礦井突水潰砂是松散粉細(xì)砂層在地下水作用下產(chǎn)生潰砂、滲流和潛蝕作用造成的[1-3]。在松散風(fēng)積砂含水層下采煤，必須將地下水位疏放至安全水頭，以減少水勢(shì)能，防止突水潰砂災(zāi)害的發(fā)生。如何在松散風(fēng)積砂層施工降水井是疏水降壓必須要解決的首要問題，松散風(fēng)積砂層成孔困難、易塌孔，因此開展松散風(fēng)積砂層降水井施工技術(shù)研究具有重要的工程價(jià)值和意義。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某礦4201工作面為二盤區(qū)的第一個(gè)工作面，傾向?qū)?45 m，走向長(zhǎng)約2 100 m，開采4-2煤，煤層埋深約61 m，煤層平均厚3.0 m。大水溝是位于礦區(qū)中部的一條由西向東流的季節(jié)性溝谷，從接近停采線附近地表橫穿而過，旱季無(wú)水，但由于上游兩個(gè)煤礦向大水溝排水，目前明流流量約800 m3/h，雨季在暴雨過后可形成短暫的洪流，向東流入勃牛川向南匯入陜西省窟野河最終注入黃河。河漫灘寬約50 m～60 m，漫灘上有耕地和農(nóng)作物，大部分是野生蘆葦，潛水水位埋深約1.5 m。煤層上覆基巖厚度0 m～44.7 m，基巖上直接被松散含水砂層覆蓋，松散含水砂層厚度7.2 m～43 m，根據(jù)4201工作面上覆松散含水砂層及上覆基巖的空間分布及其組合形態(tài)可知，該工作面上覆地層結(jié)構(gòu)條件為“砂基型”，即富水性較強(qiáng)的松散含水層直接上覆于煤系巖層之上，含水層與煤層之間沒有連續(xù)分布的隔水層。

該礦位于東勝煤田準(zhǔn)格爾召—新廟詳查區(qū)南部，其基本構(gòu)造形態(tài)為向西南傾斜的、平緩的單斜構(gòu)造，傾向210°，傾角1°～3°，無(wú)不發(fā)育斷層、褶皺等構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)地表大部為第四系覆蓋，巖性主要為風(fēng)成粉細(xì)砂，只有零星的第三系(N2)地層出露。根據(jù)鉆孔揭露和地質(zhì)填土成果，礦區(qū)地層由老至新有：三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、第三系(N2)、第四系全新統(tǒng)(Q4)。

該礦區(qū)進(jìn)行疏降水的目標(biāo)含水層為松散風(fēng)積砂含水層，屬松散巖類孔隙、潛水含水巖組，巖性以風(fēng)積砂、沖洪積砂礫石層為主，厚度7.2 m～44.7 m，該含水巖組含孔隙潛水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受松散層厚度、基底起伏及地形高低等因素，含水層富水性極不均勻。據(jù)礦區(qū)J5號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量q=0.166 L/(s·m)，平均滲透系數(shù)K=1.081 m/d，水位標(biāo)高1 277.65 m。富水性中等，水質(zhì)為低礦化度的HCO3-Ca型水。4201工作面所處位置為補(bǔ)給、徑流區(qū)，潛水補(bǔ)給區(qū)相當(dāng)廣泛，補(bǔ)給來(lái)源主要以大氣降水為主，也有部分側(cè)向補(bǔ)給，粉細(xì)砂透水性好，持水能力強(qiáng)，能大量吸收大氣降水。沙漠區(qū)晝夜溫差的變化，有利于形成凝結(jié)水，凝結(jié)水也是一個(gè)重要的補(bǔ)給源。排泄途徑主要有徑流排泄和蒸發(fā)排泄。徑流排泄多為潛水順地形坡向徑流排泄于地形低洼及溝谷地帶，如大水溝兩側(cè)長(zhǎng)年有地下水滲出。

2 降水井方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的和原則

為了確保4201工作面回采至大水溝流域下方時(shí)實(shí)現(xiàn)過溝安全回采，需要采取相應(yīng)的工程防治措施，對(duì)4201工作面突水潰砂災(zāi)害進(jìn)行有效防治。 通過實(shí)施地面截流、導(dǎo)流工程措施，把大水溝的明流水引入地下導(dǎo)管，使其不直接向工程區(qū)域松散含水砂層進(jìn)行地面補(bǔ)給，減少松散富水砂層水的補(bǔ)給量。實(shí)施地面降水井工程，形成疏降漏斗，降低松散含水砂層潛水水頭高度，疏干半徑覆蓋整個(gè)工程區(qū)域，以達(dá)到消除突水潰砂災(zāi)害發(fā)生的水動(dòng)力條件的目的，保證采煤安全回采。在施工地面降水井之前，在降水井的原設(shè)計(jì)位置先施工水文地質(zhì)條件探查鉆探，對(duì)松散含水砂層厚度、富水性、滲透性及煤層上覆基巖厚度進(jìn)行探查，如果探查到煤層上覆基巖具有一定厚度可實(shí)施降水井工程，就把探查鉆孔擴(kuò)孔成降水井，不增加額外工程量，又能起到水文地質(zhì)條件探查的作用，實(shí)現(xiàn)一井多用。如若探查到松散砂層底部無(wú)基巖，視探查結(jié)果，在兩個(gè)探查孔中間再內(nèi)插鉆探，以探查基巖的尖滅點(diǎn)位置，以便為該面安全回采防治突水潰砂工程的實(shí)施提供參考依據(jù)，遵循動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工的設(shè)計(jì)原則。

2.2 降水井布置

降水管井布置井距不宜太小，井距太小不能充分發(fā)揮單井的降水效果，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度上看是不合理的。但是為便于管理，節(jié)省管材，達(dá)到降低松散含水砂層潛水水位的目的，井距也不宜太大，應(yīng)當(dāng)小于單井抽水的影響半徑，因?yàn)楫?dāng)井的間距小于影響半徑時(shí)，井與井之間便產(chǎn)生干擾，干擾井降水工作時(shí)任一井中的水位變化均由兩部分組成，一部分是該井自身降水工作所產(chǎn)生的水位變化值，另一部分則是由附近其他井在其降水影響半徑范圍內(nèi)對(duì)該井工作所引起的水位變化值。干擾井群同時(shí)抽水工作時(shí)，干擾井中的水位降深值必然大于相同流量的單井抽水所產(chǎn)生的水位降深值。相反，在水位降深值相同的條件下，干擾井的涌水量必然小于單井的涌水量，因此，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，井距也不宜太大。

吉哈爾特從理論上得出了降深管井的井距應(yīng)滿足下式要求：

b≥5·π·D。

其中，b為降水管井的井距，m；D為降水管井的井徑，m。

本次降水井間距暫定40 m，共布設(shè)8個(gè)降水井，視探查結(jié)果可作設(shè)計(jì)調(diào)整，如降深效果不理想，再內(nèi)插降水井。布設(shè)在4201工作面主運(yùn)順槽及輔運(yùn)順槽對(duì)應(yīng)地面橫切大水溝斷面位置上。

2.3 降水井結(jié)構(gòu)

降水井由兩部分構(gòu)成：松散砂層段和基巖段。降水井井深約40 m，進(jìn)入基巖10 m，孔徑為600 mm，下入φ325 mm填礫濾水管，單井排水量大于100 m3/h，降水井深度根據(jù)地層情況決定，直到進(jìn)入基巖段10 m結(jié)束，降水井結(jié)構(gòu)見圖1。

2.4 施工序次

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，降水井分2個(gè)序次施工，第一序次施工大水溝南側(cè)的JSJ3，JSJ4，JSJ7和 JSJ8孔，第二序次施工大水溝北側(cè)的JSJ1，JSJ2，JSJ5和JSJ6孔。

工藝施工序次為：先用φ133 mm鉆頭一徑到底，探查松散砂層和基巖厚度，根據(jù)地層取樣情況，經(jīng)過分析后，可以作為降水井時(shí)，再擴(kuò)孔成φ600 mm降水井。

3 施工工藝[4]

3.1 施工工藝流程

制作護(hù)壁泥漿→鉆機(jī)就位成孔、清孔→制、安濾水管→井壁四周分層回填圓礫→清除井內(nèi)泥漿→抽水設(shè)備安裝→正常使用。

3.2 鉆孔施工

1)井孔定位。施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)孔位參數(shù)進(jìn)行測(cè)量放線，引出每個(gè)降水井的孔位十字中心線，在中心線處打入木樁，并用鐵釘釘在木樁頂上十字中心線處，井孔定位偏差小于30 mm，木樁埋設(shè)應(yīng)牢固。2)護(hù)筒埋設(shè)。護(hù)筒采用工具式鋼護(hù)筒，鉆頭直徑應(yīng)比護(hù)筒內(nèi)徑小100 mm，上部開口設(shè)1個(gè)～2個(gè)排漿口，護(hù)筒埋設(shè)應(yīng)準(zhǔn)確和牢固，護(hù)筒與井壁之間用黏土填實(shí)，護(hù)筒中心線與井孔位偏差不大于30 mm，護(hù)筒在土中埋深大于1.5 m，護(hù)筒上口高出地面不小于20 mm，為了防止泥漿液面上下浮動(dòng)，沖刷孔壁導(dǎo)致坍孔，保持孔內(nèi)泥漿液面高出地下水位1 m以上。3)鉆機(jī)就位。鉆機(jī)就位后應(yīng)保持機(jī)身平衡，在鉆進(jìn)工作時(shí)，不發(fā)生傾斜移位，開鉆前在兩個(gè)互相垂直方向用經(jīng)緯儀測(cè)定鉆桿的垂直度，保證其偏差小于1°，鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位，鉆頭中心與護(hù)筒中心偏差不大于15 mm。4)鉆具丈量，記錄鉆探深度，最大允許偏差為±2‰。5)鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，進(jìn)行簡(jiǎn)易水文觀測(cè)，下鉆前和提鉆后各進(jìn)行水位觀測(cè)一次，同時(shí)進(jìn)行泥漿沖洗液的觀測(cè)。6)用φ220 mm無(wú)芯鉆進(jìn)鉆至巖石層，探查松散砂層和基巖厚度。7)用φ133 mm巖芯管取芯鉆進(jìn)基巖內(nèi)10 m，巖芯要按先后次序擺放整齊，做好回次記錄。8)用φ600 mm擴(kuò)孔器擴(kuò)孔至基巖下10 m，鉆具下入孔底反復(fù)循環(huán)將孔內(nèi)殘?jiān)闯龅乇?，最后用輕質(zhì)泥漿置換孔內(nèi)稠泥漿。

3.3 制作濾水管、下管

1)濾水管制作。根據(jù)濾水管進(jìn)水能力計(jì)算公式：

Q=π×n×V×D×L

(1)

其中,Q為井管出水量，m3/s；V為濾水管進(jìn)水流速，m/s；D為濾水管直徑，m；L為濾水管長(zhǎng)度，m；n為濾水管孔隙率。

孔隙率:

n=Q/(π×V×D×L)=(100/
3 600)/(3.14×0.02×0.325×24)=0.056 7

(2)

根據(jù)計(jì)算濾水管孔隙率不小于5%，濾水管骨架采用壁厚4 mm，外徑325鋼管，花管眼為條形孔，孔寬10 mm，間距50 mm，長(zhǎng)度500 mm，濾水管兩端10 mm范圍內(nèi)不設(shè)孔。濾水管管外裹60目尼龍篩網(wǎng)并纏絲加固，濾水管孔眼設(shè)計(jì)見圖2。

2)溜孔。為保證孔徑滿足要求，下濾水管前用溜孔器溜(掃)孔至孔底，溜孔器的長(zhǎng)度應(yīng)大于10 m且直徑不小于所要下入井管直徑兩倍。溜孔到底后提起鉆具，松開剎車，鉆具能夠平穩(wěn)無(wú)阻地自由下落，即表明井筒圓正可以下管，溜(掃)孔完成。若溜孔器途中受阻或不能平穩(wěn)自由下落，應(yīng)繼續(xù)反復(fù)使用溜孔器修整，直到溜孔器能夠自由下入孔底為止。

3)換漿、破壁。溜孔完成后，用新拌的優(yōu)質(zhì)稀泥漿循環(huán)孔內(nèi)的稠泥漿，直到能保證孔壁穩(wěn)定為止。接著用破壁器自上而下采用輕壓慢轉(zhuǎn)、大泵量緩穩(wěn)的方法進(jìn)行破壁，特別是到含水層段應(yīng)上下反復(fù)旋轉(zhuǎn)鉆具，讓破壁器盡可能多地刮刷井壁，徹底地破壞井壁泥皮，以便含水層能透水暢通，出水順暢。

4)濾水管吊裝。濾水管吊起并扶正垂直后，勻速緩慢放入孔內(nèi)，不得碰撞孔壁，如下放困難應(yīng)立即停止、查明原因，不得強(qiáng)行下放。在成孔施工完成前，應(yīng)提前把制作好的濾水管運(yùn)至井口附近，成孔后應(yīng)盡快安裝濾水管，以減少孔底回淤和孔壁坍塌。

濾水管接頭采用電焊連接，管與管焊接要平直、牢固，焊接時(shí)上下濾水管要加保護(hù)措施，防止?fàn)C壞包裹尼龍網(wǎng)。

3.4 填礫

礫料選用φ3 mm～φ5 mm的圓礫，在填礫前進(jìn)行過篩篩選，取出過大或過小的礫石；填礫要在管壁四周緩慢、均勻的填入，不能在一個(gè)方位大量填礫，以防堵塞孔壁，造成填圓礫不實(shí)。

3.5 洗孔

洗孔是成井工藝中重要的一道工序，一口降水井能否發(fā)揮作用，很大程度上取決于洗孔的質(zhì)量。在濾水管四周填滿碎石后立即進(jìn)行洗孔，采用活塞在含水層部位，由上至下反復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成的水流正負(fù)壓使含水層內(nèi)部的泥水往復(fù)循環(huán)流動(dòng)，破壞井壁未洗凈的泥皮，有效地疏通地下含水層，把降水井周圍土層內(nèi)遺留下來(lái)的泥漿吸出，并在降水井周圍形成良好反濾層。洗孔前后兩次抽水涌水量相差應(yīng)不大于10%，且洗孔后井內(nèi)沉渣基本不上升。

3.6 抽水設(shè)備安裝

1)抽水設(shè)備包括自動(dòng)抽水控制裝置和潛水泵兩部分，自動(dòng)抽水控制裝置由抽水機(jī)啟動(dòng)電路、抽水指示電路、自動(dòng)抽水控制線路、地下水位過低保護(hù)電路和避免抽水機(jī)頻繁啟動(dòng)電路組成?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況和地下水的滲流速度、水量和埋深，選擇不同型號(hào)的潛水泵。2)潛水泵待洗控結(jié)束后入井，在井孔口利用纜繩將潛水泵緩緩沉入井底。3)地下水位控制，當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到設(shè)定水位值時(shí)，抽水設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)。

4 施工中質(zhì)量控制[5，6]

1)一旦發(fā)生坍孔現(xiàn)象，應(yīng)立即停鉆。如果坍孔的范圍較小，可以通過增大泥漿粘度和比重的方法穩(wěn)定孔壁；當(dāng)坍孔比較嚴(yán)重時(shí)，可以采用黏性土回填鉆孔，待固結(jié)穩(wěn)定一段時(shí)間后再重新鉆進(jìn)成孔。2)當(dāng)出現(xiàn)鉆孔縮徑時(shí)，可通過改進(jìn)泥漿性能指標(biāo)，降低泥漿的泌水率的方法穩(wěn)定孔壁，同時(shí)在縮徑孔段進(jìn)行多次掃孔，以保證成孔直徑滿足設(shè)計(jì)要求。在鉆孔施工時(shí)，密切注意泥漿面的變化，一旦發(fā)現(xiàn)有漏漿現(xiàn)象，及時(shí)采取控制措施。3)尼龍篩網(wǎng)表面要平整，并適當(dāng)留有變形余量，尼龍篩網(wǎng)的搭接可采用自然搭接方法，自然搭接寬度不小于100 mm。在鋪設(shè)尼龍篩網(wǎng)時(shí)，應(yīng)防止對(duì)下面一層材料造成破壞。4)尼龍篩網(wǎng)安裝完成后，對(duì)其所有表面進(jìn)行目測(cè)檢查以確定沒有破損之處，如發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)作上標(biāo)記并進(jìn)行修補(bǔ)。5)降水井宜優(yōu)先選用潛水泵作為降水設(shè)備，根據(jù)降水井深度選用足夠揚(yáng)程的潛水泵；每個(gè)降水井的潛水泵應(yīng)固定使用，做到“一井一泵一閘一漏(漏電保護(hù)器)”。6)降水井抽水工作時(shí)應(yīng)安排有專人負(fù)責(zé)檢查巡視，每隔一段時(shí)間后應(yīng)清理降水井井底的沉淀物，保持降水井的有效深度。

5 結(jié)語(yǔ)

1)經(jīng)過后期降水運(yùn)營(yíng)證明，在松散富水粉細(xì)砂層中采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁成孔和鋼濾水管施工降水井的工藝，是技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的。不僅成孔施工容易、進(jìn)度快，而且降水效果顯著，自動(dòng)化抽水設(shè)備的應(yīng)用更是節(jié)約人工、降低能源消耗。

2)本著一井多用的原則，降水井在施工過程中，鉆探勘察了4201工作面上方的水文地質(zhì)條件，對(duì)地層進(jìn)行了直觀形象的描述，得到了松散風(fēng)積含水砂層的厚度、富水性、滲透性及煤層上覆基巖厚度等地質(zhì)資料，為該面安全回采防治突水潰砂工程的實(shí)施提供了真實(shí)可靠的參考依據(jù)。

3)通過在4201工作面上方大水溝流域處打設(shè)降水井降水，降低了4201工作面上方松散含水砂層潛水水頭高度，疏干半徑達(dá)到了覆蓋整個(gè)工程區(qū)域，消除了突水潰砂災(zāi)害發(fā)生的水動(dòng)力條件的目的，實(shí)現(xiàn)了4201工作面穿越大水溝流域下安全回采，是一種便于施工、有效消除水動(dòng)力條件隱患的可靠方法，對(duì)該礦其他工作面穿越大水溝回采具有很好的借鑒意義。

[1] 隋旺華,蔡光桃,董青紅.近松散層采煤覆巖采動(dòng)裂縫水砂突涌臨界水力坡度試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(10):2084-2091.

[2] 湯愛平,董 瑩,譚周地，等.震動(dòng)作用下礦井突水涌砂機(jī)理的研究[J].地震工程與工程震動(dòng),1999,19(2):132-135.

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[6] 王苑明.鋼筋籠降水井在深基坑處的應(yīng)用[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002(3):68-70.

Research on dewatering well construction technique at loose wind-blown sand layer

Wang Guoqiang Xu Ganggang Han Qiang Wang Xiaoming

(Xi’anResearchInstituteCo.,Ltd,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Xi’an710077,China)

In order to ensure the realization of crossing ditch safe recovery in recovering the 4201 Working Face of some mine in Inner Mongolia to the lower part of Dashui Ditch, researches the measures to prevent the bursting water and sand collapses, the discharge funnel can be formed by implementing the ground diversion and dewatering well projects, so it lowers the diving water height of loose water-bearing sand layer, diverts radius covering the whole engineering region, eliminates the water dynamic conditions for the bursting water and sand collapses, and achieves better construction effect.

loose wind-blown sand layer, crossing ditch, dewatering well, drainage water

2014-12-20

王國(guó)強(qiáng)(1985- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)06-0083-03

TU463

A