巴拉素煤礦副井馬頭門防治水技術(shù)應(yīng)用

李 博

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

凍結(jié)法鑿井是采用人工制冷技術(shù)暫時加固不穩(wěn)定地層和隔絕地下水的施工方法[1]。隨著國內(nèi)礦井掘進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，凍結(jié)法施工已經(jīng)成為新建礦井鑿井的主要手段。近年來，礦井建設(shè)已逐步向深厚沖積層的深井建設(shè)發(fā)展，解決深厚沖積層和富水軟巖立井施工安全問題，成為新井建設(shè)技術(shù)關(guān)鍵，而確保凍結(jié)壁安全則是深厚巖土地層凍結(jié)法施工的技術(shù)核心[2-4]。雖然凍結(jié)技術(shù)已愈發(fā)成熟，但是施工過程中的水害問題依然是阻礙新建礦井順利施工的最大障礙。在我國西部地區(qū)建井過程中，多次出現(xiàn)井筒淹水事故，事故后大都采用凍結(jié)法進(jìn)行井筒剩余段的施工[5]。但是對于施工完后的井筒而言，之后需要開鑿一些與井筒相配套的巷道或硐室與其相貫通，而此時出現(xiàn)的水害問題較大程度地阻礙了礦井的正常施工。

因此，結(jié)合巴拉素煤礦副井井筒馬頭門涌水情況，采用“引流注漿，帷幕封堵”的堵水方案，對該井筒水害問題進(jìn)行治理，從而減少井筒涌水量，進(jìn)而保證馬頭門巷道的順利掘進(jìn)。

1 工程地質(zhì)條件

巴拉素煤礦為延長石油集團(tuán)正在籌建的一個大型現(xiàn)代化礦井，地處毛烏素沙漠邊緣，井田南北長約22.5 km，東西寬約13.4 km，總面積300.40 km2，采用全立井開拓方式。在井田中部場地布置主立井、副立井、中央回風(fēng)立井。副立井設(shè)計(jì)為圓形斷面，井筒凈直徑10.5 m，凈斷面積86.59 m2，井口標(biāo)高+1 205.50 m，井底標(biāo)高+674.15 m，井筒垂直深度531.35 m。

巴拉素井田內(nèi)2#煤層厚度2.4～4.66 m，含水，水位埋深21.12～117.25 m，水位標(biāo)高+1 104.96～+1 216.23 m，單位涌水量0.002～0.034 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.060～1.173 m/d，富水性弱。副立井揭露的2#煤層底板標(biāo)高為+721.6 m，煤層承受水壓為3.83 MPa。

2 馬頭門充水特征及涌水情況

2.1 馬頭門充水特征

巴拉素煤礦副立井馬頭門探放水鉆孔單孔涌水量超過35 m3/h，通過實(shí)施探放水鉆孔，得出煤層頂?shù)装宀缓?，主要充水含水層?#煤層。

根據(jù)副井實(shí)際揭露情況，2#煤馬頭門斷面凈高12.6 m，揭露范圍內(nèi)2#煤層高3.3 m，底板為泥質(zhì)粉砂巖，頂板為1.6 m的泥質(zhì)粉砂巖和8.45 m的中砂巖。對含水煤層的探放水鉆孔出水情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 煤層探水情況一覽表

通過水樣檢測分析，副井馬頭門水樣Na+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)為70.33%，SO42-毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)為95.17%，礦化度5 744.17 mg/L，總硬度為1 246.33 mg/L，pH值7.55，地下水水質(zhì)類型多為SO4-Na·Ca型水。

2.2 馬頭門涌水情況

2018年7月19日副井馬頭門處開設(shè)探水鉆孔，對2#煤層及其頂板分別進(jìn)行了鉆孔探水，煤層處有水涌出，且涌水量不斷增加，后期涌水量基本穩(wěn)定在150 m3/h左右，具體如圖1所示。

圖1 副井馬頭門治水前涌水趨勢

通過15 d的連續(xù)觀測，副井馬頭門總涌水量已經(jīng)近5萬m3，但總涌水量衰減程度不明顯，含水層水壓力衰減緩慢。

3 馬頭門注漿堵水設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

3.1 防隔水煤巖柱留設(shè)

《煤礦防治水細(xì)則》[6]中防隔水煤巖柱寬度計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：L—巷道迎頭或側(cè)幫與含水層間安全隔水煤(巖)柱寬度，m；K—安全系數(shù)，取值2.5；M—巷道跨度(寬或高取其大者)，m；P—巖(煤)柱承受的水頭壓力，MPa；KP—隔水巖(煤)柱的抗拉強(qiáng)度，取0.5 MPa。

根據(jù)《巴拉素井田水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告》中2-2煤的飽和抗拉強(qiáng)度Kp為0.5 MPa；煤層最大水壓力為3.0 MPa，代入公式求得防隔水煤巖柱寬度L為17.5 m。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第93條規(guī)定，防隔水煤巖柱的尺寸不得小于20 m。為安全起見，本次設(shè)計(jì)安全隔水煤巖柱寬度取值20 m。

3.2 馬頭門井壁注漿設(shè)計(jì)

在馬頭門下部施工疏水泄壓鉆孔的主要目的[7-9]是通過集中放水截流，降低待注漿區(qū)域內(nèi)的煤層水壓力，從而在注漿過程中達(dá)到引流注漿的作用[10-12]。

根據(jù)馬頭門實(shí)際涌水情況，在馬頭門東西兩側(cè)各布置5個泄壓孔，鉆孔終孔位置為注漿范圍以外5 m，如圖2所示。

圖2 副井馬頭門泄壓孔布置平面圖

泄壓孔開孔位置為煤層底板以下3 m，在底板粉砂巖中開孔，保證孔口管可以完整地下在巖層中，如圖3所示。

圖3 副井馬頭門泄壓孔設(shè)計(jì)剖面圖

相鄰2個鉆孔開孔位置間距為1.5 m，鉆孔穿過煤層頂板后終孔，如圖4所示。

進(jìn)行馬頭門上部井壁壁間壁后注漿的主要目的是在馬頭門形成帷幕，防止封堵后的高壓煤層水沿著外層井壁環(huán)形空間向井筒上部導(dǎo)入，加速井壁圍巖凍結(jié)圈及凍結(jié)孔的解凍速度，將上覆含水層水導(dǎo)入井下。

圖4 副井馬頭門泄壓孔開孔示意圖

根據(jù)馬頭門實(shí)際涌水情況，注漿鉆孔覆蓋范圍為巷道兩幫各20 m范圍及待掘巷道迎頭20 m范圍，鉆孔終孔位置平距為35 m，在兩側(cè)馬頭門分別布置13個注漿孔，如圖5、6所示。

圖5 副井馬頭門注漿孔布置平面圖

鉆孔位置為2#煤層頂板砂巖中，開孔位置距離煤層頂板3～4 m，如圖6所示。

圖6 副井馬頭門注漿孔設(shè)計(jì)剖面圖

同一排相鄰兩個鉆孔開孔位置間距為0.7 m，如圖7所示。

3.3 應(yīng)用效果

2018年9月1日開始實(shí)施注漿，并將泄水孔出水量控制在一定范圍內(nèi)。隨著注漿工程的推進(jìn)，馬頭門出水量逐漸減小。至10月25日注漿停止，當(dāng)日觀測涌水量為11 m3/h。之后，對注漿效果進(jìn)行監(jiān)測，連續(xù)5日對井筒涌水量進(jìn)行觀測記錄，涌水量基本穩(wěn)定在11 m3/h，達(dá)到注漿堵水目標(biāo)，即馬頭門掘進(jìn)過程中單側(cè)涌水量不超過30 m3/h，具體如圖8所示。

圖7 副井馬頭門注漿孔開孔位置示意圖

圖8 副井馬頭門治水后涌水趨勢

4 結(jié)論

(1)結(jié)合巴拉素煤礦地質(zhì)條件，針對礦建期間含水煤層條件下的馬頭門涌水情況，提出了“引流注漿，帷幕封堵”的注漿堵水方案。

(2)實(shí)施注漿堵水方案后，馬頭門涌水量基本穩(wěn)定在11 m3/h，達(dá)到注漿堵水目標(biāo)，有效保證了馬頭門巷道的順利掘進(jìn)。

(3)該治水方法的實(shí)踐應(yīng)用，充分驗(yàn)證了此方法的可行性，為有效解決類似礦井初期建設(shè)期間水害問題及理論研究提供了更有利的實(shí)踐借鑒。