彬長礦區洛河組地下水防治和開發新思路

邢延團

（陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713602）

1 引言

彬長礦區屬于黃隴侏羅紀煤田，煤層厚度大，平均在10m以上，賦存深度較大，約為450～800m，大部分礦井采用綜放開采的方法。區域地下水系統屬于鄂爾多斯屬鄂爾多斯中生代承壓水范疇，在周邊山區接收補給，向南部徑流，彬長礦區正位于區域地下水系統的徑流帶和排泄區內。

彬長礦區內區域性巨厚含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，由于地處區域徑流帶，使含水層富水性較強且補給充足，成為礦區主要的水害因素，通過采動裂隙直接導入井下。

由于彬長礦區特殊的巖層組合特征和礦井寬工作面綜放開采采煤工藝，部分礦井采取的限高開采防治洛河組水效果不理想；

又由于煤層與含水層間距多大于100m，井下施工洛河組鉆孔距離較遠，且存在礫巖、泥巖等多種軟硬交替地層，施工技術難度較高，尚無成功先例，預疏放技術也不適用。

彬長礦區由于位處半干旱氣候地帶，降雨量少，大部分隨之成為了地表徑流，蒸發量大，上覆松散含水層厚度薄、富水性較弱。因此，大部分礦區存在井下供水難、生活用水不足的嚴重問題，主要通過地表鉆孔抽水來提供各種用水。

亭南煤礦位于彬長礦區中部，靠近涇河河谷，一方面存在井上、下用水難的問題，另一方面煤層回采受洛河組砂巖含水層水害威脅嚴重。洛河組地下水水資源化開發解決用水難的問題，是礦井目前的重要研究方向之一。

2 工程概況及地質條件

亭南煤礦位于陜西省咸陽市亭口鎮亭南村，井田屬黃隴侏羅紀煤田彬長礦區。礦井于2006年10月投產，設計生產能力3.0Mt/a。礦井主采煤層為4號煤。目前已回采一盤區的101、103、106、107、109、111、113工作面、二盤區的204工作面、三盤區的303工作面，正在回采二盤區的205工作面和三盤區的304工作面。

2.1 地質概況

亭南井田內地層由老到新依次為：三疊系上統胡家村組（T3h），侏羅系下統富縣組（J1f），侏羅系中統延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、華池組（K1h），上第三系（N），第四系下更新統（Q1）、中更新統（Q2）、上更新統（Q3）、全新統（Q4）。地層特征見表1。

4號煤為全區唯一可采煤層，賦存于侏羅系延安組地層中，厚度1.00～23.24m，平均厚度11.05m。從全井田范圍來看，4煤層厚度變化規律明顯，結構簡單至較簡單，煤類單一，全區大部分可采。

2.2 地下水水害概況

亭南井田內主要發育的含水層有松散潛水含水層、白堊系洛河宜君組含水層、侏羅系直羅組、延安組含水層。松散潛水含水層距離煤層較遠，期間有數層泥巖隔水層存在，不會威脅礦井安全生產。

侏羅系直羅組、延安組含水層是4煤開采直接充水含水層，富水性弱，厚度較小，水量相對有限，可通過井巷和工作面進行疏放，對礦井生產影響較小。

而白堊系洛河宜君組含水層為巨厚含水層；井田內厚度220.00～337.90m，平均304.91m；單位涌水量為0.1619～0.3958l/s·m，富水性中等；與煤層間距較小，為63.18～158.77m，平均117.74m。亭南礦204工作面最新實測導水裂縫帶發育高度為135.23m，導采比達22.7。井田大部分洛河組含水層將被采動裂隙擾動，使其成為礦井的直接充水水源，威脅礦井安全。

表1 亭南井田地層特征統計表

據礦井涌水量數據統計，洛河組含水層水已成為礦井涌水的主要組成部分。對洛河組含水層水害的治理，成為制約礦井安全回采的重要因素之一。

2.3 用水問題現狀

自2006年投產以來，亭南煤礦一直存在井下用水難問題。生產過程中主要采用老空水進行井下防塵和設備循環冷卻等。由于老空水水質較差，礦化度達到10g以上，Cl-含量較高，達20%左右，對設備、管路的腐蝕嚴重，不但造成井下設備成本投入較大，而且也嚴重制約了礦井的安全高效生產。

3 鉆孔施工設計

3.1 設計思路

為了高效低成本解決井下用水難問題，同時兼顧礦井防治水工作，擬從井下向上施工長距離鉆孔，取洛河組砂巖潔凈水供井下防塵和冷卻使用。

由于井下施工鉆孔存在距離遠、大仰角鉆進、護壁難和砂巖水不易疏放等特點，目前彬長礦區尚未進行此類嘗試。亭南礦在施工工藝、鉆孔布置、鉆機選擇及護孔方法等方面進行改進和修訂，成功鉆進了兩孔鉆孔，取洛河水供井下生產用。

3.2 工程施工改良

（1）鉆孔位置分布

鉆孔布置在三盤區膠帶集中巷煤倉處，主要基于以下考慮：一是該位置位于井田向斜軸部，含水層富水性較好。二是該位置高于煤層頂板約19m，距離洛河組含水層間距相續較短，約為161m，容易成孔；三是該位置不受工作面回采和巷道掘進影響，可長期保留。

（2）鉆機選擇

選用中煤科工集團西安研究院有限公司生產的ZDY4000S鉆機，配3NB260/6-15泥漿泵。該鉆機扭矩4000N·m，施工能力350m，主軸傾角-5°～60°。選用Φ63.5mm鉆桿，Φ75mm、Φ89mm、Φ127mm、Φ159mm等PDC復合鉆頭。

（3）鉆孔結構及施工工序

鉆孔結構見圖1。

圖1 供水鉆孔結構示意圖

鉆孔仰角越大，施工距離越短。根據鉆機性能，設計仰角55°向上施工，終孔至洛河組內。55°大仰角向上施工井下鉆孔，這在彬長礦區尚屬首次。

鉆孔設計三級孔徑，下兩趟套管，鉆孔施工工序如下：

一開：用Φ89mm鉆頭無芯鉆進至32.6m，Φ159mm鉆頭擴孔至20.5m,下入Φ146×6mm套管20m,水泥固井。

二開：用Φ75mmPDC鉆頭掃孔至21m,進行壓水試驗（耐壓7MPa，持續30min）。合格后用Φ75mmPDC鉆頭鉆至171.5m，Φ127mm鉆頭擴孔至170.5m，下入Φ108×6mm無縫鋼管至170m；水泥固井。

三開：用Φ89mmPDC鉆頭掃孔至170.5m，進行壓水試驗（耐壓7MPa，持續30min）。合格后用Φ89mmPDC鉆頭鉆進至終孔。終孔后，孔口安裝高壓防水閘閥。

經亭南井下鉆孔施工驗證，先小孔徑鉆進，再大孔徑擴孔，鉆進效率較高，容易成孔。

（4）護孔方法

由于鉆進目的層為洛河組，需要對侏羅系地層進行下管封閉。設計對侏羅系孔地段全段下管封閉，并水泥固井。

共下兩級套管，首采是孔口20m段的護壁管，采用Φ146×6mm的無縫鋼管；

其次是侏羅系地層段的套管，采用Φ108×6mm無縫鋼管，下入深度約170m。下管后均需水泥固井，并進行壓水試驗。壓水試驗要求水壓7MPa，持續30min以上。井下鉆孔下入170m無縫鋼管隔離侏羅系含水層，這在彬長礦區也屬首次。

4 效果分析和預測

4.1 施工結果

1#孔于2013年9月17日至2013年10月6日施工完成，孔深377.50m，進入洛河組200m（垂距約170m）。2#孔 于 2013年 8月 30日至2013年9月16日施工完成，孔深348m，進入洛河組約178m（垂距約145m）。

（1）水量分析結果

1#和2#鉆孔在鉆進過程中均出現涌水，鉆孔涌水情況見表2。

從表2可以看出，1#和2#鉆孔涌水量均隨著鉆孔深度——即進入洛河組距離的增加而增大。1#和2#鉆孔終孔時的涌水量分別達到90m3/h和80 m3/h，基本滿足井下生產用水的水量要求。

（2）水質分析結果

取1#供水井水樣進行水質全分析測試，并與107工作面和204工作面涌水水質進行了比較，見表3。

由表可以看出，1#供水井涌水的礦化度為3032.84～4628.00mg/L，而107和204工作面采空區積水的礦化度分別為9289 mg/L和8690 mg/L。1#供水井水的礦化度明顯小于107、204工作面采空區積水。水質中的CL-1對設備腐蝕性較強，對混凝土有腐蝕性。1#鉆孔作為井下生產用水時，CL-1和對含量顯著小于采空區積水，對生產設備、管路等的腐蝕損壞作用較弱，是理想的井下生產用水水源。

4.2 效益預測

表2 1#和2#鉆孔鉆進中涌水情況統計

表3 井下1#供水井及采空區水樣水質全分析測試主要成果（單位：mg/L）

續表3

（1）供水效益

井下供水鉆孔基本滿足井下生產用水，不再需要專門從地面供水至井下，節省了地面抽水、水泵和管路維護等費用。每年節省成本近百萬元。洛河組水位較高，井下鉆孔為自流水，井下使用時不需要水泵加壓，使用便捷，維護方便。

（2）疏降效益

井下鉆孔取洛河水，同時也對洛河組地下水進行預疏放，減小了回采過程中洛河組含水層突水威脅，利于煤層安全回采。

結語

亭南礦井下施工洛河組鉆孔的成功，不僅解決了井下生產用水難的問題，而且對洛河組含水層水進行了預收放，實現了洛河組含水層水的資源化開發利用，為彬長礦區洛河組含水層水害防治提供了新的思路，也為其它條件相似礦井洛河組地下水的開發和治理提供了借鑒。

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