彬長礦區(qū)洛河組地下水防治和開發(fā)新思路

邢延團(tuán)

（陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713602）

1 引言

彬長礦區(qū)屬于黃隴侏羅紀(jì)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(qū)域地下水系統(tǒng)屬于鄂爾多斯屬鄂爾多斯中生代承壓水范疇，在周邊山區(qū)接收補(bǔ)給，向南部徑流，彬長礦區(qū)正位于區(qū)域地下水系統(tǒng)的徑流帶和排泄區(qū)內(nèi)。

彬長礦區(qū)內(nèi)區(qū)域性巨厚含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，由于地處區(qū)域徑流帶，使含水層富水性較強(qiáng)且補(bǔ)給充足，成為礦區(qū)主要的水害因素，通過采動(dòng)裂隙直接導(dǎo)入井下。

由于彬長礦區(qū)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(yuǎn)，且存在礫巖、泥巖等多種軟硬交替地層，施工技術(shù)難度較高，尚無成功先例，預(yù)疏放技術(shù)也不適用。

彬長礦區(qū)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(fā)量大，上覆松散含水層厚度薄、富水性較弱。因此，大部分礦區(qū)存在井下供水難、生活用水不足的嚴(yán)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(qū)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(yán)重。洛河組地下水水資源化開發(fā)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(zhì)條件

亭南煤礦位于陜西省咸陽市亭口鎮(zhèn)亭南村，井田屬黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)。礦井于2006年10月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0Mt/a。礦井主采煤層為4號(hào)煤。目前已回采一盤區(qū)的101、103、106、107、109、111、113工作面、二盤區(qū)的204工作面、三盤區(qū)的303工作面，正在回采二盤區(qū)的205工作面和三盤區(qū)的304工作面。

2.1 地質(zhì)概況

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

4號(hào)煤為全區(qū)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(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單，煤類單一，全區(qū)大部分可采。

2.2 地下水水害概況

亭南井田內(nèi)主要發(fā)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(yuǎn)，期間有數(shù)層泥巖隔水層存在，不會(huì)威脅礦井安全生產(chǎn)。

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(duì)有限，可通過井巷和工作面進(jìn)行疏放，對(duì)礦井生產(chǎn)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(nèi)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(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為135.23m，導(dǎo)采比達(dá)22.7。井田大部分洛河組含水層將被采動(dòng)裂隙擾動(dòng)，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(tǒng)計(jì)表

據(jù)礦井涌水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，洛河組含水層水已成為礦井涌水的主要組成部分。對(duì)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(xiàn)狀

自2006年投產(chǎn)以來，亭南煤礦一直存在井下用水難問題。生產(chǎn)過程中主要采用老空水進(jìn)行井下防塵和設(shè)備循環(huán)冷卻等。由于老空水水質(zhì)較差，礦化度達(dá)到10g以上，Cl-含量較高，達(dá)20%左右，對(duì)設(shè)備、管路的腐蝕嚴(yán)重，不但造成井下設(shè)備成本投入較大，而且也嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。

3 鉆孔施工設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

為了高效低成本解決井下用水難問題，同時(shí)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(yuǎn)、大仰角鉆進(jìn)、護(hù)壁難和砂巖水不易疏放等特點(diǎn)，目前彬長礦區(qū)尚未進(jìn)行此類嘗試。亭南礦在施工工藝、鉆孔布置、鉆機(jī)選擇及護(hù)孔方法等方面進(jìn)行改進(jìn)和修訂，成功鉆進(jìn)了兩孔鉆孔，取洛河水供井下生產(chǎn)用。

3.2 工程施工改良

（1）鉆孔位置分布

鉆孔布置在三盤區(qū)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(xù)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(jìn)影響，可長期保留。

（2）鉆機(jī)選擇

選用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY4000S鉆機(jī)，配3NB260/6-15泥漿泵。該鉆機(jī)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(fù)合鉆頭。

（3）鉆孔結(jié)構(gòu)及施工工序

鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 供水鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

鉆孔仰角越大，施工距離越短。根據(jù)鉆機(jī)性能，設(shè)計(jì)仰角55°向上施工，終孔至洛河組內(nèi)。55°大仰角向上施工井下鉆孔，這在彬長礦區(qū)尚屬首次。

鉆孔設(shè)計(jì)三級(jí)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(jìn)至32.6m，Φ159mm鉆頭擴(kuò)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(jìn)行壓水試驗(yàn)（耐壓7MPa，持續(xù)30min）。合格后用Φ75mmPDC鉆頭鉆至171.5m，Φ127mm鉆頭擴(kuò)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(jìn)行壓水試驗(yàn)（耐壓7MPa，持續(xù)30min）。合格后用Φ89mmPDC鉆頭鉆進(jìn)至終孔。終孔后，孔口安裝高壓防水閘閥。

經(jīng)亭南井下鉆孔施工驗(yàn)證，先小孔徑鉆進(jìn)，再大孔徑擴(kuò)孔，鉆進(jìn)效率較高，容易成孔。

（4）護(hù)孔方法

由于鉆進(jìn)目的層為洛河組，需要對(duì)侏羅系地層進(jìn)行下管封閉。設(shè)計(jì)對(duì)侏羅系孔地段全段下管封閉，并水泥固井。

共下兩級(jí)套管，首采是孔口20m段的護(hù)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(jìn)行壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)要求水壓7MPa，持續(xù)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(qū)也屬首次。

4 效果分析和預(yù)測(cè)

4.1 施工結(jié)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(jìn)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(jìn)入洛河組約178m（垂距約145m）。

（1）水量分析結(jié)果

1#和2#鉆孔在鉆進(jìn)過程中均出現(xiàn)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(jìn)入洛河組距離的增加而增大。1#和2#鉆孔終孔時(shí)的涌水量分別達(dá)到90m3/h和80 m3/h，基本滿足井下生產(chǎn)用水的水量要求。

（2）水質(zhì)分析結(jié)果

取1#供水井水樣進(jìn)行水質(zhì)全分析測(cè)試，并與107工作面和204工作面涌水水質(zhì)進(jìn)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(qū)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(qū)積水。水質(zhì)中的CL-1對(duì)設(shè)備腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)混凝土有腐蝕性。1#鉆孔作為井下生產(chǎn)用水時(shí)，CL-1和對(duì)含量顯著小于采空區(qū)積水，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、管路等的腐蝕損壞作用較弱，是理想的井下生產(chǎn)用水水源。

4.2 效益預(yù)測(cè)

表2 1#和2#鉆孔鉆進(jìn)中涌水情況統(tǒng)計(jì)

表3 井下1#供水井及采空區(qū)水樣水質(zhì)全分析測(cè)試主要成果（單位：mg/L）

續(xù)表3

（1）供水效益

井下供水鉆孔基本滿足井下生產(chǎn)用水，不再需要專門從地面供水至井下，節(jié)省了地面抽水、水泵和管路維護(hù)等費(fèi)用。每年節(jié)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(shí)不需要水泵加壓，使用便捷，維護(hù)方便。

（2）疏降效益

井下鉆孔取洛河水，同時(shí)也對(duì)洛河組地下水進(jìn)行預(yù)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(jié)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(chǎn)用水難的問題，而且對(duì)洛河組含水層水進(jìn)行了預(yù)收放，實(shí)現(xiàn)了洛河組含水層水的資源化開發(fā)利用，為彬長礦區(qū)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(fā)和治理提供了借鑒。

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