董家河煤礦立井穿越含水層技術探討

摘要：董家河煤礦屬于受奧灰水嚴重威脅并具有突水危險的礦井，水文地質類型屬水文地質條件極復雜型礦井，煤系基底奧陶系灰巖，對上部煤層的開采威脅極大，是礦井生產的主要安全隱患。通過對煤礦立井穿越含水層進行技術改造，煤炭開采條件得到了改善，為煤礦節約了資金。

關鍵詞：立井；穿越含水層；打鉆；高分子化學堵水劑；煤炭開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD265 文章編號：1009-2374（2015）29-0149-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.075

1 董家河煤礦水文地質概況

董家河煤礦屬于受奧灰水嚴重威脅并具有突水危險的礦井，水文地質類型屬水文地質條件極復雜型礦井，煤系基底奧陶系灰巖含水層富水性強、補給源充沛，對上部煤層的開采威脅極大，是礦井生產的主要安全隱患。20世紀70年代建井初期，正施工的+300水平因奧灰巖巖溶突水報廢，1978年在+330m水平井底車場施工時又發生奧灰突水，突水水量達1026m3/h，淹沒了施工機械和排水設備，報廢巷道5000余m及+330m水平，給礦井建設造成了嚴重影響，最后不得不將一水平提高到現+355m煤系地層中。

礦區地層基本構造形態為走向北東東、傾向北北西的單斜構造。傾角3°～25°，一般8°左右，最大處近20°。沿走向呈現緩波狀起伏，沿傾向具有陡緩相間的變化特點。褶曲與斷裂構造均比較發育，并以褶曲構造為主。褶曲大部分為封閉的短軸背向斜，幅度在5～20m之間。斷層在礦區內普遍發育，幾乎全為正斷層；落差大多在4.5m以下，并具有成帶密集分布和疏密相間的特點，以近東西向及南北向斷層最為發育。除斷層外，5號煤層層滑構造比較發育，導致煤厚急劇變化。

礦區內3號煤層零星可采，煤層可采指數33%，煤層厚度0～1.28m，可采范圍內厚度一般0.71m左右，煤層結構簡單，偶含一層夾矸，3號煤層埋藏深度308～458m，煤層底板標高+255～+298m。

5號煤為礦區內主采煤層，位于太原組的頂部，煤層比較穩定，煤層可采指數97.7%，厚度0～5.07m，一般3.5m左右。煤層結構比較復雜，含夾矸1～3層，一般2層。煤層埋藏深度為182～420m，煤層底板標高+234～+380m。

10號煤層厚0～3.94m，一般厚度1.44m左右。10號煤層埋藏深度為360～489m，煤層底板標高+212～+252m。10號煤層全部處于奧灰靜水位標高以下（目前礦區奧灰靜水位標高+370m）且與奧灰面之間一般僅有0.42～4m的鋁質泥巖相隔，無法克服奧灰水害，目前技術條件暫不能進行開采。

礦井量最大涌水量690～800m3/h，正常涌水量600m3/h左右。區內含水層按含水空間分為孔隙裂隙水、裂隙承壓水和巖溶裂隙水三類。煤系地層中的砂巖水、石灰巖水以及下伏奧陶系灰巖水構成了本區主要充水水源，含水層自上而下特征分別為：

第一，掩蓋層底部砂礫石孔隙裂隙含水層，水位埋深一般為30～140m，屬弱含水層，對采掘影響不大。

第二，石炭二疊系砂巖裂隙含水層及標志層。（1）K5砂巖含水層：位于下石盒子組底部，為灰白色中～粗粒砂巖，厚度6～15m，裂隙發育不均，含裂隙承壓水，富水性弱～中等，對礦井生產影響較大；（2）K中砂巖含水層：位于下石盒子組底部，為一灰白色中～細粒砂巖，厚度5～17m，裂隙發育，含裂隙承壓水，富水性弱～中等，對礦井生產影響較大；（3）K4砂巖含水層：位于山西組底部，以灰白色中粒砂巖為主，平均厚度5～10m，裂隙發育不均，含裂隙承壓水，富水性較弱；（4）太原組石英砂巖（K3）及K2灰巖含水層組：位于太原組中下部，主要由奧灰水通過裂隙向上補給，與奧灰水靜水位標高一致。富水性弱至中等，對生產影響較大。

第三，巖溶裂隙水。中奧陶統峰峰組二段為本區煤系地層之基底，巖性以厚層深灰色白云質灰巖及石灰巖為主。巖溶裂隙和溶洞發育，單位涌水量q=0.2～1.51升/S·m，屬于富水性強的巖溶裂隙含水層，是礦井主要充水水源。歷史最高水位+389.7m（1985年），近年來水位持續下降，目前水位標高+370m左右，1989年澄合礦區放水試驗表明，該區域奧灰含水層動水量豐富，補給源充沛，逕流條件好，逕流通道極復雜。

2 井檢孔水文資料

根據董家河煤礦北部擴大區初步設計、回風立風井布置在井田深部的程家凹村，位置坐標為：X=3898972.044、Y=38398867.680，井筒直徑為6m。立井上部標高+702m、井底井窩落底標高為煤層頂板下3m處。施工過程要穿越5#煤層上部三個主要含水層。

含水層自上而下如下：

第一個含水層為層位為Q+P2sh屬基巖風化帶，為孔隙裂隙潛水、地層特征為第四系黃土以及上石盒子組頂部56.51m的基巖風化帶區段、深度為86.80～119.49m（此段為潛水段，水位在86.80m），涌水量18.09m3/h。

第二個含水層層位為P2sh，屬完整基巖段，為基巖裂隙承壓水，地層特征為上石盒子頂部56.51m以下至K5砂巖（含K5砂巖）的完整基巖段。深度位于120.11～370.53m之間，涌水量為83.50m3/h。

第三個含水層層位為P1sh～P1s，屬于基巖裂隙承壓水，地層特征為K5砂巖以下至K3砂巖（含K3砂巖）的完整基巖段。此段包含K中砂巖、K4砂巖，深度位于373.35～453.88m，涌水量51.14m3/h。

3 穿越含水層方案

根據施工工期、投資費用及治理期間不能長時間停產的要求，設計穿越三個含水層方案如下：（1）井筒掘至離含水層2m時停止，在井筒底部施工注漿鉆孔，鉆孔深度6m、四周向井筒外傾斜5°～10°；（2）注漿鉆孔可以用K3型鉆機一次施工垂直深度為6～10m鉆孔或用28型鑿巖機分次套孔施工至6m深；（3）全部鉆孔施工至設計深度并洗孔后對每個鉆孔逐一高壓注入高分子化學堵水劑，以封堵該段井筒四周及下部局部區段水源、形成局部帷幕注漿效果，以解決該段掘進期間突水問題；（4）要求施工期間每個循環治理6m（K3型鉆機每個循環可以到10m）、掘進4m，預留2m作為下一個循環的隔水巖柱；（5）施工過程中開始用K3鉆機施工深鉆孔，因鉆孔施工準備時間長囊廢、技術要求高，需要專業隊伍，并且鉆孔施工及注漿時需要停工掘進，該方案在第一個含水層穿越后就再沒有使用。

穿越第二個和第三個含水層時采用了施工中正常使用的28型鑿巖機分多次換鉆桿套孔的辦法施工6m深鉆孔，可以使施工不間斷，并且一直是一個隊伍施工，安全管理，施工簡單。

4 技術經濟比較

根據井筒檢查孔資料對穿越含水層曾做過三個方案：其一為凍結法。該方案工期長、費用高，解凍后井壁出現滲水難以治理，預算費用2050萬元；其二為打至漿蓋常規水泥注漿法。該方案掘進施工需要停工施工止漿蓋，工期長、費用高，鄰近兩個礦井的兩個立井過同樣的含水層施工費用一個立井花了1039萬，另一個立井也超過了1000萬，而且時間拖了一年多；其三為新技術方案，該方案一邊掘進一邊施工，除過打孔時間稍長外（每個孔時間約20～35分鐘），其他時間和正常掘進沒有區別，董家河煤礦立風井采用該技術成功的穿越三個含水層工用了不到200萬元（約175.93萬元），是鄰近礦井費用的五分之一左右。

參考文獻

[1] 國家安全生產監督局，國家煤炭安全監察局.煤礦防治水規定[S].北京：煤炭工業出版社，2009.

[2] 虎維岳.礦山水害防治理論與方法[S].北京：煤炭工業出版社，2005.

[3] 董家河煤礦地質報告[R].

作者簡介：馮景（1966-），男，陜西乾縣人，陜西省煤炭安全監察局渭南分局黨總支書記，采煤工程師。

（責任編輯：蔣建華）endprint