淮北煤田地質特征及其對立井井筒建設的影響*

王志曉

(1.天地科技建井研究院，北京市朝陽區，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區，100013)

★ 煤炭科技·地質與勘探 ★

淮北煤田地質特征及其對立井井筒建設的影響*

王志曉

(1.天地科技建井研究院，北京市朝陽區，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區，100013)

目前，淮北礦區煤炭資源已經轉向深部開采，立井井筒的安全、快速建設顯得十分關鍵。結合淮北礦區數十個立井井筒建設的寶貴經驗，對淮北煤田的地質及水文地質特征進行分析。通過信湖煤礦特殊鑿井技術成功應用，提出了未來井筒建設難題的解決對策。

淮北煤田 地質特征 水文地質特征 立井井筒建設

淮北煤田位于安徽北部，分為濉肖、宿州、臨渙和渦陽四大礦區，如圖1所示。除淮北烈山煤礦外，區內多為新生界深厚松散層覆蓋下的隱蔽煤田。淮北煤田東西長約140 km、南北寬約110 km，煤炭保有儲量80多億t，是國家“十二五”重點建設的14個大型煤炭生產基地之一。礦山建設中，立井井筒施工是關鍵工程，而煤田的工程及水文地質特征是影響井筒建設的重要因素。了解和掌握煤田的工程及水文地質特征是保障井筒安全、快速建設的關鍵。淮北礦區大部分礦區表土層深厚，結構松散，基巖裂隙發育、富水性強。復雜的地質條件對井筒建設造成了嚴重威脅，也對礦井建設提出了很高的要求。

1 淮北煤田地質特征

淮北煤田地層由老到新為奧陶系中下統(O1+2)、石炭系上統(C2)、二疊系(P)、三疊系下統(T1)、侏羅系上統(J3)和新生界古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)。奧陶系為巨厚石灰巖，總厚約500 m，富水性較強；石炭系地層厚約140～150 m，含石灰巖12層，夾有薄煤層，大多數不可采；煤系地層為石炭、二疊系地層。本區石炭系本溪組和太原組煤層較薄，一般不可采，二疊系山西組的10#煤層(濉肖區為6#煤層)和下石盒子組的7#、8#煤層(濉肖區為4#、5#煤層)為主要可采煤層，上石盒子組的3#煤層局部可采。

1.1 松散層沉積特征

淮北煤田表土層為新生界古近系、新近系和第四系沉積物，厚度介于20～800 m，總體上由北到南以及由東向西逐漸增厚。其中，濉肖礦區松散層厚度介于40～80 m，表土層上部為厚6～16 m的流砂層，含水較豐富。宿州、臨渙礦區表土層厚度為200～400 m，含四組流砂層，三組粘土隔水層，流砂層含水豐富，總厚度在100 m以內。渦陽礦區表土層厚度較厚，達到600～700 m。

圖1 淮北煤田范圍及礦區劃分

1.2 構造地質特征

由于多期構造運動影響，淮北煤田地質構造較為發育。該區現今地質構造格局主要為歐亞板塊與太平洋板的板緣活動帶控制。早期EW、NNE 向構造被后期的近 NS 向和 NWW 向斷裂切割，形成菱形斷塊的隆坳構造系統。

1.2.1 斷裂構造

淮北煤田區內主要斷裂有豐沛斷裂、廢黃河斷裂、宿北斷裂、固鎮-長豐斷裂、西寺坡斷裂等。淮北煤田地質構造如圖2所示，宿北大斷裂位于煤田中部，為東西向隱伏斷裂，產狀北傾，傾角為35°～75°，長約200 km；阜陽深斷裂自北向南先后經亳州、渦陽、阜陽、阜南，與湖北麻城—團風斷裂相連，全長約145 km，形成于喜馬拉雅早期；岳集斷裂產狀東傾，傾角約70°，主要形成于燕山運動晚期，喜馬拉雅晚期也有活動；劉廟斷裂為隱伏斷裂，長約110 km，形成于喜馬拉雅中期。

1.2.2 褶皺構造

淮北煤田區內褶皺構造分布較多，且次級褶皺發育。褶皺軸向自南向北依次可分為南段北西向、中段近南北向與北段北東向。宿北斷裂以北地區從東部向西部主要發育有賈汪向斜、閘河向斜、蕭西向斜、永城背斜等；宿北斷裂以南地區主要發育有宿東向斜、宿南向斜、宿南背斜、南坪向斜、童亭背斜、渦陽向斜等。

圖2 淮北煤田地質構造圖

1.3 水文地質特征

淮北礦區水文地質條件較為復雜，區內新生界松散沖積層直接覆蓋石炭二疊紀煤系地層上，松散層砂層層數多、富水性強，且存在流砂層。基巖段含水層包括砂巖裂隙含水層和巖溶含水層。淮北煤田第三、第四系含水層和二疊系煤系砂巖裂隙含水層是威脅礦井建設安全的主要含水層。

1.3.1 新生界松散含水層

表土層含水層主要是第四系、新近系和古近系砂層、礫石層并夾有粘土層，從上往下可分為“一含”、“二含”、“三含”和“四含”，如表1所示。其中“一含”、“二含”接近地表，主要靠大氣降水和地表徑流補給；“三含”上下都有隔水層，特別是“三隔”厚度較大，透水性較小，隔水性能良好，因此“三含”與其他含水層一般沒有水力聯系；“四含”位于新生界松散層底部，其上部為含砂層粘性土，下部為含粘土砂(礫)層，厚度為15～35 m不等。由于“三隔”厚度較大，“四含”與上覆含水層之間水力聯系較弱，補給來源不足，富水性弱至中等，但由于直接覆蓋在煤系地層上，“四含”水可通過煤層頂板砂巖風化裂隙或回采裂隙進入礦坑，成為礦坑充水的主要水源之一。

表1 淮北礦區松散層含隔水層組劃分實例

1.3.2 砂巖裂隙含水層

淮北礦區二疊系砂巖裂隙含水層是影響立井井筒施工的主要含水層。由于“四含”直接覆蓋在風化殼之上，加上地質構造的影響，砂巖含水層與松散含水層存在水力聯系。近年來淮北煤田井筒基巖段涌突水事故統計見表2。從統計數據可以看出，二疊系煤系砂巖裂隙含水層是影響淮北煤田基巖段立井井筒施工安全的主要含水層。特別是3#煤層下 K3 砂巖裂隙含水層，在建井過程中多次發生涌、突水事故。如臥龍湖礦主井井筒、劉橋一礦主井及副井、許疃礦副井水倉等。

1.3.3 灰巖巖溶裂隙含水層

區內煤系地層基底為石炭系太原組灰巖和巨厚中奧陶統灰巖。太灰和奧灰巖溶含水層具有水壓高、水量大的特征，是威脅礦井安全生產的重要隱患之一。立井井筒設計和施工時，一般都盡量避開這兩個灰巖含水層。太灰距離煤層大約60 m，且存在隔水層，對于完整底板來說不易突水，但是如果底板存在一些小導水斷裂或者由于煤礦開采擾動使得那些阻水斷裂在高水壓、礦壓和地應力等作用下相互溝通變成導水斷層，與太灰特別是奧灰溝通后則極易產生危害巨大的底板突水。

表2 淮北煤田近年來井筒基巖段涌突水事故統計

2 淮北地區復雜地質條件對建井的不利影響

2.1 深厚表土層

淮北礦區表土層為新生界厚—巨厚松散沖積層，表土層所含的流砂層、卵石、礫石層等富水性強，涌水量大，對井筒建設造成了極大的困難。表土層中流砂層對井筒安全掘砌危害最大，砂層遇水流動，井幫極不穩定，立井施工不僅難以通過，而且井壁質量受其影響往往較差。對于部分井田黏土層厚度大的特點，在利用凍結法施工時其凍脹影響也不容忽視。同時，表土層固結沉降對井壁產生的豎向附加力對井壁抗壓縮性提出了更高的要求。

2.2 基巖水文地質條件復雜

淮北礦區基巖水文地質條件較為復雜，含水層層數多，包括二疊系砂巖含水層、太原組薄層灰巖及奧灰；水壓高、富水性強；斷層、陷落柱等導水地質構造發育。針對基巖復雜的水文地質條件，如何有效對含水地層進行治理確保井筒安全穿過，是立井施工防治水的首要任務。

3 特殊鑿井技術的應用

淮北礦區深厚表土層井筒施工多采用凍結法、鉆井法等特殊施工方法。然而，基巖段涌水治理的兩種基本方法是地面預注漿和工作面注漿。工作面注漿由于存在作業空間狹小，深部含水層治理效果難以保障，耽誤建井工期等缺點，一般在井筒出水事故中使用較多。淮北礦區基巖含水層層數多，一般多采用地面預注漿進行堵水，注漿材料主要采用粘土水泥漿，而風化殼、破碎帶采用單液水泥漿。下面將對鉆—注平行技術在信湖煤礦主井井筒工程的應用進行介紹。

3.1 工程概況

安徽省亳州煤業有限公司信湖煤礦位于渦陽縣西南，設計生產能力為300萬t/a，附近公路可通亳州、淮北市和渦陽等，交通較為方便。礦區內設計主井、副井和風井3個井筒，均采用立井開拓方式。主井井筒設計深度1009.5 m，凈直徑6 m，表土層厚度421.75 m，主井表土段采用鉆井法施工工藝，基巖段先采用地面預注漿法達到基巖段堵水及對不穩定地層加固的目的，后采用普通立井鑿井法施工工藝掘砌到底。

3.2 地質條件及總體方案

信湖煤礦位于淮北煤田中的渦陽礦區，井田內地層自上而下為第四系、第三系、二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組。主井井筒表土段粘土層數較多，且多為粘性鈣土及膨脹較強的灰綠色粘土，而砂層單層較厚，多含石英及石英長石；下部基巖段含水層較多，抽水試驗及成果表明，井筒預測涌水量194 m3/h。根據上述地質條件，本井筒施工采用鉆—注平行技術。

為了實現平行作業，地面預注漿采用直孔+S孔的注漿方式。其中，直孔段設計8個注漿鉆孔，鉆孔在地面均勻布置；S孔段設計6個注漿鉆孔，根據鉆井法鉆機場地布置，與龍門吊軌道安全距離為3 m，注漿鉆孔在鉆機兩側插空布置，采用定向鉆進技術確保鉆孔落點進入注漿靶域設計范圍；另設計4個分叉孔對雙側馬頭門巷道進行注漿加固。主井注漿起始深度與鉆井段重合18 m，注漿終止深度超過井筒設計深度10.5 m。井筒鉆—注技術參數如下：

鉆井參數起止深度0～502m鉆井荒徑9m鉆井段井壁厚度750mm直孔段注漿參數固管段深度484m起止深度484～648m距鉆井荒徑距離3mS孔段注漿參數固管段深度638m起止深度638～1020m落點圈徑11m分叉孔孔數4個起止深度749.5～1009.5m注漿起止深度964.5～1009.5m

3.3 工程施工情況及效果分析

(1)鉆孔質量分析。在鉆進過程中，嚴格控制鉆進參數，及時測斜及采取糾偏措施，從而保證各注漿孔偏斜率符合設計要求，并且鉆孔在注漿圈徑上分布大體均勻，在不同深度的落點也大體均布。

(2)注漿量分析。漿液注入量是井筒地面預注漿形成隔水帷幕的物質保證，是決定注漿堵水質量的基礎。主井井筒注入漿液共計27007.5 m3，其中單液水泥漿4073.5 m3，粘土水泥漿22934 m3，各段注入量完全滿足設計要求。井筒實際開挖時，實測剩余涌水量為3.5 m3/h，注漿堵水效果理想。

4 結語

井筒工程是礦井建設的咽喉，也是煤礦生產過程中聯系地面與地下的重要通道，因此井筒施工質量和效率直接影響著礦井建設速度和安全生產。立井井筒施工需要穿越可采煤層上部所有地層，因此地質和水文地質條件直接決定著所采用的建井技術和施工難易程度。淮北礦區復雜的地質條件主要表現為松散層厚度大、砂層層數多，結構松散、富水性強；斷層等導水地質構造發育、基巖段砂巖裂隙水、巖溶水威脅嚴重，這給礦井建設和煤炭開采過程帶來困難和不利影響。近年來，凍結、注漿及鉆井等特殊鑿井技術在淮北礦區的數十個井筒成功地應用，對區內未來新井建設和其他地區煤礦建設具有重要意義。

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(責任編輯 郭東芝)

Geological characteristics of Huaibei coal field and the influence on vertical shaft construction

Wang Zhixiao

(1. Research Institute of Mine Construction, Tiandi Science and Technology Co., Ltd.,Chaoyang, Beijing 100013, China;2. Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

Currently, with the increasing of mining depth in Huaibei mining area, safety and rapid construction became ultimately important for vertical shaft. Combining with valuable construction experience of dozens of vertical shaft, geology and hydrogeological characteristics of Huaibei coal field were analyzed. The successful application of special shaft sinking technology in Xinhu Coal Mine provided some countermeasures for shaft construction problems in the future.

Huaibei coal field, geological characteristics, hydrogeological characteristics, vertical shaft construction

天地科技股份有限公司技術創新基金(KJ-2014-BJZM-03)

P618.11 TD262.6

A

王志曉(1984- )，男，河北衡水人，助理研究員，工程碩士，長期從事水文地質、注漿工藝等方面的研究工作。