巴拉素煤礦副井馬頭門防治水技術應用

李 博

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

0 引言

凍結法鑿井是采用人工制冷技術暫時加固不穩定地層和隔絕地下水的施工方法[1]。隨著國內礦井掘進技術的不斷進步，凍結法施工已經成為新建礦井鑿井的主要手段。近年來，礦井建設已逐步向深厚沖積層的深井建設發展，解決深厚沖積層和富水軟巖立井施工安全問題，成為新井建設技術關鍵，而確保凍結壁安全則是深厚巖土地層凍結法施工的技術核心[2-4]。雖然凍結技術已愈發成熟，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。在我國西部地區建井過程中，多次出現井筒淹水事故，事故后大都采用凍結法進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，而此時出現的水害問題較大程度地阻礙了礦井的正常施工。

因此，結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行治理，從而減少井筒涌水量，進而保證馬頭門巷道的順利掘進。

1 工程地質條件

巴拉素煤礦為延長石油集團正在籌建的一個大型現代化礦井，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、中央回風立井。副立井設計為圓形斷面，井筒凈直徑10.5 m，凈斷面積86.59 m2，井口標高+1 205.50 m，井底標高+674.15 m，井筒垂直深度531.35 m。

巴拉素井田內2#煤層厚度2.4～4.66 m，含水，水位埋深21.12～117.25 m，水位標高+1 104.96～+1 216.23 m，單位涌水量0.002～0.034 L/(s·m)，滲透系數0.060～1.173 m/d，富水性弱。副立井揭露的2#煤層底板標高為+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，通過實施探放水鉆孔，得出煤層頂底板不含水，主要充水含水層為2#煤層。

根據副井實際揭露情況，2#煤馬頭門斷面凈高12.6 m，揭露范圍內2#煤層高3.3 m，底板為泥質粉砂巖，頂板為1.6 m的泥質粉砂巖和8.45 m的中砂巖。對含水煤層的探放水鉆孔出水情況進行統計，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+毫克當量百分數為70.33%，SO42-毫克當量百分數為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探水鉆孔，對2#煤層及其頂板分別進行了鉆孔探水，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的連續觀測，副井馬頭門總涌水量已經近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 馬頭門注漿堵水設計及應用效果

3.1 防隔水煤巖柱留設

《煤礦防治水細則》[6]中防隔水煤巖柱寬度計算公式見式(1)。

(1)

式中：L—巷道迎頭或側幫與含水層間安全隔水煤(巖)柱寬度，m；K—安全系數，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)柱的抗拉強度，取0.5 MPa。

根據《巴拉素井田水文地質補充勘探報告》中2-2煤的飽和抗拉強度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《煤礦防治水細則》第93條規定，防隔水煤巖柱的尺寸不得小于20 m。為安全起見，本次設計安全隔水煤巖柱寬度取值20 m。

3.2 馬頭門井壁注漿設計

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，降低待注漿區域內的煤層水壓力，從而在注漿過程中達到引流注漿的作用[10-12]。

根據馬頭門實際涌水情況，在馬頭門東西兩側各布置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計剖面圖

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形空間向井筒上部導入，加速井壁圍巖凍結圈及凍結孔的解凍速度，將上覆含水層水導入井下。

圖4 副井馬頭門泄壓孔開孔示意圖

根據馬頭門實際涌水情況，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計剖面圖

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 應用效果

2018年9月1日開始實施注漿，并將泄水孔出水量控制在一定范圍內。隨著注漿工程的推進，馬頭門出水量逐漸減小。至10月25日注漿停止，當日觀測涌水量為11 m3/h。之后，對注漿效果進行監測，連續5日對井筒涌水量進行觀測記錄，涌水量基本穩定在11 m3/h，達到注漿堵水目標，即馬頭門掘進過程中單側涌水量不超過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 結論

(1)結合巴拉素煤礦地質條件，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)實施注漿堵水方案后，馬頭門涌水量基本穩定在11 m3/h，達到注漿堵水目標，有效保證了馬頭門巷道的順利掘進。

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