塔山煤礦立井帶壓掘進奧灰含水層探查與治理技術研究與應用

姜宇升

（晉能控股煤業集團塔山煤礦，山西 大同 037001）

1 工程概況

同煤大唐塔山煤礦有限公司塔山礦四盤區位于塔山井田的中南部，副立井位于四盤區工業廣場范圍內與回風立井相鄰，其副立井井口礦區獨立坐標：X = 4421220.641；Y = 534189.435；Z = +1591.00，井筒凈徑（φ）=10.5 m，井筒預計深度（包括井底水窩）760.39 m。根據四盤區井檢孔地質及水文地質資料分析，四盤區副立井區段奧灰頂面標高約+814 m，奧灰含水層水位標高約+1 120 m，而副立井井底水窩底部最低標高為+830.61 m。

副立井井底水窩底板隔水層帶奧灰水壓約3.06 MPa，水窩相對奧灰含水層為帶壓掘進；且副立井水窩底部隔水層厚度僅為16.61 m，突水系數為0.18 MPa/m。根據帶壓開采評價標準，副立井掘進屬于危險區。根據礦井四盤區井檢孔資料，雖然該區段奧灰含水層富水性相對較弱，但由于奧灰含水層富水性存在不均一性，再加上底板隔水層很薄，而且水窩施工為炮掘，對隔水層底板會造成一定擾動破壞[1-3]，因此，水窩掘進存在底板奧灰突水的潛在威脅。因此為保障副立井的安全掘進，特針對掘進區域范圍內奧灰含水層的富水情況進行探查分析，并針對富水區域采用有效的防治水措施，特展開研究分析。

2 奧灰含水層富水情況探查

2.1 鉆探方案

針對四盤區副立井開展鉆探工程，其主要目的包括3 個方面，分別為：①對副立井井底水窩下方奧灰含水層富水情況進行探查；②對副立井井底水窩井筒外30 m 范圍內奧灰含水層富水情況進行探查；③對揭露奧灰含水層進行注漿改造和加固。

本次鉆探工程在塔山礦四盤區副立井井底水窩奧灰水害探查與治理工程中共布置17 個鉆孔，其中一序孔5 個，二序孔4 個，三序孔8 個，除了井筒中心布置1 個鉆孔外，其余16 個鉆孔分別均勻布置在井筒外30 m 和10 m 的圓周上[4-6]。一序孔在井筒中間布置1 個鉆孔，其余一序和二序8 個鉆孔均勻布置在井筒外30 m 圓周上；中間鉆孔孔深約80 m，其余一序、二序孔孔深約85 m，一序、二序鉆探進尺共760 m；三序8 個孔均勻布置在井筒外10 m 的圓周上，單孔孔深約80 m，鉆探進尺640 m，具體各類鉆孔布置位置及與角度如圖1 所示。

圖1 探查鉆孔布置位置及與角度示意圖

探查鉆孔結構為：鉆孔φ133 mm，下入φ108 mm 套管20 m（套管厚度6 mm），固結后φ75 mm 裸孔至終孔；各鉆孔布置剖面圖如圖2 所示。

鉆探技術要求如下：

1）按設計方案布置鉆機、設置鉆孔角度及方位。

2）孔口管固管工藝：孔口管采用PO 42.5 水泥漿固管。首先將孔口管推入鉆孔中，將孔口封閉后，在孔口注水泥漿，使漿液從孔口管外壁反出后停止注漿。侯凝24 h 以上，掃至孔底進行壓水試驗，孔口壓力6 MPa 以上保持30 min 壓力不降，孔口周邊無滲水說明固管合格。

3）鉆進方法：開孔段采用回轉鉆進工藝，鉆進到位后固結套管，之后進行二開鉆進。

4）鉆孔施工時開孔口需下入孔口管，規格為直徑×長度= 108 mm×20 m，并采用水泥固管，隨后采用無芯鉆頭鉆進至設計層位。

5）鉆進施工過程中做好各類數據及水文記錄。

6）鉆探施工過程中嚴格按照有關要求做好鉆探原始記錄工作。

7）孔口管固結完成后，在鉆進過程中如果出現涌水超過10 m3/h 時，應停止鉆進，采用注漿加固的方式處理，直至改造符合要求后方可繼續鉆進作業。

圖2 鉆孔結構示意圖

鉆探施工期間，為對副立井區段奧灰含水層的富水情況探查與驗證治理效果的目的，工程施工中先施工井筒外圍30 m 圓周上的一序孔，一序孔施工結束后再施工二序孔，當一、二序孔施工完成后，再進行三序孔的施工，待三序孔布置完成后，最后進行一序中心孔施工。

2.2 鉆探工程及富水性分析

四盤區副立井鉆探工程，根據鉆探設計方案，具體實際施工鉆孔參數見表1。

表1 實際施工鉆孔參數表

基于施工數據繪制出各鉆孔水量及水壓圖如圖3 所示。

圖3 探查鉆孔水量及水壓柱狀圖

分析圖3（a）可知，出水量大于4 m3/h 的鉆孔有JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1、JZ3-8 號鉆孔。水量較大鉆孔均位與井筒東南方向。JZ1-2 號鉆孔方位118°，JZ1-4 號鉆孔方位298°。鉆孔出水量分布對比圖顯示，所有鉆孔出水量自方位118°至方位298°呈逐漸減小趨勢。說明四盤區副立井井筒東南部奧灰含水層富水性大于井筒西北部。根據礦井地質資料可知，四盤區副立井井筒東南部約50 m 存在一條落差5.5 m，傾角70°，走向東北方向，傾向東南方向的正斷層。東南方向鉆孔出水量相對較大可能與斷層影響有關。

分析圖3（b）可知，出水水壓最大為1.7 MPa；最小水壓為1.2 MPa；由于鉆孔進入含水層垂深較小，揭露巖溶裂隙較少，因此各鉆孔水壓有一定差距，總體分析均體現奧灰水位。根據地質資料，采用最大水壓計算水位標高為+1 025 m。本次探查工程水位較井檢孔施工探查水位低95 m，分析原因有以下兩點：①本區域奧灰水位總體呈下降趨勢，井檢孔為2018 年施工，因此本次探查奧灰水位較低；②本次探查鉆孔進入奧灰地層較淺，揭露含水地層較薄，并且本區域奧灰含水層富水性差異較大，因此與井檢孔探查水位相差較大。

3 奧灰含水層治理方案

3.1 治理方案

根據四盤區副立井地質條件及奧灰含水層探查結果，本次奧灰含水層采用注漿治理方案，注漿工程依據設計采用地面注漿，本工程注漿采用純水泥漿，注漿結束壓力依據設計確定為孔口壓力10 MPa，保持30 min 以上。注漿順序與鉆孔施工順序相同[7-8]。盡量避免注漿與鉆探同時施工導致轉孔串漿情況發生。注漿所用材料52.5 號普通硅酸鹽水泥，漿液水泥比重為1.2 kg/cm3。

注漿實施過程中，由于鉆探工程中得知JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1 和JZ3-8 鉆孔出水量相對較大，因此在這5 個鉆孔注漿完成后進行掃孔做壓水試驗檢驗注漿效果。然后進行二次注漿封孔。二次注漿所用水泥量均較小，基本為封孔所用水泥量。

具體各鉆孔注漿量如圖4 所示。

圖4 鉆孔注漿量對比圖

根據各鉆孔注漿統計資料，注漿最大的鉆孔為JZ1-2 號鉆孔，注水泥8.5 t；注漿量最小的鉆孔注水泥0.5 t；總注漿量45 t 水泥。本工程設計注漿量為1 000 t 水泥，實際注漿量與設計注漿量相差較大，說明本工程所探查副立井周邊范圍裂隙不發育，連通性較差。

3.2 檢查孔設計與分析

根據17 個探查治理鉆孔施工情況，結合上述分析結果可知，JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1 和JZ3-8這5 個鉆孔水量相對較大，將檢查孔布置在5 個出水量大的鉆孔中間，具體檢查孔布置位置見圖5。

根據檢查孔的鉆探分析結果可知，2 個檢查鉆孔施工出水量均較小，出水情況詳見表2。

另外通過對檢查孔進行鉆孔壓水試驗，得出計算結果見表3。

檢查鉆孔終孔位置位于之前施工探查治理鉆孔出水量較大區域。通過鉆孔出水量及壓水試驗計算結果分析，檢查鉆孔的出水量及吸水率均明顯小于周邊幾個鉆孔（JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1 和JZ3-8）注漿前水量及吸水率，詳見圖6。說明該5 個鉆孔的注漿工程起到一定的治理效果。

圖5 檢查孔布置平面圖

表2 檢查鉆孔水量、水壓及水溫統計表

表3 檢查鉆孔壓水試驗計算結果表

圖6 檢查鉆孔與周邊鉆孔出水量及吸水率對比圖

3.3 治理效果分析

根據驗證副立井奧灰含水層注漿防治水治理效果，對出水量較大鉆孔進行掃孔，觀測鉆孔出水情況，并做壓水試驗。掃孔后壓水試驗計算結果見表4。掃孔后壓水試驗吸水率計算結果均滿足設計中要求的注漿結束標準。

分析表4 可知，5 個水量相對較大鉆孔掃孔后出水量最大為0.5 m3/h（JZ1-2 號鉆孔），最小為0.3 m3/h，出水量均遠小于鉆孔注漿前。17 個探查治理鉆孔中，達到0.01 L/min·m·m 吸水率的鉆孔僅有1 個JZ1-2 號。根據設計中注漿結束標準中，掃孔后鉆孔吸水率達到0.01 L/min·m·m 以下即視為鉆孔達到注漿效果。17 個探查孔中大部分鉆孔在施工完成后吸水率則達到注漿完成標準。JZ1-2 號鉆孔注漿后進行掃孔，掃孔完成后壓水試驗結果，吸水率為0.001 4 L/min·m·m，同樣達到注漿完成標準。因此，本工程達到注漿效果。

表4 鉆孔掃孔后壓水試驗計算結果表

3.4 安全性評價

為評價四盤區副立井井底水窩掘進安全性，采用《煤礦防治水細則》中突水系數的計算公式進行分析，公式如下:

式中：T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

根據鉆孔探查成果，以鉆孔見水垂深確定底板隔水層厚度，根據副立井掘進設計，副立井水窩需繼續再向下掘進25.09 m，因此隔水層厚度定為鉆孔見水垂深減去25.09 m。底板隔水層承受的實際水頭值可以通過孔口水壓計算得出。

通過計算分析得出，副立井水窩底板隔水層厚度為28.71～44.71m，平均35.69 m；水窩底板隔水層承受水壓為1.76～2.33 MPa，平均2.02 MPa；最大突水系數為0.069 MPa/m，小于0.1 MPa/m。副立井井底水窩掘進處于帶壓開采相對安全區域，且局部鉆孔出水量大的區域，注漿治理工程顯著，因此副立井掘進期間不會發生底板奧灰突水事故。

4 結 論

1）四盤區副立井奧灰含水層探查鉆孔最大出水量17.3 m3/h，最小出水量0.5 m3/h，平均出水量4 m3/h。四盤區副立井井筒東南部奧灰含水層富水性大于西北部。

2）注漿防治水工程共注水泥45 t，實際注漿量與設計注漿量相差較大，表明探查區域地層裂隙不發育，鉆探過程中也沒有遇到明顯導水構造。5 處出水量較大的鉆孔，注漿后檢查鉆孔的出水量及吸水率均明顯，注漿效果顯著。

3）通過計算評價分析可知，副立井水窩底板隔水層厚度為28.71～44.71 m，平均35.69 m；水窩底板隔水層承受水壓1.76～2.33 MPa，平均2.02 MPa；最大突水系數為0.069 MPa/m，小于0.1 MPa/m。副立井井底水窩掘進處于帶壓開相對采安全區域，不會發生底板奧灰突水事故。