塔山煤矿立井带压掘进奥灰含水层探查与治理技术研究与应用
时间：2022-12-07 14:45:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
姜宇升
（晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西 大同 037001）
同煤大唐塔山煤矿有限公司塔山矿四盘区位于塔山井田的中南部，副立井位于四盘区工业广场范围内与回风立井相邻，其副立井井口矿区独立坐标：X = 4421220.641；
Y = 534189.435；
Z = +1591.00，井筒净径（φ）=10.5 m，井筒预计深度（包括井底水窝）760.39 m。根据四盘区井检孔地质及水文地质资料分析，四盘区副立井区段奥灰顶面标高约+814 m，奥灰含水层水位标高约+1 120 m，而副立井井底水窝底部最低标高为+830.61 m。
副立井井底水窝底板隔水层带奥灰水压约3.06 MPa，水窝相对奥灰含水层为带压掘进；
且副立井水窝底部隔水层厚度仅为16.61 m，突水系数为0.18 MPa/m。根据带压开采评价标准，副立井掘进属于危险区。根据矿井四盘区井检孔资料，虽然该区段奥灰含水层富水性相对较弱，但由于奥灰含水层富水性存在不均一性，再加上底板隔水层很薄，而且水窝施工为炮掘，对隔水层底板会造成一定扰动破坏[1-3]，因此，水窝掘进存在底板奥灰突水的潜在威胁。因此为保障副立井的安全掘进，特针对掘进区域范围内奥灰含水层的富水情况进行探查分析，并针对富水区域采用有效的防治水措施，特展开研究分析。
2.1 钻探方案
针对四盘区副立井开展钻探工程，其主要目的包括3 个方面，分别为：①对副立井井底水窝下方奥灰含水层富水情况进行探查；
②对副立井井底水窝井筒外30 m 范围内奥灰含水层富水情况进行探查；
③对揭露奥灰含水层进行注浆改造和加固。
本次钻探工程在塔山矿四盘区副立井井底水窝奥灰水害探查与治理工程中共布置17 个钻孔，其中一序孔5 个，二序孔4 个，三序孔8 个，除了井筒中心布置1 个钻孔外，其余16 个钻孔分别均匀布置在井筒外30 m 和10 m 的圆周上[4-6]。一序孔在井筒中间布置1 个钻孔，其余一序和二序8 个钻孔均匀布置在井筒外30 m 圆周上；
中间钻孔孔深约80 m，其余一序、二序孔孔深约85 m，一序、二序钻探进尺共760 m；
三序8 个孔均匀布置在井筒外10 m 的圆周上，单孔孔深约80 m，钻探进尺640 m，具体各类钻孔布置位置及与角度如图1 所示。
图1 探查钻孔布置位置及与角度示意图
探查钻孔结构为：钻孔φ133 mm，下入φ108 mm 套管20 m（套管厚度6 mm），固结后φ75 mm 裸孔至终孔；
各钻孔布置剖面图如图2 所示。
钻探技术要求如下：
1）按设计方案布置钻机、设置钻孔角度及方位。
2）孔口管固管工艺：孔口管采用PO 42.5 水泥浆固管。首先将孔口管推入钻孔中，将孔口封闭后，在孔口注水泥浆，使浆液从孔口管外壁反出后停止注浆。侯凝24 h 以上，扫至孔底进行压水试验，孔口压力6 MPa 以上保持30 min 压力不降，孔口周边无渗水说明固管合格。
3）钻进方法：开孔段采用回转钻进工艺，钻进到位后固结套管，之后进行二开钻进。
4）钻孔施工时开孔口需下入孔口管，规格为直径×长度= 108 mm×20 m，并采用水泥固管，随后采用无芯钻头钻进至设计层位。
5）钻进施工过程中做好各类数据及水文记录。
6）钻探施工过程中严格按照有关要求做好钻探原始记录工作。
7）孔口管固结完成后，在钻进过程中如果出现涌水超过10 m3/h 时，应停止钻进，采用注浆加固的方式处理，直至改造符合要求后方可继续钻进作业。
图2 钻孔结构示意图
钻探施工期间，为对副立井区段奥灰含水层的富水情况探查与验证治理效果的目的，工程施工中先施工井筒外围30 m 圆周上的一序孔，一序孔施工结束后再施工二序孔，当一、二序孔施工完成后，再进行三序孔的施工，待三序孔布置完成后，最后进行一序中心孔施工。
2.2 钻探工程及富水性分析
四盘区副立井钻探工程，根据钻探设计方案，具体实际施工钻孔参数见表1。
表1 实际施工钻孔参数表
基于施工数据绘制出各钻孔水量及水压图如图3 所示。
图3 探查钻孔水量及水压柱状图
分析图3（a）可知，出水量大于4 m3/h 的钻孔有JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1、JZ3-8 号钻孔。水量较大钻孔均位与井筒东南方向。JZ1-2 号钻孔方位118°，JZ1-4 号钻孔方位298°。钻孔出水量分布对比图显示，所有钻孔出水量自方位118°至方位298°呈逐渐减小趋势。说明四盘区副立井井筒东南部奥灰含水层富水性大于井筒西北部。根据矿井地质资料可知，四盘区副立井井筒东南部约50 m 存在一条落差5.5 m，倾角70°，走向东北方向，倾向东南方向的正断层。东南方向钻孔出水量相对较大可能与断层影响有关。
分析图3（b）可知，出水水压最大为1.7 MPa；
最小水压为1.2 MPa；
由于钻孔进入含水层垂深较小，揭露岩溶裂隙较少，因此各钻孔水压有一定差距，总体分析均体现奥灰水位。根据地质资料，采用最大水压计算水位标高为+1 025 m。本次探查工程水位较井检孔施工探查水位低95 m，分析原因有以下两点：①本区域奥灰水位总体呈下降趋势，井检孔为2018 年施工，因此本次探查奥灰水位较低；
②本次探查钻孔进入奥灰地层较浅，揭露含水地层较薄，并且本区域奥灰含水层富水性差异较大，因此与井检孔探查水位相差较大。
3.1 治理方案
根据四盘区副立井地质条件及奥灰含水层探查结果，本次奥灰含水层采用注浆治理方案，注浆工程依据设计采用地面注浆，本工程注浆采用纯水泥浆，注浆结束压力依据设计确定为孔口压力10 MPa，保持30 min 以上。注浆顺序与钻孔施工顺序相同[7-8]。尽量避免注浆与钻探同时施工导致转孔串浆情况发生。注浆所用材料52.5 号普通硅酸盐水泥，浆液水泥比重为1.2 kg/cm3。
注浆实施过程中，由于钻探工程中得知JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1 和JZ3-8 钻孔出水量相对较大，因此在这5 个钻孔注浆完成后进行扫孔做压水试验检验注浆效果。然后进行二次注浆封孔。二次注浆所用水泥量均较小，基本为封孔所用水泥量。
具体各钻孔注浆量如图4 所示。
图4 钻孔注浆量对比图
根据各钻孔注浆统计资料，注浆最大的钻孔为JZ1-2 号钻孔，注水泥8.5 t；
注浆量最小的钻孔注水泥0.5 t；
总注浆量45 t 水泥。本工程设计注浆量为1 000 t 水泥，实际注浆量与设计注浆量相差较大，说明本工程所探查副立井周边范围裂隙不发育，连通性较差。
3.2 检查孔设计与分析
根据17 个探查治理钻孔施工情况，结合上述分析结果可知，JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1 和JZ3-8这5 个钻孔水量相对较大，将检查孔布置在5 个出水量大的钻孔中间，具体检查孔布置位置见图5。
根据检查孔的钻探分析结果可知，2 个检查钻孔施工出水量均较小，出水情况详见表2。
另外通过对检查孔进行钻孔压水试验，得出计算结果见表3。
检查钻孔终孔位置位于之前施工探查治理钻孔出水量较大区域。通过钻孔出水量及压水试验计算结果分析，检查钻孔的出水量及吸水率均明显小于周边几个钻孔（JZ1-2、JZ2-1、JZ2-4、JZ3-1 和JZ3-8）注浆前水量及吸水率，详见图6。说明该5 个钻孔的注浆工程起到一定的治理效果。
图5 检查孔布置平面图
表2 检查钻孔水量、水压及水温统计表
表3 检查钻孔压水试验计算结果表
图6 检查钻孔与周边钻孔出水量及吸水率对比图
3.3 治理效果分析
根据验证副立井奥灰含水层注浆防治水治理效果，对出水量较大钻孔进行扫孔，观测钻孔出水情况，并做压水试验。扫孔后压水试验计算结果见表4。扫孔后压水试验吸水率计算结果均满足设计中要求的注浆结束标准。
分析表4 可知，5 个水量相对较大钻孔扫孔后出水量最大为0.5 m3/h（JZ1-2 号钻孔），最小为0.3 m3/h，出水量均远小于钻孔注浆前。17 个探查治理钻孔中，达到0.01 L/min·m·m 吸水率的钻孔仅有1 个JZ1-2 号。根据设计中注浆结束标准中，扫孔后钻孔吸水率达到0.01 L/min·m·m 以下即视为钻孔达到注浆效果。17 个探查孔中大部分钻孔在施工完成后吸水率则达到注浆完成标准。JZ1-2 号钻孔注浆后进行扫孔，扫孔完成后压水试验结果，吸水率为0.001 4 L/min·m·m，同样达到注浆完成标准。因此，本工程达到注浆效果。
表4 钻孔扫孔后压水试验计算结果表
3.4 安全性评价
为评价四盘区副立井井底水窝掘进安全性，采用《煤矿防治水细则》中突水系数的计算公式进行分析，公式如下:
式中：T为突水系数，MPa/m；
P为底板隔水层承受的实际水头值，MPa；
M为底板隔水层厚度，m。
根据钻孔探查成果，以钻孔见水垂深确定底板隔水层厚度，根据副立井掘进设计，副立井水窝需继续再向下掘进25.09 m，因此隔水层厚度定为钻孔见水垂深减去25.09 m。底板隔水层承受的实际水头值可以通过孔口水压计算得出。
通过计算分析得出，副立井水窝底板隔水层厚度为28.71～44.71m，平均35.69 m；
水窝底板隔水层承受水压为1.76～2.33 MPa，平均2.02 MPa；
最大突水系数为0.069 MPa/m，小于0.1 MPa/m。副立井井底水窝掘进处于带压开采相对安全区域，且局部钻孔出水量大的区域，注浆治理工程显著，因此副立井掘进期间不会发生底板奥灰突水事故。
1）四盘区副立井奥灰含水层探查钻孔最大出水量17.3 m3/h，最小出水量0.5 m3/h，平均出水量4 m3/h。四盘区副立井井筒东南部奥灰含水层富水性大于西北部。
2）注浆防治水工程共注水泥45 t，实际注浆量与设计注浆量相差较大，表明探查区域地层裂隙不发育，钻探过程中也没有遇到明显导水构造。5 处出水量较大的钻孔，注浆后检查钻孔的出水量及吸水率均明显，注浆效果显著。
3）通过计算评价分析可知，副立井水窝底板隔水层厚度为28.71～44.71 m，平均35.69 m；
水窝底板隔水层承受水压1.76～2.33 MPa，平均2.02 MPa；
最大突水系数为0.069 MPa/m，小于0.1 MPa/m。副立井井底水窝掘进处于带压开相对采安全区域，不会发生底板奥灰突水事故。
