淮北煤田地質(zhì)特征及其對(duì)立井井筒建設(shè)的影響*

王志曉

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

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

淮北煤田地質(zhì)特征及其對(duì)立井井筒建設(shè)的影響*

王志曉

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

目前，淮北礦區(qū)煤炭資源已經(jīng)轉(zhuǎn)向深部開采，立井井筒的安全、快速建設(shè)顯得十分關(guān)鍵。結(jié)合淮北礦區(qū)數(shù)十個(gè)立井井筒建設(shè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)淮北煤田的地質(zhì)及水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析。通過信湖煤礦特殊鑿井技術(shù)成功應(yīng)用，提出了未來井筒建設(shè)難題的解決對(duì)策。

淮北煤田 地質(zhì)特征 水文地質(zhì)特征 立井井筒建設(shè)

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(qū)，如圖1所示。除淮北烈山煤礦外，區(qū)內(nèi)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(chǔ)量80多億t，是國家“十二五”重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地之一。礦山建設(shè)中，立井井筒施工是關(guān)鍵工程，而煤田的工程及水文地質(zhì)特征是影響井筒建設(shè)的重要因素。了解和掌握煤田的工程及水文地質(zhì)特征是保障井筒安全、快速建設(shè)的關(guān)鍵?；幢钡V區(qū)大部分礦區(qū)表土層深厚，結(jié)構(gòu)松散，基巖裂隙發(fā)育、富水性強(qiáng)。復(fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)井筒建設(shè)造成了嚴(yán)重威脅，也對(duì)礦井建設(shè)提出了很高的要求。

1 淮北煤田地質(zhì)特征

淮北煤田地層由老到新為奧陶系中下統(tǒng)(O1+2)、石炭系上統(tǒng)(C2)、二疊系(P)、三疊系下統(tǒng)(T1)、侏羅系上統(tǒng)(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?guī)r，總厚約500 m，富水性較強(qiáng)；石炭系地層厚約140～150 m，含石灰?guī)r12層，夾有薄煤層，大多數(shù)不可采；煤系地層為石炭、二疊系地層。本區(qū)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(qū)為6#煤層)和下石盒子組的7#、8#煤層(濉肖區(qū)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(qū)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(qū)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(nèi)。渦陽礦區(qū)表土層厚度較厚，達(dá)到600～700 m。

圖1 淮北煤田范圍及礦區(qū)劃分

1.2 構(gòu)造地質(zhì)特征

由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，淮北煤田地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育。該區(qū)現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造格局主要為歐亞板塊與太平洋板的板緣活動(dòng)帶控制。早期EW、NNE 向構(gòu)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(gòu)造系統(tǒng)。

1.2.1 斷裂構(gòu)造

淮北煤田區(qū)內(nèi)主要斷裂有豐沛斷裂、廢黃河斷裂、宿北斷裂、固鎮(zhèn)-長豐斷裂、西寺坡斷裂等?；幢泵禾锏刭|(zhì)構(gòu)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(chǎn)狀北傾，傾角為35°～75°，長約200 km；阜陽深斷裂自北向南先后經(jīng)亳州、渦陽、阜陽、阜南，與湖北麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂相連，全長約145 km，形成于喜馬拉雅早期；岳集斷裂產(chǎn)狀東傾，傾角約70°，主要形成于燕山運(yùn)動(dòng)晚期，喜馬拉雅晚期也有活動(dòng)；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(gòu)造

淮北煤田區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造分布較多，且次級(jí)褶皺發(fā)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(qū)從東部向西部主要發(fā)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(qū)主要發(fā)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(zhì)構(gòu)造圖

1.3 水文地質(zhì)特征

淮北礦區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，區(qū)內(nèi)新生界松散沖積層直接覆蓋石炭二疊紀(jì)煤系地層上，松散層砂層層數(shù)多、富水性強(qiáng)，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?；幢泵禾锏谌?、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(shè)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(bǔ)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(lián)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(lián)系較弱，補(bǔ)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(fēng)化裂隙或回采裂隙進(jìn)入礦坑，成為礦坑充水的主要水源之一。

表1 淮北礦區(qū)松散層含隔水層組劃分實(shí)例

1.3.2 砂巖裂隙含水層

淮北礦區(qū)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(fēng)化殼之上，加上地質(zhì)構(gòu)造的影響，砂巖含水層與松散含水層存在水力聯(lián)系。近年來淮北煤田井筒基巖段涌突水事故統(tǒng)計(jì)見表2。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(fā)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?guī)r巖溶裂隙含水層

區(qū)內(nèi)煤系地層基底為石炭系太原組灰?guī)r和巨厚中奧陶統(tǒng)灰?guī)r。太灰和奧灰?guī)r溶含水層具有水壓高、水量大的特征，是威脅礦井安全生產(chǎn)的重要隱患之一。立井井筒設(shè)計(jì)和施工時(shí)，一般都盡量避開這兩個(gè)灰?guī)r含水層。太灰距離煤層大約60 m，且存在隔水層，對(duì)于完整底板來說不易突水，但是如果底板存在一些小導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蛘哂捎诿旱V開采擾動(dòng)使得那些阻水?dāng)嗔言诟咚畨?、礦壓和地應(yīng)力等作用下相互溝通變成導(dǎo)水?dāng)鄬?，與太灰特別是奧灰溝通后則極易產(chǎn)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(tǒng)計(jì)

2 淮北地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)建井的不利影響

2.1 深厚表土層

淮北礦區(qū)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(qiáng)，涌水量大，對(duì)井筒建設(shè)造成了極大的困難。表土層中流砂層對(duì)井筒安全掘砌危害最大，砂層遇水流動(dòng)，井幫極不穩(wěn)定，立井施工不僅難以通過，而且井壁質(zhì)量受其影響往往較差。對(duì)于部分井田黏土層厚度大的特點(diǎn)，在利用凍結(jié)法施工時(shí)其凍脹影響也不容忽視。同時(shí)，表土層固結(jié)沉降對(duì)井壁產(chǎn)生的豎向附加力對(duì)井壁抗壓縮性提出了更高的要求。

2.2 基巖水文地質(zhì)條件復(fù)雜

淮北礦區(qū)基巖水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，含水層層數(shù)多，包括二疊系砂巖含水層、太原組薄層灰?guī)r及奧灰；水壓高、富水性強(qiáng)；斷層、陷落柱等導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。針對(duì)基巖復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，如何有效對(duì)含水地層進(jìn)行治理確保井筒安全穿過，是立井施工防治水的首要任務(wù)。

3 特殊鑿井技術(shù)的應(yīng)用

淮北礦區(qū)深厚表土層井筒施工多采用凍結(jié)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(yù)注漿和工作面注漿。工作面注漿由于存在作業(yè)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(diǎn)，一般在井筒出水事故中使用較多。淮北礦區(qū)基巖含水層層數(shù)多，一般多采用地面預(yù)注漿進(jìn)行堵水，注漿材料主要采用粘土水泥漿，而風(fēng)化殼、破碎帶采用單液水泥漿。下面將對(duì)鉆—注平行技術(shù)在信湖煤礦主井井筒工程的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 工程概況

安徽省亳州煤業(yè)有限公司信湖煤礦位于渦陽縣西南，設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)主井、副井和風(fēng)井3個(gè)井筒，均采用立井開拓方式。主井井筒設(shè)計(jì)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(yù)注漿法達(dá)到基巖段堵水及對(duì)不穩(wěn)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(zhì)條件及總體方案

信湖煤礦位于淮北煤田中的渦陽礦區(qū)，井田內(nèi)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(shù)較多，且多為粘性鈣土及膨脹較強(qiáng)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(yàn)及成果表明，井筒預(yù)測(cè)涌水量194 m3/h。根據(jù)上述地質(zhì)條件，本井筒施工采用鉆—注平行技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，地面預(yù)注漿采用直孔+S孔的注漿方式。其中，直孔段設(shè)計(jì)8個(gè)注漿鉆孔，鉆孔在地面均勻布置；S孔段設(shè)計(jì)6個(gè)注漿鉆孔，根據(jù)鉆井法鉆機(jī)場(chǎng)地布置，與龍門吊軌道安全距離為3 m，注漿鉆孔在鉆機(jī)兩側(cè)插空布置，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)確保鉆孔落點(diǎn)進(jìn)入注漿靶域設(shè)計(jì)范圍；另設(shè)計(jì)4個(gè)分叉孔對(duì)雙側(cè)馬頭門巷道進(jìn)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(shè)計(jì)深度10.5 m。井筒鉆—注技術(shù)參數(shù)如下：

鉆井參數(shù)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(shù)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(shù)固管段深度638m起止深度638～1020m落點(diǎn)圈徑11m分叉孔孔數(shù)4個(gè)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(zhì)量分析。在鉆進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，及時(shí)測(cè)斜及采取糾偏措施，從而保證各注漿孔偏斜率符合設(shè)計(jì)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(diǎn)也大體均布。

(2)注漿量分析。漿液注入量是井筒地面預(yù)注漿形成隔水帷幕的物質(zhì)保證，是決定注漿堵水質(zhì)量的基礎(chǔ)。主井井筒注入漿液共計(jì)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(shè)計(jì)要求。井筒實(shí)際開挖時(shí)，實(shí)測(cè)剩余涌水量為3.5 m3/h，注漿堵水效果理想。

4 結(jié)語

井筒工程是礦井建設(shè)的咽喉，也是煤礦生產(chǎn)過程中聯(lián)系地面與地下的重要通道，因此井筒施工質(zhì)量和效率直接影響著礦井建設(shè)速度和安全生產(chǎn)。立井井筒施工需要穿越可采煤層上部所有地層，因此地質(zhì)和水文地質(zhì)條件直接決定著所采用的建井技術(shù)和施工難易程度?；幢钡V區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件主要表現(xiàn)為松散層厚度大、砂層層數(shù)多，結(jié)構(gòu)松散、富水性強(qiáng)；斷層等導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、基巖段砂巖裂隙水、巖溶水威脅嚴(yán)重，這給礦井建設(shè)和煤炭開采過程帶來困難和不利影響。近年來，凍結(jié)、注漿及鉆井等特殊鑿井技術(shù)在淮北礦區(qū)的數(shù)十個(gè)井筒成功地應(yīng)用，對(duì)區(qū)內(nèi)未來新井建設(shè)和其他地區(qū)煤礦建設(shè)具有重要意義。

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(責(zé)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(shù)創(chuàng)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(zhì)、注漿工藝等方面的研究工作。