山西龍頂山煤礦回風立井涌水原因分析及工程治理

陳光平

(山西省煤炭地質水文勘查研究院，太原 030006)

山西龍頂山煤礦回風立井涌水原因分析及工程治理

陳光平

(山西省煤炭地質水文勘查研究院，太原 030006)

龍頂山煤礦回風立井回風量減少，威脅礦井的安全生產(chǎn)。初步查明，回風立井周邊的風化裂隙水、老空水從井壁不同深度溢出或流出形成水簾或水幕，在井下觀測最大涌水量達26m3/h，是造成出水的主要原因。立井回風斷面小，風機在負壓狀態(tài)下，把從井壁涌出的水隨風帶出立井到地面，未帶出的形成水幕或水簾，影響了回風立井的回風量，是造成回風量減少的主控因素。通過帷幕注漿孔的施工，送入水泥水玻璃漿液在泵壓的作用下，逐步將風化裂隙堵塞，減少回風立井的涌水量，無論低頻、高頻風機回風量已達到煤礦安全生產(chǎn)的要求。

涌水量；回風量；風化裂隙水；采空積水；帷幕注漿；龍頂山煤礦

0 前言

高平市龍頂山煤礦回風立井于2006年掘進完工，回風立井直徑3.0m，深185.8m，豎井回風斷面7.06m2。2014年9月18日發(fā)現(xiàn)回風立井回風量明顯減少，對礦井安全生產(chǎn)有一定的影響。

通過下井實地調查分析，回風立井的井壁是用砂巖塊碹，風化裂隙水和老空水沿砌塊縫進入回風立井井壁，從不同深度溢出或流出形成水簾或水幕。在井下觀測最大涌水量達26m3/h，井壁的涌水量對礦井回風有一定的影響。通過分析井壁涌水量增大的原因，對回風立井進行帷幕注漿治理工程設計，運用注漿手段進行堵水減少回風立井的涌水量，使豎井回風量達到安全生產(chǎn)的要求。

1 地質及水文地質條件

1.1 地形地貌

龍頂山回風立井位于井田的中北部位，周邊為低山基巖溝谷地貌，南部為一近東西向溝谷，溝谷深達20m以上，匯水面積0.336km2。據(jù)當?shù)貧庀缶?001-2014年觀測資料，年降水量為405.9～1 201.0mm，平均655.6mm，降水期多集中于每年的5～9月；年蒸發(fā)量為1 480.9～2 228.3mm，平均1 764.9mm，蒸發(fā)量為降水量的2～3倍。本區(qū)植被覆蓋率高，以松樹為主，井口位于半山坡上，周邊沒有第四系松散層，基巖風化裂隙發(fā)育，降水入滲條件好，見圖1。

1.2 地層

龍頂山回風立井揭露地層由上到下有二疊系下統(tǒng)下石盒子組及山西組，石炭系上統(tǒng)太原組。含煤地層主要為山西組及太原組。

山西組厚度48.4m，巖性由黑色泥巖，深灰色砂質泥巖-粉砂巖和灰色、灰白色砂巖組成，含2、3號煤層，其中3號煤層為主要可采煤層，其余為不可采煤層。經(jīng)過多年的開采，井田內3號煤層資源已經(jīng)枯竭，形成大面積采空區(qū)。

圖1 回風立井周邊地形地質Figure 1 Landform and geology of periphery return shaft

太原組厚度71.3m，巖性為黑色炭質泥巖，深灰色-灰黑色砂質泥巖、泥巖、粉砂巖，灰色中細粒砂巖，深灰色石灰?guī)r及煤層，含5、6、8、9、11、12、13、15號煤層，其中15號煤層為可采煤層，厚3.5m左右，9號煤層大部可采，其余為不可采煤層。礦井2006年底延伸開拓至15號煤層。

1.3 水文地質條件

依據(jù)對龍頂山煤礦回風立井周邊的調查，立井周邊150m范圍內沒有地表水。由于15號煤層底板高于當?shù)貖W陶系(O2)石灰?guī)r巖溶水水位，不受O2巖溶水的危害?；仫L立井周邊僅有下石盒子組(P1x)、山西組(P1s)、太原組(C2t)的砂巖、灰?guī)r裂隙含水層，分析如下：

①下石盒子組和山西組砂巖裂隙含水層組。在井田中部山梁廣泛分布，周邊切割嚴重，地下水極易排泄，同時由于井田內3號煤層開采范圍較大，這兩個含水層地下水基本被疏干。

②太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組。含水層以K2、K3、K4、K5灰?guī)r及其之間的砂巖含水層為主，其中K2石灰?guī)r平均厚度10.37m，其中部含水性較好。K3灰?guī)r平均厚度3.80m，K4灰?guī)r平均厚度3.48m，K5灰?guī)r平均厚3.34m，局部相變?yōu)橹猩皫r。灰?guī)r之間之中細砂巖厚度為2.89～5.26m。該組含水層靜止水位埋深64.65m，水位降深57.95m時，涌水量0.203L/s，單位涌水量0.000 37L/(s·m)，滲透系數(shù)0.021 8m/d。水化學類型為HCO3·CI—Ca·Mg型。該含水層是15號煤層直接充水含水層。

區(qū)內地表基巖風化層極普遍，據(jù)注漿鉆孔所見裂隙發(fā)育深度，不因風化覆蓋厚度大小而變化，而是隨巖性不同以及膠結物質差異而加深，基巖越疏松裂隙延深就越大。通過注漿鉆孔的施工揭露立井周邊在不同深度還有3號煤、9號煤層的老空區(qū)，并且有積水。

2 回風立井涌水量增大原因分析

2.1 概況

龍頂山煤礦回風立井于2006年掘進完工，礦井回風大巷寬4.5m，高4.0m，回風大巷斷面為16～18m2；回風立井直徑3.0m，深185.8m，豎井回風斷面僅7.06m2。2014年9月18日發(fā)現(xiàn)回風立井回風量減少，進風量是5 300m3/min，回風量減少1 300～1 500 m3/min，威脅到礦井的安全生產(chǎn)。

該回風立井位于該礦工業(yè)廣場的東南部，該地有采空區(qū)，施工過程中發(fā)現(xiàn)大量漏風、漏水現(xiàn)象，注漿量大，自建成后就沿井壁不同深度的砂巖或石灰?guī)r風化裂隙帶涌水，而且在負壓的作用下加速了井壁風化裂隙的發(fā)育。該立井曾在2011年4月做過一次帷幕注漿治理工程，施工14個注漿鉆孔，注漿孔深度47.0～48.3m，從2014年9月實地觀察看，由于鉆孔太淺，未達到治理效果。

2.2 涌水量增大原因分析

依據(jù)調查，回風立井的周邊沒有地表水流，也沒有地表水池、水塘，其涌水主要來自采空區(qū)及大氣降水通過井壁周邊的砂巖、灰?guī)r風化裂隙帶或裂隙通道滲入到回風立井中。

2014年雨季降水量大，加之采空區(qū)積水量增大，2014年9月26日測量涌水量達26m3/h，從上至下觀察回風立井井壁，在26、42、65、82m等不同深度有多處出水點，同時井壁在17、45、104、145m有五個不同體積水倉，分布在NE和近W方向，井壁涌水打在立井梯子上。

由于回風立井的過風斷面僅有7.06m2，風速太高，形成的負壓大，加劇了風化裂隙含水層中的水及采空積水流入立井的速度。在降水充沛時擴大了風化裂隙的發(fā)育，使得風化裂隙中的細粒物質在水流的沖擊下，被帶入立井。風化裂隙的強度、寬度被逐步增加，如此反復，風化裂隙在時間、水流強度、風機抽風負壓的作用下不斷增大，因而在礦井生產(chǎn)時，風機頻率在45Hz時，風速最大時負壓大，造成回風立井的涌水量增大；風機頻率在20Hz時，風速變小負壓變小，回風立井的涌水量也變小。

綜上，回風立井周邊的裂隙是風化裂隙水、采空積水進入立井的通道，要堵塞這些風化裂隙，只有通過帷幕注漿孔的施工，在泵壓的作用下送入水泥水玻璃漿液，逐步將風化裂隙堵塞，以達到堵水的目的。

3 回風立井帷幕注漿設計

依據(jù)立井井壁地層巖性特點、水文地質條件分析，設計在立井周邊打一圈帷幕注漿孔，采用立井帷幕注漿工藝，每隔1.5m施工一個孔，設計35孔，孔深156m。

由于在施工過程中發(fā)現(xiàn)有采空區(qū)，漏風、漏水嚴重，為保證注漿堵水效果，調整設計采用不同深度多分段施工工藝，即漏水、漏風就開始注。帷幕注漿孔設計剖面圖及分段注漿示意圖見圖2。從實際堵水效果看，這一施工工藝符合龍頂山礦回風立井的實際情況。

4 回風立井帷幕注漿施工情況

4.1 帷幕注漿技術要求

本次帷幕注漿鉆孔施工的難度是不能影響礦井生產(chǎn)，注漿時只能等到礦井生產(chǎn)調休時，注漿時風機頻率要調到低頻20Hz，風量小，負壓小，在這種狀況下施工對風機風葉的影響最小，其次注漿鉆孔的施工離風井井壁要大于4.0m，否則在注漿壓力達2.0MPa時，注漿液會沿風井水倉溢出漿液，風井井壁出現(xiàn)鼓包或坍塌，影響礦井的正常生產(chǎn)。

4.1.1 注漿設備

本次施工投入TSJ1000/435型鉆機2臺，TWB-850/5B泥漿泵4臺，配套柴油機組3套，3.3m3水泥攪拌站一個，配套電機3個，電控柜一個，潛水泵2套，其它配套設備若干。

4.1.2 注漿工藝

根據(jù)裂隙發(fā)育及沖洗液的消耗情況確定強、弱裂隙發(fā)育帶，依初步鉆探注漿孔施工情況，并分析以前的注漿資料，強裂隙發(fā)育段在46～82m，本次注漿方案采用分段注漿。

本工程的注漿方式為分段下行式注漿法，孔口封閉靜壓注漿。每個注漿孔共分為多段注漿，從止?jié){套管底部至強裂隙發(fā)育段為一段，從82～156m弱裂隙發(fā)育段為第二段。依每個孔漏風、漏水情況而定。

4.1.3 注漿材料及注漿配制

水泥采用42.5#普通硅酸鹽水泥，根據(jù)注漿需要采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥單液漿中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食鹽作為早強劑。每次注漿前進行漿液的配比試驗，提交漿液配方及其性能指標。

4.1.4 注漿施工

(1)分段下行注漿法中的多段根據(jù)鉆孔中的實際情況決定注漿次數(shù)，鉆進過程中若出現(xiàn)涌水量過大或鉆孔遇見空洞裂隙沖洗液消耗過大需要停鉆注漿，鉆進中遭遇破碎帶難以穿越時也可停鉆注漿。

(2)每次注漿前，均要進行壓水，根據(jù)壓水試驗結果，確定漿液類型及其濃度。后因漏水嚴重，許多孔沒有進行壓水。壓水主要目的是疏通注漿管路及孔內巖石裂隙、測定單位受注層段吸水率。由于有15個孔的漏風，所有鉆孔都漏水，因此依情況分多段注漿。

(3)本工程在實際施工中根據(jù)注漿量的大小決定注漿液類型，注漿量偏大時用單液漿，可考慮加早強劑或其他添加劑，注漿量過大時用C-S雙液漿，C-S雙液漿要求通過孔口混合器在孔口內混合。

圖2 帷幕注漿孔設計剖面及分段注漿示意Figure 2 Curtain grouting borehole design configuration and sectional grouting schematic diagram

4.1.5 注漿結束標準

(1)注漿總壓。為使?jié){液有適當?shù)臄U散范圍，既不可將壓力定得過低，造成漏注，也不可將壓力定得太高，致使?jié){液擴散太遠，造成回風立井井壁破壞，甚至刷大原有的裂隙通道，出現(xiàn)新的突破口，增加涌水量。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗，本設計要求孔口壓力為2.25MPa。

(2)注漿量計算。注漿壓力1.35～2.25MPa。根據(jù)相關公式計算單孔注漿量。而在回風立井實際施工過程中，由于裂隙發(fā)育，又存在老空區(qū)，因而注漿量遠遠大于設計注漿量，17號孔的注漿量僅干粉水泥達到99t，水泥漿為132m3，填入石子21m3，這些施工狀況的出現(xiàn)已遠比設計時要復雜的多，大大增加了施工的難度和強度。

(3)注漿量標準。本設計注漿結束泵量為40～60L/min。當孔口壓力達到注漿結束標準后，同時注漿量也滿足注漿結束標準時，維持10min后，結束該段注漿。

4.2 帷幕注漿孔施工情況

在先期施工立井東部13號孔時，在孔深45、52.5m時漏水、漏風，發(fā)現(xiàn)進入采空區(qū)，注漿量巨大，隨后采用分段漏水即注的施工工藝。根據(jù)本次施工鉆孔可知基巖的風化深度達60～82m，施工過程中共發(fā)現(xiàn)了15個孔在采空區(qū)上漏水、漏風，其中在兩個風筒中間的17號孔深85.98m注入水泥99t，石料21m3，經(jīng)過分析本孔進入3號煤采空區(qū)，而且采空區(qū)體積巨大，經(jīng)過4d的注漿和石子填料才使本孔達到2.0MPa壓力。其它孔的注漿量依據(jù)裂隙發(fā)育程度，注漿量分別為6～44t，漏風的孔分別加注石粉或石子，加大水玻璃的量以縮短水泥漿的凝固時間，達到水泥漿堵塞裂隙通道的效果。

5 帷幕注漿效果

龍頂山回風井帷幕注漿工程共施工83d，完成施工注漿鉆孔38個，鉆探工程米總計3 226.86m，注入水泥696.5t，石粉127m3，石子39.4m3。

通過兩個多月的施工，采用分段注漿施工工藝，回風立井的涌水量有明顯減少，從2014年9月18日至2015年1月3日，回風立井的涌水量從26m3/h減少到4.6～8.6m3/h，風井井壁20～83.0m段涌水量已明顯減少，沒有集中出水點，同時無論低頻、高頻風機回風量已達到煤礦安全生產(chǎn)的要求。

6 帷幕注漿防治水工程存在問題

(1)由于有風機風筒的存在，受地形及設備、設施的限制，本次回風立井帷幕注漿工程未完成圍繞回風立井形成一個圓的帷幕，因而在堵水方面留有兩個裂隙缺口。

(2)帷幕注漿孔未完成設計鉆孔156m的深度，大多數(shù)孔在80.0～91.0m，因此回風立井80m以下裂隙還沒有封堵，是風井仍有水量的主要因素。

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ReturnShaftWaterGushingCausationAnalysisandEngineeringTreatmentinLongdingshanCoalmine,Shanxi

Chen Guangping

(Hydrogeological Exploration and Research Institute, Shanxi Coal Geological Bureau, Taiyuan, Shanxi 030006)

The decreasing of air-return in the Longdingshan coalmine return shaft is threatening safety in production. Preliminary investigation has shown that return shaft periphery weathering fissure water, gob water from different depths can form nappe or curtain. Underground observed maximum water inflow can be 26m3/h, thus the main causation of water gushing. Since the small section area of return shaft, under negative pressure state of the fan, can take a part of water inflow from shaft wall and bring out with wind to surface, the remaining can form nappe or curtain, thus the main control factor to decrease air-return. From curtain grouting boreholes, inject cement sodium silicate slurry, gradually plugging weathering fissures under pump pressure, thus decrease return shaft water inflow. Finally, regardless of low or high frequency air-return can achieve requirements of coalmine safety in production.

inflow of water; air-return quantity; weathering fissure water; gob water; curtain grouting; Longdingshan coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.07

1674-1803(2017)08-0039-04

陳光平(1962—)，男，重慶潼南人，工程師，從事地質勘查及礦井防治水工作。

2017-04-19

A

責任編輯：樊小舟