立井井筒過富水煤層段防治水安全技術(shù)實(shí)踐*

姬 強(qiáng)，方 剛，王春林，李彥民，梁向陽

(1.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)分布有大海則、可可蓋、小紀(jì)汗、烏蘇海則、巴拉素、西紅墩、袁大灘、紅石橋等多個井田，井田面積均在150～300 km2左右，區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良，且各井田大多數(shù)處于勘探階段，有待大規(guī)模投產(chǎn)[1-2]。礦區(qū)內(nèi)煤層埋深自東向西逐漸增大，總體在300～600 m，根據(jù)現(xiàn)有資料可知，其所處地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，不存在燒變巖水害、老(采)空區(qū)水害等問題。近年來，隨著煤炭資源的深部開發(fā)，發(fā)現(xiàn)了區(qū)內(nèi)2號煤層存在有高承壓富水體這一嚴(yán)重問題[3-5]，此類新型水害的發(fā)現(xiàn)將可能對區(qū)內(nèi)礦井的建設(shè)、生產(chǎn)安全帶來一大挑戰(zhàn)。為此，以榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)的巴拉素煤礦為工程背景，針對礦井建設(shè)過程中立井井筒掘進(jìn)階段井筒穿越2號富水煤層時所遇到的水害問題，通過采取相關(guān)防治水措施，以確保井筒的安全掘進(jìn)。

1 工程背景

1.1 礦井概況

巴拉素井田地處榆林市以西直距約40 km，行政區(qū)劃隸屬陜西省榆林市榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)、補(bǔ)浪河鄉(xiāng)、紅石橋鄉(xiāng)等管轄，地處規(guī)劃的榆橫礦區(qū)(北區(qū))中西部。礦井尚處于基建期間，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10.00 Mt/a。井田內(nèi)含主要可采煤層7層，分別為2、3、4-1、4-2、5、7、8號煤層。其中主要可采煤層為2、3號厚煤層，其余煤層均屬局部或者大部可采的薄及中厚煤層。2號煤層厚度1.42～5.74 m，平均煤層厚度3.68 m，以厚煤層為主；3號煤層厚度4.65～7.86 m，平均煤層厚度6.19 m，屬厚煤層；4-1、4-2、5、7、8號煤層平均厚度為0.84～1.59 m，為薄及中厚煤層。

巴拉素井田四周沒有明顯的自然邊界，均為人為劃定邊界，井田內(nèi)自上而下主要含水層為：第四系松散層潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙-裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖類裂隙含水層和侏羅系中統(tǒng)延安組碎屑巖類裂隙含水層等組成，各基巖含水層富水性均呈弱-中等。目前，在礦井建設(shè)階段發(fā)現(xiàn)2號煤層局部富水，且富水性不均一[6-7]。根據(jù)以往研究成果，礦井未來采掘2號煤層的主要充水水源為煤層頂板基巖孔隙裂隙水和2號煤層水[8-10]。

1.2 井筒概況

根據(jù)礦井設(shè)計(jì)，布置有4條立井井筒，分別為主立井、副立井、一號回風(fēng)立井和二號回風(fēng)立井，由于建設(shè)前期對于2號煤層水害認(rèn)識不足，對各井筒建設(shè)階段所采用的施工工藝有所影響。礦井二號回風(fēng)立井井筒采用半深凍結(jié)法進(jìn)行施工，井筒凈直徑6.5 m，凈斷面為33.2 m2，井口設(shè)計(jì)標(biāo)高+1 206.9 m，總深度545.45 m，凍結(jié)深度435 m，當(dāng)井筒掘進(jìn)至425 m時，經(jīng)施工探查鉆孔，發(fā)現(xiàn)在井筒垂深443～447 m范圍附近存在一層厚4 m、水壓力3.2 MPa，單孔涌水量2～5 m3/h的“七里鎮(zhèn)砂巖”。另外，在井筒垂深478～483 m的2號煤層，煤厚約3.2 m、水壓力3.6 MPa，單孔涌水量198 m3/h，因此，根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，該立井井筒停止掘進(jìn)。結(jié)合前期論證及施工經(jīng)驗(yàn)[11-13]，需對以上井筒即將通過的富水區(qū)域進(jìn)行超前疏放水及注漿治理工作。

2 防治水技術(shù)及安全措施

根據(jù)前期探查及以往工作經(jīng)驗(yàn)，2號煤層頂板的“七里鎮(zhèn)砂巖”較為致密，以孔隙水為主，注漿封堵效果較差，該段水體應(yīng)以疏放為主；對于2號煤層水而言，其煤層裂隙發(fā)育，采用注漿封堵后，以井筒斷面通過該區(qū)域方法有效可行。由此，提出相應(yīng)的探、疏放水及鉆孔布置方案，在疏降水體壓力的同時，為注漿工作做好準(zhǔn)備。

2.1 施工及布置

本次施工布置有24個探水注漿孔(1～24#)，其中，12個探水注漿孔(13～24#)均勻穿插在1～12#中間，孔深24.5 m左右，鉆孔開口處緊貼外壁成井井壁，距成井井壁0.5 m為宜，開孔眼間距980 mm，終孔超出井筒荒徑3.8 m，超出“七里鎮(zhèn)砂巖”底板2 m，鉆孔角度為79°，終孔間距2 180 mm，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 鉆孔布置示意Fig.1 Layout of borehole

在探水注漿施工前，先施工6個探水孔(兼做注漿孔)，經(jīng)井下現(xiàn)場實(shí)測涌水量，若總水量小于20 m3/h時，則探討后續(xù)施工方案；若總水量到達(dá)或超過20 m3/h時，則進(jìn)行工作面注漿封堵，在注漿后形成半徑不小于8.35 m的注漿帷幕。而后將預(yù)留的12個注漿孔(1～12#)掃孔至“七里鎮(zhèn)砂巖”底板2 m，注漿繼續(xù)進(jìn)行封堵，最后施工剩余6個探水注漿孔14#、16#、18#、20#、22#、24#，以上孔兼做驗(yàn)證孔。鉆機(jī)開孔選用ZDY1900型液壓鉆機(jī)配φ75 mm、φ90 mm、φ130 mm合金鉆頭，開孔至15 m時退出鉆機(jī)，埋設(shè)φ108 mm×6 mm止水套管，砂漿加固，雙液漿封堵；鉆進(jìn)采用ZDY1900型液壓鉆機(jī)配φ50 mm鉆桿及φ75 mm三芯鉆頭，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。在井口西北側(cè)安裝2臺注漿泵，工作面布置1臺孔口混合器，完成工作面注漿封堵施工。

2.2 施工順序及工藝

2.2.1 施工順序

由測量人員定位鉆孔；施工編號為13#、15#、17#、19#、21#、23#共6個探疏放水孔；開孔鉆進(jìn)至孔口管設(shè)計(jì)深度，預(yù)埋孔口管封堵加固；鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位；觀測涌水量，注漿封堵；同樣的方法施工1～12#探水注漿孔；施工剩余6個探水注漿孔；單孔涌水量超過0.5 m3/h時，重新掃孔注漿。

2.2.2 注漿前施工工藝

鉆機(jī)安裝定位：本次探水孔施工鉆機(jī)安裝在止?jié){墊施工平臺上，平臺高于止?jié){墊2 m，施工平臺采用φ108 mm無縫鋼管與16#槽鋼焊接而成，槽鋼上鋪δ=8 mm花紋鋼板，調(diào)整好鉆機(jī)架使用螺栓與施工平臺連接固定，鉆機(jī)與鉆機(jī)架之間使用專用的U型卡進(jìn)行卡牢固定，固定前，由技術(shù)人員根據(jù)鉆孔布置圖要求放線，鉆機(jī)安裝完畢后，檢查鉆機(jī)位置、角度、標(biāo)高是否合乎設(shè)計(jì)要求。鉆機(jī)和注漿機(jī)啟動時必須使用防爆開關(guān)進(jìn)行控制并按照負(fù)荷進(jìn)行整定，防止在使用過程中防爆開關(guān)動作不靈敏損壞設(shè)備；在接線時嚴(yán)格按照公司防爆設(shè)備安裝標(biāo)準(zhǔn)施工，禁止失爆現(xiàn)象發(fā)生。注漿機(jī)和鉆機(jī)在工作時必須做好防淋水措施，防止淋水損壞電氣設(shè)備。

埋設(shè)止水套管(15 m)：根據(jù)井下探放水鉆孔實(shí)際揭露情況分析，含水層富水區(qū)的觀測孔水壓力為2.4 MPa，結(jié)合規(guī)范要求，得出套管長度為15 m，經(jīng)前期探疏放水及注漿期間現(xiàn)場驗(yàn)證，15 m止水套管能夠滿足施工需求。本次探水施工中止水套管埋設(shè)分3次套孔，首先使用ZDY1900型液壓鉆機(jī)配φ75 mm合金鉆頭定位鉆進(jìn)至累深15 m后，退出鉆桿更換φ90 mm合金鉆頭進(jìn)行二次套孔，最后使用φ130 mm合金鉆頭3次套孔埋設(shè)止水套管，止水套管選用一根φ108 mm×6 mm無縫鋼管加工而成，每根長1.5 m，車絲連接。

固孔口管：由專職機(jī)修截取一個高0.3 m半截桶，將截好的半截桶套在止水套管上，防止周圍涌水進(jìn)入孔內(nèi)，套管埋設(shè)前應(yīng)用風(fēng)吹凈孔內(nèi)巖粉、積水，緊接著下入套管(如果環(huán)形空間過大則在最后一節(jié)管體外纏繞紗布或麻絲)，套管上端外露200～400 mm，在套管內(nèi)注入砂漿，凝固1 d后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，終壓不小于靜水壓的2.5倍且穩(wěn)定在30 min以上方為合格，試驗(yàn)合格后進(jìn)行探水施工，否則注雙液漿進(jìn)行封堵，直至試驗(yàn)合格。雙液漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，其中，水泥采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度30～40 Be′，實(shí)際施工中可根據(jù)涌水點(diǎn)水量大小及封堵難易程度適當(dāng)調(diào)整。

探水施工：采用ZDY1900型液壓鉆機(jī)配50 mm鉆桿及φ75 mm三芯鉆頭進(jìn)行探水孔鉆孔施工，鉆進(jìn)前孔口管加裝4寸高壓閥門，以防鉆孔突水造成水淹事故，工作面布置24個探水孔，先施工6個(編號為13#、15#、17#、19#、21#、23#)探水孔，鉆探完成后打開所有閥門，采用容積法觀測工作面總水量，水量達(dá)到或超過20 m3/h時，進(jìn)行工作面注漿封堵。后施工12個探水注漿孔(1～12#)，最后施工剩余6個驗(yàn)證孔(編號為14#、16#、18#、20#、22#、24#)，本次探水施工超前探測24.5 m，鉆孔垂深24 m，鉆孔角度79°，終孔位置超出“七里鎮(zhèn)砂巖”底板2 m，超出最大掘進(jìn)荒徑3.8 m，每天觀測涌水量變化，做好原始記錄。打鉆期間，在工作面附近無淋水部位裝設(shè)一部專用電話，鉆進(jìn)過程中，若因巖石破碎塌孔打不下去時，應(yīng)停鉆注漿待凝固后繼續(xù)掃孔鉆進(jìn)，否則一直鉆進(jìn)直至設(shè)計(jì)深度。在打鉆過程中，應(yīng)注意觀察是否有頂鉆、卡鉆、噴孔等異常涌出情況，詳細(xì)記錄并進(jìn)行及時匯報(bào)處理。結(jié)束時要核實(shí)鉆孔長度，確保鉆孔深度符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 注漿施工

注漿前準(zhǔn)備工作：在井口西北側(cè)分別安裝2臺GZB-40A高壓注漿泵，井筒內(nèi)布置一路外徑60 mm注漿軟管，一路1.2寸供水管兼做注漿管使用，工作面另設(shè)1臺混合器，與混合器連接的兩路注漿管應(yīng)安裝單向閥，防止壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致化學(xué)漿串漿，堵塞管路，注漿管、注漿泵和孔口管之間用φ50 mm×6 mm高壓膠管連接，輸漿管路自身能夠承受的壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)最高終壓的1.2倍。因化學(xué)漿性能限制，注漿溫度低于0 ℃時，化學(xué)漿提前凝膠無法呈現(xiàn)液態(tài)，滿足不了注漿需求，為此應(yīng)在注漿泵附近搭設(shè)保溫棚，內(nèi)設(shè)不少于2臺加熱器，保證出漿溫度不小于10 ℃；同時自保溫棚至井口段注漿管應(yīng)包裹保溫材料，保證漿液溫度。

注漿設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)：注漿設(shè)備及管路安裝完畢后，必須進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，注漿系統(tǒng)要滿足最大注漿壓力和流量的要求，經(jīng)試運(yùn)轉(zhuǎn)或耐壓試驗(yàn)，設(shè)備應(yīng)無異常響聲，具體作業(yè)程序?yàn)槿鏅z查注漿、攪拌系統(tǒng)及管路連接處等；注漿系統(tǒng)進(jìn)行無負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)；全系統(tǒng)聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)；處理存在問題，并再次進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，直至符合要求。

注漿作業(yè)：本次注漿封堵施工選用化學(xué)漿，化學(xué)漿由A、B液組成，均為液態(tài)，分別由專用容器盛放，在地面設(shè)專用場地儲存。注漿泵附近設(shè)置2個注漿容器，每個注漿容器為1 m3，按照A、B液混合配比要求，調(diào)整2臺高壓注漿泵吸漿量，漿液由地面注漿泵經(jīng)井筒內(nèi)敷設(shè)的兩路注漿管分別輸送至孔口混合器混合向工作面注漿封堵。孔口混合器布設(shè)在工作面與止水套管上與大閥門直接相連，混合器分別與兩趟管路的連接處必須安設(shè)單向閥，承受壓力不得低于32 MPa，設(shè)備、管路各連接處必須安設(shè)保險(xiǎn)繩，防止管路脫落傷人。注漿終壓不小于靜水壓2.5倍，本次注漿終壓取12 MPa，待所有注漿孔全部注漿封堵完成后，重新掃孔觀測涌水量，單孔涌水量不大于0.5 m3/h，總水量不大于20 m3/h，則本次注漿結(jié)束，否則繼續(xù)注漿封堵。每次注漿前必須對2臺注漿泵的流量進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場需要的漿液凝固時間，將2臺泵的輸出流量調(diào)整到2∶1～3∶1之間；然后開始進(jìn)行注漿，注漿過程中要隨時觀察注漿壓力不得超過注漿終壓；定時測量2臺泵的漿液輸出比例，當(dāng)比例出現(xiàn)偏差時可通過調(diào)整吸漿管控制閥門的大小來進(jìn)行調(diào)整，確保注漿比例在要求范圍內(nèi)。

2.3 安全技術(shù)措施

2.3.1 鉆探工程

開展鉆探作業(yè)時，要做到：①每班水泵工及電工配合好，按照操作規(guī)程操作潛水泵及臥泵，以保障排水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)及時排出工作面涌水，嚴(yán)格執(zhí)行井下交接班，每班填寫水泵運(yùn)行情況。②當(dāng)班隊(duì)長及技術(shù)員按照鉆孔設(shè)計(jì)位置及角度調(diào)整安裝鉆機(jī)。③開鉆前要認(rèn)真檢查鉆機(jī)安裝的牢固性、平穩(wěn)性,各部件連接是否正常，操作手柄是否靈活，并進(jìn)行鉆機(jī)的試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)無誤后可進(jìn)行鉆進(jìn)。④利用模板繩挪移鉆機(jī)時，要由當(dāng)班隊(duì)長或班長專人指揮，操作人員必須聽從指揮人員口令，精準(zhǔn)作業(yè)。⑤檢查壓風(fēng)、液壓系統(tǒng)各管路接頭是否擰緊，高壓管路要留保險(xiǎn)繩。⑥鉆具要擰緊，各工具及其它物品嚴(yán)防掉進(jìn)孔內(nèi)，下放和提拔鉆具時，要有人指揮，確保安全。⑦打鉆時，派專人時刻觀察鉆機(jī)的穩(wěn)定情況，防止鉆機(jī)傾覆傷人，人員遠(yuǎn)離孔口方向。⑧鉆進(jìn)過程中出水，應(yīng)及時停鉆通知技術(shù)人員下井測量涌水量、水壓、水溫等參數(shù)，并做好記錄。⑨探水注漿鉆孔開孔及掃孔時工作面必須放置一個吊桶，吊盤安全軟梯應(yīng)下放至工作面，發(fā)現(xiàn)緊急情況立即撤人。⑩打鉆過程中，應(yīng)隨時觀察工作面水位，操作人員不得正對鉆孔；若水量增加較快或出現(xiàn)頂鉆、水壓大、噴孔等異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即拔出鉆桿，關(guān)閉閥門；測量水壓、水量，并通知地面注漿。

2.3.2 注漿工程

注漿應(yīng)注意：①本次注漿屬高壓注漿，閥門及各管路要固定牢固，各接頭要擰緊，并預(yù)留保險(xiǎn)繩防止脫落傷人，人員遠(yuǎn)離孔口管方向。②注漿開始前井下工作人員應(yīng)及時進(jìn)行躲避，防止高壓注漿跑漿傷人。③注漿過程中，要設(shè)專人觀察注漿壓力和吸漿量的變化情況，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象及時采取措施處理。施工人員要佩戴安全防護(hù)手套、眼鏡；注漿機(jī)應(yīng)有專職機(jī)修維護(hù)、司泵工操作，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。④注化學(xué)漿時，A、B這2個吸漿管不得混合使用，嚴(yán)防堵塞。⑤如果出現(xiàn)設(shè)備有異響，壓力極不穩(wěn)定，應(yīng)立即停機(jī)檢查處理，如突發(fā)事件危及安全時，應(yīng)立即停機(jī)撤人。⑥注漿期間通風(fēng)風(fēng)量符合設(shè)計(jì)要求，注化學(xué)漿期間不得隨意關(guān)閉風(fēng)機(jī)。⑦工作平臺應(yīng)留設(shè)吊桶通過孔，并有足夠的安全距離;應(yīng)設(shè)專職信號把鉤工，防止吊桶或鉤頭上下時碰人。

2.3.3 其他注意事項(xiàng)

嚴(yán)禁“三違”作業(yè)，認(rèn)真做好防墜工作：①施工前本措施必須傳達(dá)至每一個施工人員，做到人人心中有數(shù)。②井下工作人員必須按井下工種佩戴勞動保護(hù)用品和礦燈，其它按井下有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。③井筒內(nèi)施工過程中，所有工具、材料必須留保險(xiǎn)繩，防止掉落，所有人員必須熟知發(fā)生突出水害的避災(zāi)路線，并能在班隊(duì)長指揮下有序撤離。④下放材料、設(shè)備前，應(yīng)事先通知絞車房和井下信號工，做好接送準(zhǔn)備。⑤注漿期間，班子成員嚴(yán)格執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)值班、帶班制度，領(lǐng)導(dǎo)24 h均有人值班。⑥井下電器、開關(guān)應(yīng)做好防水措施，采用風(fēng)筒布遮蓋。⑦提升、下放設(shè)備和構(gòu)件時必須由機(jī)電經(jīng)理及機(jī)電隊(duì)長在井口現(xiàn)場指揮，上、下大件時井下必須有隊(duì)長以上人員跟班，地運(yùn)班長必須在井口負(fù)責(zé)，必須由指定專業(yè)人員完成，明確各個工序的負(fù)責(zé)人，并做好簽字記錄工作。⑧施工過程中，工作面必須有充足的照明，照明不良、不足的情況下嚴(yán)禁施工。

2.3.4 避災(zāi)路線

路線一：工作面—吊桶—井口。即當(dāng)工作面出現(xiàn)應(yīng)急事故時，工作人員可在班隊(duì)長的指揮下通過信號聯(lián)系，按序經(jīng)吊桶直接升井至井口安全地點(diǎn)。

路線二：工作面—軟梯—吊盤—吊桶—井口。即當(dāng)工作面出現(xiàn)應(yīng)急事故時，工作人員可在班隊(duì)長的指揮下有序從軟梯升至吊盤，然后通過信號聯(lián)系，經(jīng)吊桶升井至井口安全地點(diǎn)。

路線三：工作面—軟梯—吊盤—安全梯—井口。即當(dāng)工作面出現(xiàn)應(yīng)急事故時，吊桶無法下放，工作人員可在班隊(duì)長的指揮下有序從軟梯升至吊盤安全梯，然后通過信號聯(lián)系，經(jīng)安全梯升井至井口安全地點(diǎn)。施工排水系統(tǒng)及避災(zāi)路線圖如圖2所示。

圖2 施工排水系統(tǒng)及避災(zāi)路線Fig.2 Drainage system and escape route

3 結(jié)語

巴拉素煤礦二號回風(fēng)立井井筒防治水工程，在采用鉆探、注漿手段對2號富水煤層頂板砂巖及2號煤層本身進(jìn)行水體疏放和注漿治理后，最終保障了該井筒的安全落底貫通。經(jīng)注漿堵水施工，井筒在通過2號富水煤層時，整體水量小于5 m3/h，達(dá)到了預(yù)期帷幕的效果。對于“七里鎮(zhèn)砂巖”而言，注漿效果有限，對井筒施工并無較大影響，但在后期礦井采掘過程中，需提前進(jìn)行探查、疏放。通過本次立井井筒過富水煤層段防治水安全技術(shù)研究及工程實(shí)踐，確定了采用方法、措施的可行性和有效性，確保了礦井的安全生產(chǎn)，也為礦井后期防治水工作提供借鑒。