塔山煤礦立井帶壓掘進(jìn)奧灰含水層探查與治理技術(shù)研究與應(yīng)用

姜宇升

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(qū)位于塔山井田的中南部，副立井位于四盤區(qū)工業(yè)廣場范圍內(nèi)與回風(fēng)立井相鄰，其副立井井口礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)：X = 4421220.641；Y = 534189.435；Z = +1591.00，井筒凈徑（φ）=10.5 m，井筒預(yù)計(jì)深度（包括井底水窩）760.39 m。根據(jù)四盤區(qū)井檢孔地質(zhì)及水文地質(zhì)資料分析，四盤區(qū)副立井區(qū)段奧灰頂面標(biāo)高約+814 m，奧灰含水層水位標(biāo)高約+1 120 m，而副立井井底水窩底部最低標(biāo)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(jìn)；且副立井水窩底部隔水層厚度僅為16.61 m，突水系數(shù)為0.18 MPa/m。根據(jù)帶壓開采評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，副立井掘進(jìn)屬于危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)礦井四盤區(qū)井檢孔資料，雖然該區(qū)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(huì)造成一定擾動(dòng)破壞[1-3]，因此，水窩掘進(jìn)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(jìn)，特針對掘進(jìn)區(qū)域范圍內(nèi)奧灰含水層的富水情況進(jìn)行探查分析，并針對富水區(qū)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(qū)副立井開展鉆探工程，其主要目的包括3 個(gè)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(jìn)行探查；②對副立井井底水窩井筒外30 m 范圍內(nèi)奧灰含水層富水情況進(jìn)行探查；③對揭露奧灰含水層進(jìn)行注漿改造和加固。

本次鉆探工程在塔山礦四盤區(qū)副立井井底水窩奧灰水害探查與治理工程中共布置17 個(gè)鉆孔，其中一序孔5 個(gè)，二序孔4 個(gè)，三序孔8 個(gè)，除了井筒中心布置1 個(gè)鉆孔外，其余16 個(gè)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(gè)鉆孔，其余一序和二序8 個(gè)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(jìn)尺共760 m；三序8 個(gè)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(jìn)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(jié)構(gòu)為：鉆孔φ133 mm，下入φ108 mm 套管20 m（套管厚度6 mm），固結(jié)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(shù)要求如下：

1）按設(shè)計(jì)方案布置鉆機(jī)、設(shè)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?jié){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(jìn)行壓水試驗(yàn)，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(jìn)方法：開孔段采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)到位后固結(jié)套管，之后進(jìn)行二開鉆進(jìn)。

4）鉆孔施工時(shí)開孔口需下入孔口管，規(guī)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(jìn)至設(shè)計(jì)層位。

5）鉆進(jìn)施工過程中做好各類數(shù)據(jù)及水文記錄。

6）鉆探施工過程中嚴(yán)格按照有關(guān)要求做好鉆探原始記錄工作。

7）孔口管固結(jié)完成后，在鉆進(jìn)過程中如果出現(xiàn)涌水超過10 m3/h 時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，采用注漿加固的方式處理，直至改造符合要求后方可繼續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

鉆探施工期間，為對副立井區(qū)段奧灰含水層的富水情況探查與驗(yàn)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(jié)束后再施工二序孔，當(dāng)一、二序孔施工完成后，再進(jìn)行三序孔的施工，待三序孔布置完成后，最后進(jìn)行一序中心孔施工。

2.2 鉆探工程及富水性分析

四盤區(qū)副立井鉆探工程，根據(jù)鉆探設(shè)計(jì)方案，具體實(shí)際施工鉆孔參數(shù)見表1。

表1 實(shí)際施工鉆孔參數(shù)表

基于施工數(shù)據(jù)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(qū)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(jù)礦井地質(zhì)資料可知，四盤區(qū)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(guān)。

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(jìn)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(xiàn)奧灰水位。根據(jù)地質(zhì)資料，采用最大水壓計(jì)算水位標(biāo)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(diǎn)：①本區(qū)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(jìn)入奧灰地層較淺，揭露含水地層較薄，并且本區(qū)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(jù)四盤區(qū)副立井地質(zhì)條件及奧灰含水層探查結(jié)果，本次奧灰含水層采用注漿治理方案，注漿工程依據(jù)設(shè)計(jì)采用地面注漿，本工程注漿采用純水泥漿，注漿結(jié)束壓力依據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)施工導(dǎo)致轉(zhuǎn)孔串漿情況發(fā)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(shí)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(gè)鉆孔注漿完成后進(jìn)行掃孔做壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)注漿效果。然后進(jìn)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(jù)各鉆孔注漿統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)注漿量為1 000 t 水泥，實(shí)際注漿量與設(shè)計(jì)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(fā)育，連通性較差。

3.2 檢查孔設(shè)計(jì)與分析

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

根據(jù)檢查孔的鉆探分析結(jié)果可知，2 個(gè)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(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn)，得出計(jì)算結(jié)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(qū)域。通過鉆孔出水量及壓水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分析，檢查鉆孔的出水量及吸水率均明顯小于周邊幾個(gè)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(gè)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(tǒng)計(jì)表

表3 檢查鉆孔壓水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)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(jù)驗(yàn)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(jìn)行掃孔，觀測鉆孔出水情況，并做壓水試驗(yàn)。掃孔后壓水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表4。掃孔后壓水試驗(yàn)吸水率計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)中要求的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

分析表4 可知，5 個(gè)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(yuǎn)小于鉆孔注漿前。17 個(gè)探查治理鉆孔中，達(dá)到0.01 L/min·m·m 吸水率的鉆孔僅有1 個(gè)JZ1-2 號。根據(jù)設(shè)計(jì)中注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)中，掃孔后鉆孔吸水率達(dá)到0.01 L/min·m·m 以下即視為鉆孔達(dá)到注漿效果。17 個(gè)探查孔中大部分鉆孔在施工完成后吸水率則達(dá)到注漿完成標(biāo)準(zhǔn)。JZ1-2 號鉆孔注漿后進(jìn)行掃孔，掃孔完成后壓水試驗(yàn)結(jié)果，吸水率為0.001 4 L/min·m·m，同樣達(dá)到注漿完成標(biāo)準(zhǔn)。因此，本工程達(dá)到注漿效果。

表4 鉆孔掃孔后壓水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表

3.4 安全性評價(jià)

為評價(jià)四盤區(qū)副立井井底水窩掘進(jìn)安全性，采用《煤礦防治水細(xì)則》中突水系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行分析，公式如下:

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

根據(jù)鉆孔探查成果，以鉆孔見水垂深確定底板隔水層厚度，根據(jù)副立井掘進(jìn)設(shè)計(jì)，副立井水窩需繼續(xù)再向下掘進(jìn)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(shí)際水頭值可以通過孔口水壓計(jì)算得出。

通過計(jì)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(shù)為0.069 MPa/m，小于0.1 MPa/m。副立井井底水窩掘進(jìn)處于帶壓開采相對安全區(qū)域，且局部鉆孔出水量大的區(qū)域，注漿治理工程顯著，因此副立井掘進(jìn)期間不會(huì)發(fā)生底板奧灰突水事故。

4 結(jié) 論

1）四盤區(qū)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(qū)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(shí)際注漿量與設(shè)計(jì)注漿量相差較大，表明探查區(qū)域地層裂隙不發(fā)育，鉆探過程中也沒有遇到明顯導(dǎo)水構(gòu)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(jì)算評價(jià)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(shù)為0.069 MPa/m，小于0.1 MPa/m。副立井井底水窩掘進(jìn)處于帶壓開相對采安全區(qū)域，不會(huì)發(fā)生底板奧灰突水事故。