王坡煤礦回風(fēng)立井涌水探查與治理實踐

王展

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

王坡煤礦位于山西省澤州縣下村鎮(zhèn)境內(nèi)，礦井目前開采3 號煤層，水文地質(zhì)類型中等。井下無長期涌（出）水點，礦井涌水主要來自于3 號煤層頂板砂巖裂隙含水層水，3 號煤層導(dǎo)水裂隙帶影響范圍內(nèi)含水層屬弱富水性含水層，礦井涌水量約為15～35 m3/h，平均23 m3/h。2021 年汛期，晉城市遭遇多輪強降雨，降水量大、持續(xù)時間長，礦井涌水量呈明顯增大趨于，由25.5 m3/h 增大至87.7 m3/h。礦井涌水量增大點主要為上寺頭回風(fēng)立井，大量地表水向井筒內(nèi)滲透，井筒被破壞，造成井筒涌水量異常增大，不僅增大了煤礦生產(chǎn)成本，同時給礦井通風(fēng)造成較大壓力，給礦井安全生產(chǎn)帶來隱患。為有效治理因強降雨形成的導(dǎo)水通道，王坡煤礦位決定開展上寺頭回風(fēng)立井地表水滲透治理研究。

2 上寺頭回風(fēng)立井涌水探查

2.1 上寺頭回風(fēng)立井情況

上寺頭回風(fēng)立井礦區(qū)東側(cè)礦界邊部，總的地勢為北西高南東低，最高點位于風(fēng)井北側(cè)的山梁上，海拔標高1 272.6 m，最低點位于風(fēng)井南部寺頭河溝底，海拔標高900—1 005.3 m。寺頭河屬于長河支流，為季節(jié)性地表徑流，只有在雨季有洪水流過。井口標高約為+1 007.28 m，高于該處最高洪水位（標高約為+985 m）。上寺頭風(fēng)井井筒凈直徑4.5 m，凈斷面15.90 m2，垂深420 m。井壁施工工藝為每次施工至穩(wěn)定巖層時，做0.50～0.70 m 混凝土圈梁，圈梁上部采用石砌，厚度約0.30～0.40 m；然后繼續(xù)施工至穩(wěn)定巖層，再做混凝土圈梁，上部依然為石砌，依次重復(fù)，建井時井壁未做防水處理。井筒內(nèi)使用樹脂錨桿固定有梯子間。施工過程中各含水層滲水量均較小，均屬于低滲透含水層。

上寺頭回風(fēng)立井北部存在一古滑坡體，古滑坡為中型巖質(zhì)滑坡，滑體的前緣已抵到了寺頭河對岸的斜坡坡腳，已無滑動空間，屬穩(wěn)定滑坡?；麦w地表大多為第四系上更新統(tǒng)黃土，其下為上石盒子組三段、二段泥巖、砂巖，其中可見滑動痕跡，巖層不連續(xù)，裂隙發(fā)育。

2.2 水文地質(zhì)鉆孔涌出探查

在收集礦井水文地質(zhì)資料和野外踏勘的基礎(chǔ)上，施工水文地質(zhì)探查鉆孔探查涌水層，并輔以測井、地形圖繪制、水文地質(zhì)調(diào)查等手段，為后續(xù)涌水治理提供依據(jù)。

在上寺頭回風(fēng)立井10 m 處施工1 個水文地質(zhì)探查孔，以揭露井筒地表水滲透位置及層位為主，配套水文測井和常規(guī)測井，確定含水層層位以及流量。鉆孔開孔用φ146 mm 鉆頭鉆進至基巖，后用φ89 mm 鉆頭施工至終孔層位。水文地質(zhì)探查孔施工總進尺368.64 m，進行全孔段取心，取心結(jié)果見表1 和圖1。觀測鉆進中水位變化，提鉆后下鉆前各測水位1 次，鉆孔沖洗液為清水，每小時觀測1次沖洗液消耗量。ZK3-1 孔水位觀測總次數(shù)為114次，沖洗液消耗量觀測總次數(shù)為342 次。

圖1 水文地質(zhì)鉆孔不同地層取樣樣品Fig.1 Hydrogeological drilling hole sampling samples of different strata

表1 ZK3-1 鉆孔巖心采取率統(tǒng)計Table 1 Statistics of core utilization rate of ZK3-1 drilling hole

3 探查工作成果分析

3.1 地表水滲透層段

通過觀測鉆進沖洗液消耗量、巖心裂隙發(fā)育特征，結(jié)合水文流量測井分析判斷上寺頭回風(fēng)立井地表水滲透層段。

3.1.1 水文流量測井

采用速度刻度法計算各含水層水量，結(jié)果見表2。

表2 分層涌水量、吸水量計算Table 2 Calculation of layered gashing water and water absorption

3.1.2 巖芯特征

（1）0～52 m 地表水滲透層段。地層層位為第四系松散層、上石盒子組二段上部。巖芯含棕色、棕黃色較多，隨深度的增大，棕色含量減少；總體破碎，RQD 值15%～65%，砂巖、泥巖中均發(fā)育裂隙，裂隙面可見鐵質(zhì)浸染的特征推測，該地段巖層裂隙為地表水流經(jīng)通道，這些裂隙的形成與上寺頭古滑坡有關(guān)。

（2）52～76 m 泥巖、泥質(zhì)粉砂巖隔水層。地層層位為上石盒子組二段，巖性以泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，夾砂巖，巖芯完整，RQD 值39%～78%，結(jié)合水文測井未測出含水層，綜合推斷該段是較好的隔水層。

（3）76～120 m 滲透層段。地層層位為上石盒子組二段下部。巖芯顏色以青、青灰色為主；總體較完整，RQD 值27%～70%，裂隙主要發(fā)育在砂巖中，泥巖中少見裂隙，裂隙兩側(cè)較干凈，推測該滲透層段以正常的石盒子組砂巖裂隙含水層為主。

3.1.3 沖洗液消耗量

ZK3-1 鉆孔簡易水文觀測沖洗液消耗量342次，全孔不同深度處消耗量變化如圖2 所示。

圖2 水文鉆探消耗量與水位趨勢線Fig.2 Hydrological drilling consumption and water level trend line

從圖2 可知，沖洗液消耗量有小變大突變點有10 個，推測為10 個漏水點，見表3。

表3 沖洗液消耗量突變點Table 3 Mutation point of flushing fluid consumption

根據(jù)上寺頭回風(fēng)立井周邊水文地質(zhì)條件，結(jié)合鉆進沖洗液消耗量突變點、鉆孔巖芯裂隙發(fā)育特征、水文測井成果綜合推斷，上寺頭回風(fēng)立井地表水滲透主要有2 個出水層段。

（1）0～52 m：有4 個沖洗液消耗量突變點，水文測井在46.85～52 m 劃分出4 個吸水層，該段巖層砂巖含量較多，裂隙增大，推斷為導(dǎo)水含水層。

（2）76～120 m：有6 個沖洗液消耗量突變點，水文測井未測出含水層。

3.2 地表水滲透水源

3.2.1 地表水滲透原因

上寺頭古滑坡導(dǎo)致巖層裂隙發(fā)育，上石盒子組中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖失去隔水層作用，使得第四系松散層含水巖組與上石盒子組二段砂巖裂隙含水巖組聯(lián)通，共同形成一個直通地表的潛水含水巖組，直接接受雨水補給。上寺頭回風(fēng)立井位于古滑坡的南部，揭穿滑坡體含水巖組，建井時井壁未做防水處理，造成風(fēng)井出現(xiàn)地表水向井筒內(nèi)滲透現(xiàn)象。在枯水期，含水巖組水位低，井筒內(nèi)地表水滲透量較小；豐水期，含水層水位高，井筒地表水滲透量較大。2021 年雨季是晉城幾十年一遇的強降雨季節(jié)，大量雨水直接補給滑坡體含水層，造成了井筒周圍地表水滲透嚴重。

3.2.2 水質(zhì)分析結(jié)果

采取井筒內(nèi)水樣1 件，3 個調(diào)查民井各1 件。3 個水井樣，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca 型，礦化度為257～581 mg/L；井筒水樣，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Na·Ca 型，礦化度為321 mg/L。二者均是來自沉積巖區(qū)地下水的特征，水井水樣Na 離子含量低5～9.15 mg/L，井筒水樣Na 離子含量高64.52 mg/L，由此推斷井水來源更接近地表，井筒水源有地層砂巖裂隙水參與。

4 涌水治理方案

上寺頭回風(fēng)立井承擔(dān)著王坡煤礦井下通風(fēng)生產(chǎn)任務(wù)，井內(nèi)管路較多，不具備停產(chǎn)、停風(fēng)實施井壁注漿止水條件。因此根據(jù)井筒井上下周邊建筑、設(shè)施以及水文地質(zhì)條件，選用地面鉆孔注漿方法進行井筒涌水治理。

0～52 m 地表水滲透層段，處于上寺頭古滑坡形成的潛水含水層中，該含水層直接受雨水補給，其地表水滲透量的大小與降雨量大小成正比。此次勘查施工的ZK3-1 孔，靜止水位44.2 m，隨著雨季的到來，古滑坡體含水層水位上升，井筒地表水滲透量劇增，因此，該滲透層段是止水工程治理的主要對象。76～120 m 滲透層段，其含水層為石盒子組砂巖裂隙含水層，水量一般較小，是上寺頭回風(fēng)立井地表滲透的次要水源，根據(jù)0～52 m 層段治理止水效果布置治理工程。

4.1 注漿鉆孔布置

針對前文確定的2 個地表水滲透層段，注漿鉆孔圍繞井筒布置3 圈，如圖3 所示。第一圈距離井筒外壁5 m、第二圈7 m、第三圈9 m，分2 個階段施工，第一階段施工第一、第二圈注漿鉆孔，第二階段施工第三圈注漿鉆孔。

圖3 注漿鉆孔布置示意Fig.3 Grouting drilling hole layout

（1）0～52 m 地表水滲透層段，含水層為上寺頭古滑坡形成的潛水含水層，其導(dǎo)水裂隙相對不均勻，按漿液擴散半徑2 m 布置注漿鉆孔，每圈布置12 個注漿孔，共布置36 個注漿孔，編號雙數(shù)鉆孔為與76～120 m 治理層段共用鉆孔。注漿后確保在井筒外側(cè)形成2～4 m 厚的止水帷幕。

（2）76～120 m 滲透層段，含水層為上石盒子組二段下部砂巖裂隙含水層，砂巖裂隙相對均勻，一般水量較小，按漿液擴散半徑4 m 布置注漿鉆孔，每圈施工6 個注漿孔，共布置18 個注漿孔，即編號雙數(shù)鉆孔。

此次治理設(shè)計注漿鉆孔36 個，總進尺3 096 m。第一個階段施工第一圈和第二圈鉆孔，鉆孔總數(shù)24 個，總進尺2 064 m，其中單數(shù)鉆孔12 個，孔深52 m，進尺624 m；雙數(shù)鉆孔12 個，孔深120 m，進尺1 440 m。第二階段為施工第三圈鉆注孔，鉆孔總數(shù)12 個，總進尺1 032 m，其中單數(shù)鉆孔6 個，進尺312 m；雙數(shù)鉆孔6 個，進尺720 m。

4.2 注漿量

參照《立井井筒地面預(yù)注黏土水泥漿技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合以往施工經(jīng)驗選取相應(yīng)參數(shù)，計算單孔注漿量。

式中：R 為漿液擴散半徑，取2 m；L 為注漿長度，即孔深52 m 和120 m；n 為地層空隙率，一般取值1%～3%，此次取2%；a 為地層填充率系數(shù)，一般取值0.7～0.9，此次取0.85；β 為漿液消耗量，取1.1。計算結(jié)果見表4。

表4 注漿量估算Table 4 Estimation of grouting amount

經(jīng)計算總注漿量為727.16 m3，包括在注漿過程中，液漿向注漿孔孔壁周圍、上覆巖層裂隙的滲透損失以及空隙滲透填充的漿液損失等。

4.3 鉆孔注漿施工順序

施工前收集風(fēng)井內(nèi)地表水滲透水量，施工中每天收集并記錄風(fēng)井內(nèi)地表水滲透水量，根據(jù)水量情況即時調(diào)整施工順序。施工分2 個階段，第一階段完成第一圈和第二圈鉆孔注漿，根據(jù)施工過程中滲透水量的變化情況，判斷止水效果，確定或調(diào)整第三圈施工孔數(shù)。

（1）先施工第一圈鉆孔，再施工第二圈鉆孔，根據(jù)鉆孔編號單、雙分序次施工，先施工單數(shù)編號鉆孔，后施工雙數(shù)編號鉆孔，對角鉆孔，鉆1 孔注1 孔，避免相鄰孔串漿而影響鉆孔效率和注漿質(zhì)量。

（2）安全出口兩側(cè)1-4 號鉆孔以及風(fēng)井通道兩側(cè)1-10、1-11 號鉆孔，根據(jù)周邊鉆孔注漿量和止水效果，采用斜孔施工，施工角度為1-4、1-10號鉆孔傾斜角度1°，1-11 號鉆孔傾斜角度2°。

（3）布置在風(fēng)井地面建筑風(fēng)井通道鉆孔位置，可根據(jù)建筑物的影響向兩側(cè)微調(diào)。2-4 號鉆孔布置在安全出口上方，2-10 號鉆孔布置在風(fēng)井通道上方，可在第二圈鉆孔注漿后期施工，根據(jù)風(fēng)井通道兩側(cè)鉆孔注漿量和止水效果調(diào)整孔位。

4.4 注漿材料及注漿孔結(jié)構(gòu)

注漿止水材料選擇既要考慮材料的可注性、凝膠時間的控制、存放和操作難易等因素，又要根據(jù)地面注漿量和井筒內(nèi)壁所能承受的最大壓力。此次注漿采取以單液水泥漿為主，水泥-水玻璃（或速凝劑）雙液漿相結(jié)合的注漿止水方法，兼顧止水與加固井筒的雙重效果。

鉆孔結(jié)束后，采用φ60 mm 鋼管，在管子前端20～30 cm 處焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑120～130 mm），下入孔內(nèi)變徑處，松動原φ127 mm 護壁管，再灌入水灰比為1∶1.5～1∶1.2 的稠水泥漿，然后起拔護壁管，φ60 mm 鋼管要高出地面0.5 m，并在管口安裝堵頭。澆鑄質(zhì)量要求達到注漿過程中漿液不會從孔口管外溢出，為加速注漿管與孔壁固結(jié)，可在水泥漿液中加入水泥重量3%～5%的速凝劑。注漿孔結(jié)構(gòu)及澆注孔口管如圖4所示。

圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)及孔口管示意Fig.4 Grouting hole structure and orifice pipe diagram

5 治理效果

經(jīng)過前期涌水探查、滲透水源和滲透漏水層段分析，采取3 圈鉆孔注漿止水治理方案后，井筒涌水量逐漸減少，如圖5 所示。經(jīng)過2 個多月的涌水治理，上寺頭回風(fēng)立井井筒涌水量由80 m3/min 降至25 m3/min，并且經(jīng)過2022 年雨季檢驗，井筒涌水量未見明顯增加，說明上寺頭回風(fēng)立井井筒涌水治理效果良好，實現(xiàn)了對涌水水源的有效封堵和隔絕。

圖5 上寺頭回風(fēng)立井井筒涌水量變化Fig.5 Variation of gashing water in Shangsitou return air shaft

6 結(jié)論

（1）王坡煤礦上寺頭回風(fēng)立井采用鋼筋混泥土圈梁加石塊漿砌而成。因處上寺頭古滑坡南部，受滑坡作用，滑坡體巖層裂隙發(fā)育，使上石盒子組二段砂巖裂隙含水層與第四系松散層孔隙含水層形成一個厚大的潛水含水層，直接接受雨水補給。上寺頭回風(fēng)立井揭穿滑坡體潛水含水巖層，建井時井壁未做防水滲透處理，造成了井筒地表水滲透現(xiàn)象。

（2）上寺頭回風(fēng)立井地表水滲透主要有2 個出水層段，即0～52 m 和76～120 m。與建井施工過程中，100 m 以上涌水量較大，100～200 m 涌水量較小，200 m 以下幾乎沒有涌水，基本一致。

（3）實踐檢驗，上寺頭回風(fēng)立井井筒涌水量方案合理可靠，實施后井筒涌水量由80 m3/min 降至25 m3/min，實現(xiàn)了對涌水水源的有效封堵。