王得瑜

(神木縣寶興源礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719314)

長期以來，我國的煤炭儲量和需求量在國際上一直處于領(lǐng)先地位，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化的進(jìn)步都離不開能源的支撐，而我國煤炭一直占據(jù)著能源結(jié)構(gòu)的半壁江山，因此煤礦的安全高效開采直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。我國礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，是世界上礦井水害最嚴(yán)重的國家之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，受水害威脅的礦井超過8 000座，水害威脅制約著我國煤礦安全生產(chǎn)[1-5]。寶興源礦業(yè)采用斜井開拓方式，布置三條井筒，分別為主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井，文章以主斜井水文地質(zhì)條件為工程背景，通過分析主斜井水文地質(zhì)條件，預(yù)計(jì)主斜井井筒涌水量，從而提出主斜井井筒防治水措施，為類似條件井筒防治水提供參考。

1 主斜井水文地質(zhì)條件分析

寶興源礦業(yè)主斜井井筒周邊地表被第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙覆蓋，無基巖出露，多為草灘，其上生長有沙蒿、沙柳等植物。根據(jù)地下水的賦存條件及水力特征，將主斜井場地地下水劃分為松散層孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，具體詳述如下。

1.1 第四系松散巖類孔隙裂隙潛水

1) 新生界松散層(Q4al)孔隙潛水含水層。該含水層沿考考烏素溝呈條帶狀分布，多形成河漫灘及堆積階地，一般寬10 m左右，最寬處可達(dá)100～250 m，沖積層厚0～6.05 m，一般3 m，水位埋深2 m左右，巖性為中細(xì)砂及礫石層，含水層單位涌水量0.054 6～0.244 L/s·m，涌水量0.186～0.273 L/s，滲透系數(shù)1.337～5.49 m/d。

2) 第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組(Q3S)潛水含水層。含水層上部為淺黃色中、細(xì)沙及粉沙，屬流動(dòng)沙，下部為半固定沙，棕褐色，中粒結(jié)構(gòu)，次圓狀，分選差，風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組累計(jì)厚度各地不一，變化較大，區(qū)內(nèi)由3.60～23.75 m，平均厚度11 m左右，總體變化趨勢呈西部薄，東部厚，其下部為新近系保德組紅土，為褐紅色致密粘土或亞粘土，紅土頂界面呈西高東低狀，沙層接受降水后，自西向東沿低洼之小溝分流向各自泉域，該含水層單位涌水量0.018 8～0.056 6 L/s·m，涌水量0.303～0.325 L/s，滲透系數(shù)0.013 4～3.592 1 m/d。

3) 新近系保德組紅土(N2b)隔水層。保德組紅土僅出露于考考烏素溝以北敖包塔一帶，呈片狀分布，由于受剝蝕，該組地層厚度變化較大，據(jù)鉆孔揭露，厚度0～68.50 m，平均約32 m，總體變化趨勢是西部及南部較厚，東北部較薄，局部地段厚度為零，巖性為深紅色、棕紅色粘土、亞粘土，風(fēng)化后呈片狀剝落，夾鈣質(zhì)結(jié)核層，結(jié)構(gòu)致密，半堅(jiān)硬狀，含水性差，塑性大，是松散含水層下部良好隔水層。

1.2 中生界碎屑巖裂隙承壓含水層

1) 侏羅系中統(tǒng)安定組裂隙承壓含水層(J2a)全區(qū)均有分布，厚度變化較大，厚度9.27～93.01 m，平均厚度46.81 m，變化趨勢是西部厚，東部薄，巖性上部及中部為紫雜色泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，下部為淺灰色中細(xì)粒厚層狀長石石英砂巖，是安定組的主要含水巖段，但富水性差，具承壓性，含水層單位涌水量0.009 42～0.013 71 L/s·m，滲透系數(shù)0.009 39～0.015 16 m/d。

2) 侏羅系中統(tǒng)直羅組裂隙承壓含水層(J2Z)全區(qū)均有分布，厚度35.21～46.35 m，平均厚度37.46 m，巖層上部以灰綠色、淺灰色塊狀泥巖、粉砂巖為主，夾細(xì)粒砂巖，下部為灰白色中、粗粒長石石英砂巖，夾綠色泥巖、粉砂巖，裂隙不發(fā)育，富水性弱，含水層單位涌水量0.009 42～0.013 71 L/s·m，滲透系數(shù)0.009 39～0.015 16 m/d。

3) 侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓含水層(J2y)延安組為本區(qū)含煤地層，本組地層厚183.17～218.49 m，平均厚度193.84 m，含水層巖性主要為各主要可采煤層頂板之中、細(xì)粒砂巖，局部粗粒砂巖，泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)致密，裂隙主要為水平或波狀層理面及稀少的巖體節(jié)理。各含煤巖段單位涌水量0.001 80～0.003 34 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 299～0.001 47 m/d，Q3S沙層水單位涌水量0.018 8 L/s·m，滲透系數(shù)0.013 4 m/d，按含水層富水性分級，均為富水性弱含水層。

綜上所述，主斜井井筒的主要充水水源為新生界松散巖類孔隙裂隙潛水，充水方式以圍巖孔隙涌水和裂隙滲水為主，故井筒掘進(jìn)時(shí)應(yīng)先探水，做好提前預(yù)防。

2 主斜井井筒涌水量預(yù)計(jì)

主斜井井筒主要充水水源為新生界松散層孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，井筒涌水量分不同含水層段進(jìn)行分段計(jì)算，采用公式(1)計(jì)算。

Q=BK(2H-S)S/R

(1)

式中：Q表示涌水量，m3/d；B表示進(jìn)水?dāng)嗝骈L度，m；H表示含水層厚度，m；K表示滲透系數(shù)，m/d；S表示水位降低，m；R表示影響半徑，m，由公式R=2S(HK)1/2計(jì)算得到。

經(jīng)計(jì)算，主斜井井筒涌水量為875 m3/d，各參數(shù)取值和主斜井井筒涌水量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 主斜井井筒涌水量計(jì)算結(jié)果

3 主斜井井筒防治水

根據(jù)寶興源礦業(yè)主斜井井筒涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果，主斜井井筒涌水量為875 m3/d，其中，新生界松散層孔隙潛水含水層段涌水量749 m3/d，占比85.6%，在該含水層段設(shè)計(jì)采用地面帷幕注漿的技術(shù)措施用于主斜井井筒防治水，保證井筒安全順利掘進(jìn)，地面帷幕注漿是在地面上進(jìn)行注漿作業(yè)，施工條件良好，具有操作便捷、施工安全性較好、不影響井筒作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于礦井下松散層含水層涌水的治理[6]。

3.1 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 注漿孔布置。沿主斜井井筒布置5排注漿孔，分別沿拱頂中軸線布置1排注漿孔，中軸線兩側(cè)分別布置內(nèi)排孔和外排孔，注漿孔排距分別為3.5 m和2.0 m，注漿孔間距均為1.5 m，注漿孔布置平面圖，見圖1。

圖1 注漿孔布置平面(mm)

2) 注漿孔安裝。注漿孔開孔直徑設(shè)計(jì)130 mm，開孔長度設(shè)計(jì)5.0 m，終孔直徑設(shè)計(jì)90 mm，止于主斜井底板下2.0 m處，因埋深不一，注漿孔長度不一。開孔口管采用直徑114 mm，壁厚6 mm，長度6.0 m的無縫鋼管，注漿管直徑25 mm，開有直徑5～10 mm的出漿孔，注漿孔安裝，見圖2。

圖2 注漿孔安裝示意(mm)

3) 其他注漿參數(shù)。注漿加固范圍開挖輪廓線外6.0 m，注漿速度12～120 L/min，注漿初壓1.0～3.0 MPa，注漿終壓5.0～7.0 MPa，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥漿，配合防水劑、速凝劑等添加劑，實(shí)時(shí)調(diào)整漿液性能。

3.2 注漿效果分析

寶興源礦業(yè)主斜井井筒施工揭露新生界松散層孔隙潛水含水層段采用地面帷幕注漿的技術(shù)措施用于井筒防治水，主斜井井筒施工中現(xiàn)場注漿終壓控制5.0～7.0 MPa，注漿時(shí)間控制在終壓20～30 min，共注入水泥1 632 t，經(jīng)預(yù)計(jì)主斜井施工通過松散層孔隙潛水含水層段的涌水量為749 m3/d，進(jìn)行地面帷幕注漿后，現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計(jì)了主斜井施工通過注漿區(qū)域的實(shí)際涌水量，涌水量為78～96 m3/d，較注漿前涌水量降低了85%以上，實(shí)現(xiàn)了新生界松散層孔隙潛水含水層涌水的有效防治。

4 結(jié) 語

涌水量影響井筒施工顯著，分析了寶興源主斜井井筒水文地質(zhì)特征條件，新生界松散巖類孔隙裂隙潛水為主斜井井筒主要充水水源，主斜井井筒涌水量預(yù)計(jì)875 m3/d，其中，新生界松散層孔隙潛水含水層段涌水量預(yù)計(jì)749 m3/d，占比85.6%.基于此，提出采用地面帷幕注漿技術(shù)進(jìn)行井筒防治水，設(shè)計(jì)了注漿孔布置方式、注漿孔安裝結(jié)構(gòu)以及其他注漿參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用后，注漿區(qū)域涌水量較注漿前降低了85%以上，保證井筒安全順利掘進(jìn)。