陳光平

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，太原 030006)

山西龍頂山煤礦回風(fēng)立井涌水原因分析及工程治理

陳光平

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，太原 030006)

龍頂山煤礦回風(fēng)立井回風(fēng)量減少，威脅礦井的安全生產(chǎn)。初步查明，回風(fēng)立井周邊的風(fēng)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(dá)26m3/h，是造成出水的主要原因。立井回風(fēng)斷面小，風(fēng)機(jī)在負(fù)壓狀態(tài)下，把從井壁涌出的水隨風(fēng)帶出立井到地面，未帶出的形成水幕或水簾，影響了回風(fēng)立井的回風(fēng)量，是造成回風(fēng)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(fēng)化裂隙堵塞，減少回風(fēng)立井的涌水量，無論低頻、高頻風(fēng)機(jī)回風(fēng)量已達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)的要求。

涌水量；回風(fēng)量；風(fēng)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(fēng)立井于2006年掘進(jìn)完工，回風(fēng)立井直徑3.0m，深185.8m，豎井回風(fēng)斷面7.06m2。2014年9月18日發(fā)現(xiàn)回風(fēng)立井回風(fēng)量明顯減少，對礦井安全生產(chǎn)有一定的影響。

通過下井實(shí)地調(diào)查分析，回風(fēng)立井的井壁是用砂巖塊碹，風(fēng)化裂隙水和老空水沿砌塊縫進(jìn)入回風(fēng)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(dá)26m3/h，井壁的涌水量對礦井回風(fēng)有一定的影響。通過分析井壁涌水量增大的原因，對回風(fēng)立井進(jìn)行帷幕注漿治理工程設(shè)計(jì)，運(yùn)用注漿手段進(jìn)行堵水減少回風(fēng)立井的涌水量，使豎井回風(fēng)量達(dá)到安全生產(chǎn)的要求。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

龍頂山回風(fēng)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(dá)20m以上，匯水面積0.336km2。據(jù)當(dāng)?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(fēng)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(fēng)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(zhì)泥巖-粉砂巖和灰色、灰白色砂巖組成，含2、3號(hào)煤層，其中3號(hào)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(nèi)3號(hào)煤層資源已經(jīng)枯竭，形成大面積采空區(qū)。

圖1 回風(fēng)立井周邊地形地質(zhì)Figure 1 Landform and geology of periphery return shaft

太原組厚度71.3m，巖性為黑色炭質(zhì)泥巖，深灰色-灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，灰色中細(xì)粒砂巖，深灰色石灰?guī)r及煤層，含5、6、8、9、11、12、13、15號(hào)煤層，其中15號(hào)煤層為可采煤層，厚3.5m左右，9號(hào)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(hào)煤層。

1.3 水文地質(zhì)條件

依據(jù)對龍頂山煤礦回風(fēng)立井周邊的調(diào)查，立井周邊150m范圍內(nèi)沒有地表水。由于15號(hào)煤層底板高于當(dāng)?shù)貖W陶系(O2)石灰?guī)r巖溶水水位，不受O2巖溶水的危害。回風(fēng)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(yán)重，地下水極易排泄，同時(shí)由于井田內(nèi)3號(hào)煤層開采范圍較大，這兩個(gè)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?；?guī)r之間之中細(xì)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(shí)，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(xué)類型為HCO3·CI—Ca·Mg型。該含水層是15號(hào)煤層直接充水含水層。

區(qū)內(nèi)地表基巖風(fēng)化層極普遍，據(jù)注漿鉆孔所見裂隙發(fā)育深度，不因風(fēng)化覆蓋厚度大小而變化，而是隨巖性不同以及膠結(jié)物質(zhì)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(hào)煤、9號(hào)煤層的老空區(qū)，并且有積水。

2 回風(fēng)立井涌水量增大原因分析

2.1 概況

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

該回風(fēng)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(fēng)、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(fēng)化裂隙帶涌水，而且在負(fù)壓的作用下加速了井壁風(fēng)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(gè)注漿鉆孔，注漿孔深度47.0～48.3m，從2014年9月實(shí)地觀察看，由于鉆孔太淺，未達(dá)到治理效果。

2.2 涌水量增大原因分析

依據(jù)調(diào)查，回風(fēng)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(fēng)化裂隙帶或裂隙通道滲入到回風(fēng)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(dá)26m3/h，從上至下觀察回風(fēng)立井井壁，在26、42、65、82m等不同深度有多處出水點(diǎn)，同時(shí)井壁在17、45、104、145m有五個(gè)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(fēng)立井的過風(fēng)斷面僅有7.06m2，風(fēng)速太高，形成的負(fù)壓大，加劇了風(fēng)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(shí)擴(kuò)大了風(fēng)化裂隙的發(fā)育，使得風(fēng)化裂隙中的細(xì)粒物質(zhì)在水流的沖擊下，被帶入立井。風(fēng)化裂隙的強(qiáng)度、寬度被逐步增加，如此反復(fù)，風(fēng)化裂隙在時(shí)間、水流強(qiáng)度、風(fēng)機(jī)抽風(fēng)負(fù)壓的作用下不斷增大，因而在礦井生產(chǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率在45Hz時(shí)，風(fēng)速最大時(shí)負(fù)壓大，造成回風(fēng)立井的涌水量增大；風(fēng)機(jī)頻率在20Hz時(shí)，風(fēng)速變小負(fù)壓變小，回風(fēng)立井的涌水量也變小。

綜上，回風(fēng)立井周邊的裂隙是風(fēng)化裂隙水、采空積水進(jìn)入立井的通道，要堵塞這些風(fēng)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(fēng)化裂隙堵塞，以達(dá)到堵水的目的。

3 回風(fēng)立井帷幕注漿設(shè)計(jì)

依據(jù)立井井壁地層巖性特點(diǎn)、水文地質(zhì)條件分析，設(shè)計(jì)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(gè)孔，設(shè)計(jì)35孔，孔深156m。

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

4 回風(fēng)立井帷幕注漿施工情況

4.1 帷幕注漿技術(shù)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(shí)只能等到礦井生產(chǎn)調(diào)休時(shí)，注漿時(shí)風(fēng)機(jī)頻率要調(diào)到低頻20Hz，風(fēng)量小，負(fù)壓小，在這種狀況下施工對風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的影響最小，其次注漿鉆孔的施工離風(fēng)井井壁要大于4.0m，否則在注漿壓力達(dá)2.0MPa時(shí)，注漿液會(huì)沿風(fēng)井水倉溢出漿液，風(fēng)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(shè)備

本次施工投入TSJ1000/435型鉆機(jī)2臺(tái)，TWB-850/5B泥漿泵4臺(tái)，配套柴油機(jī)組3套，3.3m3水泥攪拌站一個(gè)，配套電機(jī)3個(gè)，電控柜一個(gè)，潛水泵2套，其它配套設(shè)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(qiáng)、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(qiáng)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(gè)注漿孔共分為多段注漿，從止?jié){套管底部至強(qiáng)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(gè)孔漏風(fēng)、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(qiáng)劑。每次注漿前進(jìn)行漿液的配比試驗(yàn)，提交漿液配方及其性能指標(biāo)。

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(shí)際情況決定注漿次數(shù)，鉆進(jìn)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(jìn)中遭遇破碎帶難以穿越時(shí)也可停鉆注漿。

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

(3)本工程在實(shí)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(shí)用單液漿，可考慮加早強(qiáng)劑或其他添加劑，注漿量過大時(shí)用C-S雙液漿，C-S雙液漿要求通過孔口混合器在孔口內(nèi)混合。

圖2 帷幕注漿孔設(shè)計(jì)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(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)注漿總壓。為使?jié){液有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)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(kuò)散太遠(yuǎn)，造成回風(fēng)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(yàn)，本設(shè)計(jì)要求孔口壓力為2.25MPa。

(2)注漿量計(jì)算。注漿壓力1.35～2.25MPa。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算單孔注漿量。而在回風(fēng)立井實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)注漿量，17號(hào)孔的注漿量僅干粉水泥達(dá)到99t，水泥漿為132m3，填入石子21m3，這些施工狀況的出現(xiàn)已遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)時(shí)要復(fù)雜的多，大大增加了施工的難度和強(qiáng)度。

(3)注漿量標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)注漿結(jié)束泵量為40～60L/min。當(dāng)孔口壓力達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，同時(shí)注漿量也滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，維持10min后，結(jié)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(hào)孔時(shí)，在孔深45、52.5m時(shí)漏水、漏風(fēng)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(fēng)化深度達(dá)60～82m，施工過程中共發(fā)現(xiàn)了15個(gè)孔在采空區(qū)上漏水、漏風(fēng)，其中在兩個(gè)風(fēng)筒中間的17號(hào)孔深85.98m注入水泥99t，石料21m3，經(jīng)過分析本孔進(jìn)入3號(hào)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(dá)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(fēng)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(shí)間，達(dá)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(fēng)井帷幕注漿工程共施工83d，完成施工注漿鉆孔38個(gè)，鉆探工程米總計(jì)3 226.86m，注入水泥696.5t，石粉127m3，石子39.4m3。

通過兩個(gè)多月的施工，采用分段注漿施工工藝，回風(fēng)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(fēng)立井的涌水量從26m3/h減少到4.6～8.6m3/h，風(fēng)井井壁20～83.0m段涌水量已明顯減少，沒有集中出水點(diǎn)，同時(shí)無論低頻、高頻風(fēng)機(jī)回風(fēng)量已達(dá)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(fēng)機(jī)風(fēng)筒的存在，受地形及設(shè)備、設(shè)施的限制，本次回風(fēng)立井帷幕注漿工程未完成圍繞回風(fēng)立井形成一個(gè)圓的帷幕，因而在堵水方面留有兩個(gè)裂隙缺口。

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

[1] 山西地寶能源有限公司.山西高平科興龍頂山煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告[R].太原：山西地寶能源有限公司，2010.

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 煤礦安全規(guī)程[M].北京：中國法制出版社，2011.

[3]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[4]房佩賢，衛(wèi)巾鼎，廖資生. 專門水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1990.

[5]何亞男. 礦山巖體力學(xué)[M].江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1984.

[6]王宏斌，劉佰. 礦井水害防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[7]虎維岳. 礦井水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[8]黃德發(fā)，王宗敏，楊彬. 地層注漿堵水與加固施工技術(shù)[M].江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[9]王國際. 注漿技術(shù)理論與實(shí)踐[M].江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

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(zhì)勘查及礦井防治水工作。

2017-04-19

A

責(zé)任編輯：樊小舟