董家河煤矿立井穿越含水层技术探讨

摘要：董家河煤矿属于受奥灰水严重威胁并具有突水危险的矿井，水文地质类型属水文地质条件极复杂型矿井，煤系基底奥陶系灰岩，对上部煤层的开采威胁极大，是矿井生产的主要安全隐患。通过对煤矿立井穿越含水层进行技术改造，煤炭开采条件得到了改善，为煤矿节约了资金。

关键词：立井；穿越含水层；打钻；高分子化学堵水剂；煤炭开采 文献标识码：A

中图分类号：TD265 文章编号：1009-2374（2015）29-0149-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.075

1 董家河煤矿水文地质概况

董家河煤矿属于受奥灰水严重威胁并具有突水危险的矿井，水文地质类型属水文地质条件极复杂型矿井，煤系基底奥陶系灰岩含水层富水性强、补给源充沛，对上部煤层的开采威胁极大，是矿井生产的主要安全隐患。20世纪70年代建井初期，正施工的+300水平因奥灰岩岩溶突水报废，1978年在+330m水平井底车场施工时又发生奥灰突水，突水水量达1026m3/h，淹没了施工机械和排水设备，报废巷道5000余m及+330m水平，给矿井建设造成了严重影响，最后不得不将一水平提高到现+355m煤系地层中。

矿区地层基本构造形态为走向北东东、倾向北北西的单斜构造。倾角3°～25°，一般8°左右，最大处近20°。沿走向呈现缓波状起伏，沿倾向具有陡缓相间的变化特点。褶曲与断裂构造均比较发育，并以褶曲构造为主。褶曲大部分为封闭的短轴背向斜，幅度在5～20m之间。断层在矿区内普遍发育，几乎全为正断层；落差大多在4.5m以下，并具有成带密集分布和疏密相间的特点，以近东西向及南北向断层最为发育。除断层外，5号煤层层滑构造比较发育，导致煤厚急剧变化。

矿区内3号煤层零星可采，煤层可采指数33%，煤层厚度0～1.28m，可采范围内厚度一般0.71m左右，煤层结构简单，偶含一层夹矸，3号煤层埋藏深度308～458m，煤层底板标高+255～+298m。

5号煤为矿区内主采煤层，位于太原组的顶部，煤层比较稳定，煤层可采指数97.7%，厚度0～5.07m，一般3.5m左右。煤层结构比较复杂，含夹矸1～3层，一般2层。煤层埋藏深度为182～420m，煤层底板标高+234～+380m。

10号煤层厚0～3.94m，一般厚度1.44m左右。10号煤层埋藏深度为360～489m，煤层底板标高+212～+252m。10号煤层全部处于奥灰静水位标高以下（目前矿区奥灰静水位标高+370m）且与奥灰面之间一般仅有0.42～4m的铝质泥岩相隔，无法克服奥灰水害，目前技术条件暂不能进行开采。

矿井量最大涌水量690～800m3/h，正常涌水量600m3/h左右。区内含水层按含水空间分为孔隙裂隙水、裂隙承压水和岩溶裂隙水三类。煤系地层中的砂岩水、石灰岩水以及下伏奥陶系灰岩水构成了本区主要充水水源，含水层自上而下特征分别为：

第一，掩盖层底部砂砾石孔隙裂隙含水层，水位埋深一般为30～140m，属弱含水层，对采掘影响不大。

第二，石炭二叠系砂岩裂隙含水层及标志层。（1）K5砂岩含水层：位于下石盒子组底部，为灰白色中～粗粒砂岩，厚度6～15m，裂隙发育不均，含裂隙承压水，富水性弱～中等，对矿井生产影响较大；（2）K中砂岩含水层：位于下石盒子组底部，为一灰白色中～细粒砂岩，厚度5～17m，裂隙发育，含裂隙承压水，富水性弱～中等，对矿井生产影响较大；（3）K4砂岩含水层：位于山西组底部，以灰白色中粒砂岩为主，平均厚度5～10m，裂隙发育不均，含裂隙承压水，富水性较弱；（4）太原组石英砂岩（K3）及K2灰岩含水层组：位于太原组中下部，主要由奥灰水通过裂隙向上补给，与奥灰水静水位标高一致。富水性弱至中等，对生产影响较大。

第三，岩溶裂隙水。中奥陶统峰峰组二段为本区煤系地层之基底，岩性以厚层深灰色白云质灰岩及石灰岩为主。岩溶裂隙和溶洞发育，单位涌水量q=0.2～1.51升/S·m，属于富水性强的岩溶裂隙含水层，是矿井主要充水水源。历史最高水位+389.7m（1985年），近年来水位持续下降，目前水位标高+370m左右，1989年澄合矿区放水试验表明，该区域奥灰含水层动水量丰富，补给源充沛，迳流条件好，迳流通道极复杂。

2 井检孔水文资料

根据董家河煤矿北部扩大区初步设计、回风立风井布置在井田深部的程家凹村，位置坐标为：X=3898972.044、Y=38398867.680，井筒直径为6m。立井上部标高+702m、井底井窝落底标高为煤层顶板下3m处。施工过程要穿越5#煤层上部三个主要含水层。

含水层自上而下如下：

第一个含水层为层位为Q+P2sh属基岩风化带，为孔隙裂隙潜水、地层特征为第四系黄土以及上石盒子组顶部56.51m的基岩风化带区段、深度为86.80～119.49m（此段为潜水段，水位在86.80m），涌水量18.09m3/h。

第二个含水层层位为P2sh，属完整基岩段，为基岩裂隙承压水，地层特征为上石盒子顶部56.51m以下至K5砂岩（含K5砂岩）的完整基岩段。深度位于120.11～370.53m之间，涌水量为83.50m3/h。

第三个含水层层位为P1sh～P1s，属于基岩裂隙承压水，地层特征为K5砂岩以下至K3砂岩（含K3砂岩）的完整基岩段。此段包含K中砂岩、K4砂岩，深度位于373.35～453.88m，涌水量51.14m3/h。

3 穿越含水层方案

根据施工工期、投资费用及治理期间不能长时间停产的要求，设计穿越三个含水层方案如下：（1）井筒掘至离含水层2m时停止，在井筒底部施工注浆钻孔，钻孔深度6m、四周向井筒外倾斜5°～10°；（2）注浆钻孔可以用K3型钻机一次施工垂直深度为6～10m钻孔或用28型凿岩机分次套孔施工至6m深；（3）全部钻孔施工至设计深度并洗孔后对每个钻孔逐一高压注入高分子化学堵水剂，以封堵该段井筒四周及下部局部区段水源、形成局部帷幕注浆效果，以解决该段掘进期间突水问题；（4）要求施工期间每个循环治理6m（K3型钻机每个循环可以到10m）、掘进4m，预留2m作为下一个循环的隔水岩柱；（5）施工过程中开始用K3钻机施工深钻孔，因钻孔施工准备时间长囊废、技术要求高，需要专业队伍，并且钻孔施工及注浆时需要停工掘进，该方案在第一个含水层穿越后就再没有使用。

穿越第二个和第三个含水层时采用了施工中正常使用的28型凿岩机分多次换钻杆套孔的办法施工6m深钻孔，可以使施工不间断，并且一直是一个队伍施工，安全管理，施工简单。

4 技术经济比较

根据井筒检查孔资料对穿越含水层曾做过三个方案：其一为冻结法。该方案工期长、费用高，解冻后井壁出现渗水难以治理，预算费用2050万元；其二为打至浆盖常规水泥注浆法。该方案掘进施工需要停工施工止浆盖，工期长、费用高，邻近两个矿井的两个立井过同样的含水层施工费用一个立井花了1039万，另一个立井也超过了1000万，而且时间拖了一年多；其三为新技术方案，该方案一边掘进一边施工，除过打孔时间稍长外（每个孔时间约20～35分钟），其他时间和正常掘进没有区别，董家河煤矿立风井采用该技术成功的穿越三个含水层工用了不到200万元（约175.93万元），是邻近矿井费用的五分之一左右。

参考文献

[1] 国家安全生产监督局，国家煤炭安全监察局.煤矿防治水规定[S].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2] 虎维岳.矿山水害防治理论与方法[S].北京：煤炭工业出版社，2005.

[3] 董家河煤矿地质报告[R].

作者简介：冯景（1966-），男，陕西乾县人，陕西省煤炭安全监察局渭南分局党总支书记，采煤工程师。

（责任编辑：蒋建华）endprint