宝兴源主斜井井筒水文地质特征分析与防治水技术措施

王得瑜

(神木县宝兴源矿业有限公司，陕西 神木 719314)

长期以来，我国的煤炭储量和需求量在国际上一直处于领先地位，国民经济的发展和工业化的进步都离不开能源的支撑，而我国煤炭一直占据着能源结构的半壁江山，因此煤矿的安全高效开采直接关系到国民经济的快速发展。我国矿井水文地质条件复杂多变，是世界上矿井水害最严重的国家之一，据不完全统计，受水害威胁的矿井超过8 000座，水害威胁制约着我国煤矿安全生产[1-5]。宝兴源矿业采用斜井开拓方式，布置三条井筒，分别为主斜井、副斜井、回风斜井，文章以主斜井水文地质条件为工程背景，通过分析主斜井水文地质条件，预计主斜井井筒涌水量，从而提出主斜井井筒防治水措施，为类似条件井筒防治水提供参考。

1 主斜井水文地质条件分析

宝兴源矿业主斜井井筒周边地表被第四系全新统风积沙覆盖，无基岩出露，多为草滩，其上生长有沙蒿、沙柳等植物。根据地下水的赋存条件及水力特征，将主斜井场地地下水划分为松散层孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙承压水，具体详述如下。

1.1 第四系松散岩类孔隙裂隙潜水

1) 新生界松散层(Q4al)孔隙潜水含水层。该含水层沿考考乌素沟呈条带状分布，多形成河漫滩及堆积阶地，一般宽10 m左右，最宽处可达100～250 m，冲积层厚0～6.05 m，一般3 m，水位埋深2 m左右，岩性为中细砂及砾石层，含水层单位涌水量0.054 6～0.244 L/s·m，涌水量0.186～0.273 L/s，渗透系数1.337～5.49 m/d。

2) 第四系上更新统萨拉乌素组(Q3S)潜水含水层。含水层上部为浅黄色中、细沙及粉沙，属流动沙，下部为半固定沙，棕褐色，中粒结构，次圆状，分选差，风积沙和萨拉乌苏组累计厚度各地不一，变化较大，区内由3.60～23.75 m，平均厚度11 m左右，总体变化趋势呈西部薄，东部厚，其下部为新近系保德组红土，为褐红色致密粘土或亚粘土，红土顶界面呈西高东低状，沙层接受降水后，自西向东沿低洼之小沟分流向各自泉域，该含水层单位涌水量0.018 8～0.056 6 L/s·m，涌水量0.303～0.325 L/s，渗透系数0.013 4～3.592 1 m/d。

3) 新近系保德组红土(N2b)隔水层。保德组红土仅出露于考考乌素沟以北敖包塔一带，呈片状分布，由于受剥蚀，该组地层厚度变化较大，据钻孔揭露，厚度0～68.50 m，平均约32 m，总体变化趋势是西部及南部较厚，东北部较薄，局部地段厚度为零，岩性为深红色、棕红色粘土、亚粘土，风化后呈片状剥落，夹钙质结核层，结构致密，半坚硬状，含水性差，塑性大，是松散含水层下部良好隔水层。

1.2 中生界碎屑岩裂隙承压含水层

1) 侏罗系中统安定组裂隙承压含水层(J2a)全区均有分布，厚度变化较大，厚度9.27～93.01 m，平均厚度46.81 m，变化趋势是西部厚，东部薄，岩性上部及中部为紫杂色泥质砂岩、粉砂岩，下部为浅灰色中细粒厚层状长石石英砂岩，是安定组的主要含水岩段，但富水性差，具承压性，含水层单位涌水量0.009 42～0.013 71 L/s·m，渗透系数0.009 39～0.015 16 m/d。

2) 侏罗系中统直罗组裂隙承压含水层(J2Z)全区均有分布，厚度35.21～46.35 m，平均厚度37.46 m，岩层上部以灰绿色、浅灰色块状泥岩、粉砂岩为主，夹细粒砂岩，下部为灰白色中、粗粒长石石英砂岩，夹绿色泥岩、粉砂岩，裂隙不发育，富水性弱，含水层单位涌水量0.009 42～0.013 71 L/s·m，渗透系数0.009 39～0.015 16 m/d。

3) 侏罗系中统延安组裂隙承压含水层(J2y)延安组为本区含煤地层，本组地层厚183.17～218.49 m，平均厚度193.84 m，含水层岩性主要为各主要可采煤层顶板之中、细粒砂岩，局部粗粒砂岩，泥质或钙质胶结，结构致密，裂隙主要为水平或波状层理面及稀少的岩体节理。各含煤岩段单位涌水量0.001 80～0.003 34 L/s·m，渗透系数0.000 299～0.001 47 m/d，Q3S沙层水单位涌水量0.018 8 L/s·m，渗透系数0.013 4 m/d，按含水层富水性分级，均为富水性弱含水层。

综上所述，主斜井井筒的主要充水水源为新生界松散岩类孔隙裂隙潜水，充水方式以围岩孔隙涌水和裂隙渗水为主，故井筒掘进时应先探水，做好提前预防。

2 主斜井井筒涌水量预计

主斜井井筒主要充水水源为新生界松散层孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙承压水，井筒涌水量分不同含水层段进行分段计算，采用公式(1)计算。

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

(1)

式中：Q表示涌水量，m3/d；B表示进水断面长度，m；H表示含水层厚度，m；K表示渗透系数，m/d；S表示水位降低，m；R表示影响半径，m，由公式R=2S(HK)1/2计算得到。

经计算，主斜井井筒涌水量为875 m3/d，各参数取值和主斜井井筒涌水量计算结果见表1。

表1 主斜井井筒涌水量计算结果

3 主斜井井筒防治水

根据宝兴源矿业主斜井井筒涌水量预计结果，主斜井井筒涌水量为875 m3/d，其中，新生界松散层孔隙潜水含水层段涌水量749 m3/d，占比85.6%，在该含水层段设计采用地面帷幕注浆的技术措施用于主斜井井筒防治水，保证井筒安全顺利掘进，地面帷幕注浆是在地面上进行注浆作业，施工条件良好，具有操作便捷、施工安全性较好、不影响井筒作业等优点，可应用于矿井下松散层含水层涌水的治理[6]。

3.1 注浆参数设计

1) 注浆孔布置。沿主斜井井筒布置5排注浆孔，分别沿拱顶中轴线布置1排注浆孔，中轴线两侧分别布置内排孔和外排孔，注浆孔排距分别为3.5 m和2.0 m，注浆孔间距均为1.5 m，注浆孔布置平面图，见图1。

图1 注浆孔布置平面(mm)

2) 注浆孔安装。注浆孔开孔直径设计130 mm，开孔长度设计5.0 m，终孔直径设计90 mm，止于主斜井底板下2.0 m处，因埋深不一，注浆孔长度不一。开孔口管采用直径114 mm，壁厚6 mm，长度6.0 m的无缝钢管，注浆管直径25 mm，开有直径5～10 mm的出浆孔，注浆孔安装，见图2。

图2 注浆孔安装示意(mm)

3) 其他注浆参数。注浆加固范围开挖轮廓线外6.0 m，注浆速度12～120 L/min，注浆初压1.0～3.0 MPa，注浆终压5.0～7.0 MPa，注浆材料采用普通硅酸盐水泥浆，配合防水剂、速凝剂等添加剂，实时调整浆液性能。

3.2 注浆效果分析

宝兴源矿业主斜井井筒施工揭露新生界松散层孔隙潜水含水层段采用地面帷幕注浆的技术措施用于井筒防治水，主斜井井筒施工中现场注浆终压控制5.0～7.0 MPa，注浆时间控制在终压20～30 min，共注入水泥1 632 t，经预计主斜井施工通过松散层孔隙潜水含水层段的涌水量为749 m3/d，进行地面帷幕注浆后，现场实测统计了主斜井施工通过注浆区域的实际涌水量，涌水量为78～96 m3/d，较注浆前涌水量降低了85%以上，实现了新生界松散层孔隙潜水含水层涌水的有效防治。

4 结 语

涌水量影响井筒施工显著，分析了宝兴源主斜井井筒水文地质特征条件，新生界松散岩类孔隙裂隙潜水为主斜井井筒主要充水水源，主斜井井筒涌水量预计875 m3/d，其中，新生界松散层孔隙潜水含水层段涌水量预计749 m3/d，占比85.6%.基于此，提出采用地面帷幕注浆技术进行井筒防治水，设计了注浆孔布置方式、注浆孔安装结构以及其他注浆参数，现场应用后，注浆区域涌水量较注浆前降低了85%以上，保证井筒安全顺利掘进。