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        彬長(zhǎng)礦區(qū)洛河組地下水防治和開發(fā)新思路

        2014-11-16 06:25:16邢延團(tuán)
        關(guān)鍵詞:洛河侏羅系含水層

        邢延團(tuán)

        (陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西 咸陽(yáng) 713602)

        1 引言

        彬長(zhǎng)礦區(qū)屬于黃隴侏羅紀(jì)煤田,煤層厚度大,平均在10m以上,賦存深度較大,約為450~800m,大部分礦井采用綜放開采的方法。區(qū)域地下水系統(tǒng)屬于鄂爾多斯屬鄂爾多斯中生代承壓水范疇,在周邊山區(qū)接收補(bǔ)給,向南部徑流,彬長(zhǎng)礦區(qū)正位于區(qū)域地下水系統(tǒng)的徑流帶和排泄區(qū)內(nèi)。

        彬長(zhǎng)礦區(qū)內(nèi)區(qū)域性巨厚含水層為白堊系洛河組砂巖含水層,由于地處區(qū)域徑流帶,使含水層富水性較強(qiáng)且補(bǔ)給充足,成為礦區(qū)主要的水害因素,通過(guò)采動(dòng)裂隙直接導(dǎo)入井下。

        由于彬長(zhǎng)礦區(qū)特殊的巖層組合特征和礦井寬工作面綜放開采采煤工藝,部分礦井采取的限高開采防治洛河組水效果不理想;

        又由于煤層與含水層間距多大于100m,井下施工洛河組鉆孔距離較遠(yuǎn),且存在礫巖、泥巖等多種軟硬交替地層,施工技術(shù)難度較高,尚無(wú)成功先例,預(yù)疏放技術(shù)也不適用。

        彬長(zhǎng)礦區(qū)由于位處半干旱氣候地帶,降雨量少,大部分隨之成為了地表徑流,蒸發(fā)量大,上覆松散含水層厚度薄、富水性較弱。因此,大部分礦區(qū)存在井下供水難、生活用水不足的嚴(yán)重問(wèn)題,主要通過(guò)地表鉆孔抽水來(lái)提供各種用水。

        亭南煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中部,靠近涇河河谷,一方面存在井上、下用水難的問(wèn)題,另一方面煤層回采受洛河組砂巖含水層水害威脅嚴(yán)重。洛河組地下水水資源化開發(fā)解決用水難的問(wèn)題,是礦井目前的重要研究方向之一。

        2 工程概況及地質(zhì)條件

        亭南煤礦位于陜西省咸陽(yáng)市亭口鎮(zhèn)亭南村,井田屬黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)。礦井于2006年10月投產(chǎn),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0Mt/a。礦井主采煤層為4號(hào)煤。目前已回采一盤區(qū)的101、103、106、107、109、111、113工作面、二盤區(qū)的204工作面、三盤區(qū)的303工作面,正在回采二盤區(qū)的205工作面和三盤區(qū)的304工作面。

        2.1 地質(zhì)概況

        亭南井田內(nèi)地層由老到新依次為:三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h),侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f),侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a),白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h),上第三系(N),第四系下更新統(tǒng)(Q1)、中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)。地層特征見(jiàn)表1。

        4號(hào)煤為全區(qū)唯一可采煤層,賦存于侏羅系延安組地層中,厚度1.00~23.24m,平均厚度11.05m。從全井田范圍來(lái)看,4煤層厚度變化規(guī)律明顯,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單,煤類單一,全區(qū)大部分可采。

        2.2 地下水水害概況

        亭南井田內(nèi)主要發(fā)育的含水層有松散潛水含水層、白堊系洛河宜君組含水層、侏羅系直羅組、延安組含水層。松散潛水含水層距離煤層較遠(yuǎn),期間有數(shù)層泥巖隔水層存在,不會(huì)威脅礦井安全生產(chǎn)。

        侏羅系直羅組、延安組含水層是4煤開采直接充水含水層,富水性弱,厚度較小,水量相對(duì)有限,可通過(guò)井巷和工作面進(jìn)行疏放,對(duì)礦井生產(chǎn)影響較小。

        而白堊系洛河宜君組含水層為巨厚含水層;井田內(nèi)厚度220.00~337.90m,平均304.91m;單位涌水量為0.1619~0.3958l/s·m,富水性中等;與煤層間距較小,為63.18~158.77m,平均117.74m。亭南礦204工作面最新實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為135.23m,導(dǎo)采比達(dá)22.7。井田大部分洛河組含水層將被采動(dòng)裂隙擾動(dòng),使其成為礦井的直接充水水源,威脅礦井安全。

        表1 亭南井田地層特征統(tǒng)計(jì)表

        據(jù)礦井涌水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),洛河組含水層水已成為礦井涌水的主要組成部分。對(duì)洛河組含水層水害的治理,成為制約礦井安全回采的重要因素之一。

        2.3 用水問(wèn)題現(xiàn)狀

        自2006年投產(chǎn)以來(lái),亭南煤礦一直存在井下用水難問(wèn)題。生產(chǎn)過(guò)程中主要采用老空水進(jìn)行井下防塵和設(shè)備循環(huán)冷卻等。由于老空水水質(zhì)較差,礦化度達(dá)到10g以上,Cl-含量較高,達(dá)20%左右,對(duì)設(shè)備、管路的腐蝕嚴(yán)重,不但造成井下設(shè)備成本投入較大,而且也嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。

        3 鉆孔施工設(shè)計(jì)

        3.1 設(shè)計(jì)思路

        為了高效低成本解決井下用水難問(wèn)題,同時(shí)兼顧礦井防治水工作,擬從井下向上施工長(zhǎng)距離鉆孔,取洛河組砂巖潔凈水供井下防塵和冷卻使用。

        由于井下施工鉆孔存在距離遠(yuǎn)、大仰角鉆進(jìn)、護(hù)壁難和砂巖水不易疏放等特點(diǎn),目前彬長(zhǎng)礦區(qū)尚未進(jìn)行此類嘗試。亭南礦在施工工藝、鉆孔布置、鉆機(jī)選擇及護(hù)孔方法等方面進(jìn)行改進(jìn)和修訂,成功鉆進(jìn)了兩孔鉆孔,取洛河水供井下生產(chǎn)用。

        3.2 工程施工改良

        (1)鉆孔位置分布

        鉆孔布置在三盤區(qū)膠帶集中巷煤倉(cāng)處,主要基于以下考慮:一是該位置位于井田向斜軸部,含水層富水性較好。二是該位置高于煤層頂板約19m,距離洛河組含水層間距相續(xù)較短,約為161m,容易成孔;三是該位置不受工作面回采和巷道掘進(jìn)影響,可長(zhǎng)期保留。

        (2)鉆機(jī)選擇

        選用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY4000S鉆機(jī),配3NB260/6-15泥漿泵。該鉆機(jī)扭矩4000N·m,施工能力350m,主軸傾角-5°~60°。選用Φ63.5mm鉆桿,Φ75mm、Φ89mm、Φ127mm、Φ159mm等PDC復(fù)合鉆頭。

        (3)鉆孔結(jié)構(gòu)及施工工序

        鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

        圖1 供水鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

        鉆孔仰角越大,施工距離越短。根據(jù)鉆機(jī)性能,設(shè)計(jì)仰角55°向上施工,終孔至洛河組內(nèi)。55°大仰角向上施工井下鉆孔,這在彬長(zhǎng)礦區(qū)尚屬首次。

        鉆孔設(shè)計(jì)三級(jí)孔徑,下兩趟套管,鉆孔施工工序如下:

        一開:用Φ89mm鉆頭無(wú)芯鉆進(jìn)至32.6m,Φ159mm鉆頭擴(kuò)孔至20.5m,下入Φ146×6mm套管20m,水泥固井。

        二開:用Φ75mmPDC鉆頭掃孔至21m,進(jìn)行壓水試驗(yàn)(耐壓7MPa,持續(xù)30min)。合格后用Φ75mmPDC鉆頭鉆至171.5m,Φ127mm鉆頭擴(kuò)孔至170.5m,下入Φ108×6mm無(wú)縫鋼管至170m;水泥固井。

        三開:用Φ89mmPDC鉆頭掃孔至170.5m,進(jìn)行壓水試驗(yàn)(耐壓7MPa,持續(xù)30min)。合格后用Φ89mmPDC鉆頭鉆進(jìn)至終孔。終孔后,孔口安裝高壓防水閘閥。

        經(jīng)亭南井下鉆孔施工驗(yàn)證,先小孔徑鉆進(jìn),再大孔徑擴(kuò)孔,鉆進(jìn)效率較高,容易成孔。

        (4)護(hù)孔方法

        由于鉆進(jìn)目的層為洛河組,需要對(duì)侏羅系地層進(jìn)行下管封閉。設(shè)計(jì)對(duì)侏羅系孔地段全段下管封閉,并水泥固井。

        共下兩級(jí)套管,首采是孔口20m段的護(hù)壁管,采用Φ146×6mm的無(wú)縫鋼管;

        其次是侏羅系地層段的套管,采用Φ108×6mm無(wú)縫鋼管,下入深度約170m。下管后均需水泥固井,并進(jìn)行壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)要求水壓7MPa,持續(xù)30min以上。井下鉆孔下入170m無(wú)縫鋼管隔離侏羅系含水層,這在彬長(zhǎng)礦區(qū)也屬首次。

        4 效果分析和預(yù)測(cè)

        4.1 施工結(jié)果

        1#孔于2013年9月17日至2013年10月6日施工完成,孔深377.50m,進(jìn)入洛河組200m(垂距約170m)。2#孔 于 2013年 8月 30日至2013年9月16日施工完成,孔深348m,進(jìn)入洛河組約178m(垂距約145m)。

        (1)水量分析結(jié)果

        1#和2#鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中均出現(xiàn)涌水,鉆孔涌水情況見(jiàn)表2。

        從表2可以看出,1#和2#鉆孔涌水量均隨著鉆孔深度——即進(jìn)入洛河組距離的增加而增大。1#和2#鉆孔終孔時(shí)的涌水量分別達(dá)到90m3/h和80 m3/h,基本滿足井下生產(chǎn)用水的水量要求。

        (2)水質(zhì)分析結(jié)果

        取1#供水井水樣進(jìn)行水質(zhì)全分析測(cè)試,并與107工作面和204工作面涌水水質(zhì)進(jìn)行了比較,見(jiàn)表3。

        由表可以看出,1#供水井涌水的礦化度為3032.84~4628.00mg/L,而107和204工作面采空區(qū)積水的礦化度分別為9289 mg/L和8690 mg/L。1#供水井水的礦化度明顯小于107、204工作面采空區(qū)積水。水質(zhì)中的CL-1對(duì)設(shè)備腐蝕性較強(qiáng),對(duì)混凝土有腐蝕性。1#鉆孔作為井下生產(chǎn)用水時(shí),CL-1和對(duì)含量顯著小于采空區(qū)積水,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、管路等的腐蝕損壞作用較弱,是理想的井下生產(chǎn)用水水源。

        4.2 效益預(yù)測(cè)

        表2 1#和2#鉆孔鉆進(jìn)中涌水情況統(tǒng)計(jì)

        表3 井下1#供水井及采空區(qū)水樣水質(zhì)全分析測(cè)試主要成果(單位:mg/L)

        續(xù)表3

        (1)供水效益

        井下供水鉆孔基本滿足井下生產(chǎn)用水,不再需要專門從地面供水至井下,節(jié)省了地面抽水、水泵和管路維護(hù)等費(fèi)用。每年節(jié)省成本近百萬(wàn)元。洛河組水位較高,井下鉆孔為自流水,井下使用時(shí)不需要水泵加壓,使用便捷,維護(hù)方便。

        (2)疏降效益

        井下鉆孔取洛河水,同時(shí)也對(duì)洛河組地下水進(jìn)行預(yù)疏放,減小了回采過(guò)程中洛河組含水層突水威脅,利于煤層安全回采。

        結(jié)語(yǔ)

        亭南礦井下施工洛河組鉆孔的成功,不僅解決了井下生產(chǎn)用水難的問(wèn)題,而且對(duì)洛河組含水層水進(jìn)行了預(yù)收放,實(shí)現(xiàn)了洛河組含水層水的資源化開發(fā)利用,為彬長(zhǎng)礦區(qū)洛河組含水層水害防治提供了新的思路,也為其它條件相似礦井洛河組地下水的開發(fā)和治理提供了借鑒。

        [1]徐中華,李云峰,侯興才.鄂爾多斯盆地洛河組地下水地球化學(xué)模擬——以陜西省長(zhǎng)武-彬縣地區(qū)為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(10).

        [2]羅奇斌,康衛(wèi)東,謝延玲,趙寶峰.靖邊地區(qū)白堊系洛河組地下水水文地球化學(xué)模擬[J].地下水,2008,30(6).

        [3]黃大興,王永功.近位疏放在Ⅱ624工作面安全回采中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005,33(7).

        [4]田沖,湯達(dá)禎等.彬長(zhǎng)礦區(qū)水文地質(zhì)特征及其對(duì)煤層氣的控制作用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2012,40(1).

        [5]杜東見(jiàn),馬獻(xiàn).超河南千秋煤礦水害特征與防治技術(shù)[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2012,24(10).

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