姬 強，方 剛，王春林，李彥民，梁向陽

(1.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜北侏羅紀煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)分布有大海則、可可蓋、小紀汗、烏蘇海則、巴拉素、西紅墩、袁大灘、紅石橋等多個井田，井田面積均在150～300 km2左右，區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良，且各井田大多數(shù)處于勘探階段，有待大規(guī)模投產(chǎn)[1-2]。礦區(qū)內(nèi)煤層埋深自東向西逐漸增大，總體在300～600 m，根據(jù)現(xiàn)有資料可知，其所處地區(qū)地質(zhì)構造簡單，不存在燒變巖水害、老(采)空區(qū)水害等問題。近年來，隨著煤炭資源的深部開發(fā)，發(fā)現(xiàn)了區(qū)內(nèi)2號煤層存在有高承壓富水體這一嚴重問題[3-5]，此類新型水害的發(fā)現(xiàn)將可能對區(qū)內(nèi)礦井的建設、生產(chǎn)安全帶來一大挑戰(zhàn)。為此，以榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)的巴拉素煤礦為工程背景，針對礦井建設過程中立井井筒掘進階段井筒穿越2號富水煤層時所遇到的水害問題，通過采取相關防治水措施，以確保井筒的安全掘進。

1 工程背景

1.1 礦井概況

巴拉素井田地處榆林市以西直距約40 km，行政區(qū)劃隸屬陜西省榆林市榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)、補浪河鄉(xiāng)、紅石橋鄉(xiāng)等管轄，地處規(guī)劃的榆橫礦區(qū)(北區(qū))中西部。礦井尚處于基建期間，設計生產(chǎn)能力為10.00 Mt/a。井田內(nèi)含主要可采煤層7層，分別為2、3、4-1、4-2、5、7、8號煤層。其中主要可采煤層為2、3號厚煤層，其余煤層均屬局部或者大部可采的薄及中厚煤層。2號煤層厚度1.42～5.74 m，平均煤層厚度3.68 m，以厚煤層為主；3號煤層厚度4.65～7.86 m，平均煤層厚度6.19 m，屬厚煤層；4-1、4-2、5、7、8號煤層平均厚度為0.84～1.59 m，為薄及中厚煤層。

巴拉素井田四周沒有明顯的自然邊界，均為人為劃定邊界，井田內(nèi)自上而下主要含水層為：第四系松散層潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙-裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖類裂隙含水層和侏羅系中統(tǒng)延安組碎屑巖類裂隙含水層等組成，各基巖含水層富水性均呈弱-中等。目前，在礦井建設階段發(fā)現(xiàn)2號煤層局部富水，且富水性不均一[6-7]。根據(jù)以往研究成果，礦井未來采掘2號煤層的主要充水水源為煤層頂板基巖孔隙裂隙水和2號煤層水[8-10]。

1.2 井筒概況

根據(jù)礦井設計，布置有4條立井井筒，分別為主立井、副立井、一號回風立井和二號回風立井，由于建設前期對于2號煤層水害認識不足，對各井筒建設階段所采用的施工工藝有所影響。礦井二號回風立井井筒采用半深凍結(jié)法進行施工，井筒凈直徑6.5 m，凈斷面為33.2 m2，井口設計標高+1 206.9 m，總深度545.45 m，凍結(jié)深度435 m，當井筒掘進至425 m時，經(jīng)施工探查鉆孔，發(fā)現(xiàn)在井筒垂深443～447 m范圍附近存在一層厚4 m、水壓力3.2 MPa，單孔涌水量2～5 m3/h的“七里鎮(zhèn)砂巖”。另外，在井筒垂深478～483 m的2號煤層，煤厚約3.2 m、水壓力3.6 MPa，單孔涌水量198 m3/h，因此，根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，該立井井筒停止掘進。結(jié)合前期論證及施工經(jīng)驗[11-13]，需對以上井筒即將通過的富水區(qū)域進行超前疏放水及注漿治理工作。

2 防治水技術及安全措施

根據(jù)前期探查及以往工作經(jīng)驗，2號煤層頂板的“七里鎮(zhèn)砂巖”較為致密，以孔隙水為主，注漿封堵效果較差，該段水體應以疏放為主；對于2號煤層水而言，其煤層裂隙發(fā)育，采用注漿封堵后，以井筒斷面通過該區(qū)域方法有效可行。由此，提出相應的探、疏放水及鉆孔布置方案，在疏降水體壓力的同時，為注漿工作做好準備。

2.1 施工及布置

本次施工布置有24個探水注漿孔(1～24#)，其中，12個探水注漿孔(13～24#)均勻穿插在1～12#中間，孔深24.5 m左右，鉆孔開口處緊貼外壁成井井壁，距成井井壁0.5 m為宜，開孔眼間距980 mm，終孔超出井筒荒徑3.8 m，超出“七里鎮(zhèn)砂巖”底板2 m，鉆孔角度為79°，終孔間距2 180 mm，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 鉆孔布置示意Fig.1 Layout of borehole

在探水注漿施工前，先施工6個探水孔(兼做注漿孔)，經(jīng)井下現(xiàn)場實測涌水量，若總水量小于20 m3/h時，則探討后續(xù)施工方案；若總水量到達或超過20 m3/h時，則進行工作面注漿封堵，在注漿后形成半徑不小于8.35 m的注漿帷幕。而后將預留的12個注漿孔(1～12#)掃孔至“七里鎮(zhèn)砂巖”底板2 m，注漿繼續(xù)進行封堵，最后施工剩余6個探水注漿孔14#、16#、18#、20#、22#、24#，以上孔兼做驗證孔。鉆機開孔選用ZDY1900型液壓鉆機配φ75 mm、φ90 mm、φ130 mm合金鉆頭，開孔至15 m時退出鉆機，埋設φ108 mm×6 mm止水套管，砂漿加固，雙液漿封堵；鉆進采用ZDY1900型液壓鉆機配φ50 mm鉆桿及φ75 mm三芯鉆頭，鉆進至設計位置。在井口西北側(cè)安裝2臺注漿泵，工作面布置1臺孔口混合器，完成工作面注漿封堵施工。

2.2 施工順序及工藝

2.2.1 施工順序

由測量人員定位鉆孔；施工編號為13#、15#、17#、19#、21#、23#共6個探疏放水孔；開孔鉆進至孔口管設計深度，預埋孔口管封堵加固；鉆進至設計層位；觀測涌水量，注漿封堵；同樣的方法施工1～12#探水注漿孔；施工剩余6個探水注漿孔；單孔涌水量超過0.5 m3/h時，重新掃孔注漿。

2.2.2 注漿前施工工藝

鉆機安裝定位：本次探水孔施工鉆機安裝在止?jié){墊施工平臺上，平臺高于止?jié){墊2 m，施工平臺采用φ108 mm無縫鋼管與16#槽鋼焊接而成，槽鋼上鋪δ=8 mm花紋鋼板，調(diào)整好鉆機架使用螺栓與施工平臺連接固定，鉆機與鉆機架之間使用專用的U型卡進行卡牢固定，固定前，由技術人員根據(jù)鉆孔布置圖要求放線，鉆機安裝完畢后，檢查鉆機位置、角度、標高是否合乎設計要求。鉆機和注漿機啟動時必須使用防爆開關進行控制并按照負荷進行整定，防止在使用過程中防爆開關動作不靈敏損壞設備；在接線時嚴格按照公司防爆設備安裝標準施工，禁止失爆現(xiàn)象發(fā)生。注漿機和鉆機在工作時必須做好防淋水措施，防止淋水損壞電氣設備。

埋設止水套管(15 m)：根據(jù)井下探放水鉆孔實際揭露情況分析，含水層富水區(qū)的觀測孔水壓力為2.4 MPa，結(jié)合規(guī)范要求，得出套管長度為15 m，經(jīng)前期探疏放水及注漿期間現(xiàn)場驗證，15 m止水套管能夠滿足施工需求。本次探水施工中止水套管埋設分3次套孔，首先使用ZDY1900型液壓鉆機配φ75 mm合金鉆頭定位鉆進至累深15 m后，退出鉆桿更換φ90 mm合金鉆頭進行二次套孔，最后使用φ130 mm合金鉆頭3次套孔埋設止水套管，止水套管選用一根φ108 mm×6 mm無縫鋼管加工而成，每根長1.5 m，車絲連接。

固孔口管：由專職機修截取一個高0.3 m半截桶，將截好的半截桶套在止水套管上，防止周圍涌水進入孔內(nèi)，套管埋設前應用風吹凈孔內(nèi)巖粉、積水，緊接著下入套管(如果環(huán)形空間過大則在最后一節(jié)管體外纏繞紗布或麻絲)，套管上端外露200～400 mm，在套管內(nèi)注入砂漿，凝固1 d后進行耐壓試驗，終壓不小于靜水壓的2.5倍且穩(wěn)定在30 min以上方為合格，試驗合格后進行探水施工，否則注雙液漿進行封堵，直至試驗合格。雙液漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，其中，水泥采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度30～40 Be′，實際施工中可根據(jù)涌水點水量大小及封堵難易程度適當調(diào)整。

探水施工：采用ZDY1900型液壓鉆機配50 mm鉆桿及φ75 mm三芯鉆頭進行探水孔鉆孔施工，鉆進前孔口管加裝4寸高壓閥門，以防鉆孔突水造成水淹事故，工作面布置24個探水孔，先施工6個(編號為13#、15#、17#、19#、21#、23#)探水孔，鉆探完成后打開所有閥門，采用容積法觀測工作面總水量，水量達到或超過20 m3/h時，進行工作面注漿封堵。后施工12個探水注漿孔(1～12#)，最后施工剩余6個驗證孔(編號為14#、16#、18#、20#、22#、24#)，本次探水施工超前探測24.5 m，鉆孔垂深24 m，鉆孔角度79°，終孔位置超出“七里鎮(zhèn)砂巖”底板2 m，超出最大掘進荒徑3.8 m，每天觀測涌水量變化，做好原始記錄。打鉆期間，在工作面附近無淋水部位裝設一部專用電話，鉆進過程中，若因巖石破碎塌孔打不下去時，應停鉆注漿待凝固后繼續(xù)掃孔鉆進，否則一直鉆進直至設計深度。在打鉆過程中，應注意觀察是否有頂鉆、卡鉆、噴孔等異常涌出情況，詳細記錄并進行及時匯報處理。結(jié)束時要核實鉆孔長度，確保鉆孔深度符合設計要求。

2.2.3 注漿施工

注漿前準備工作：在井口西北側(cè)分別安裝2臺GZB-40A高壓注漿泵，井筒內(nèi)布置一路外徑60 mm注漿軟管，一路1.2寸供水管兼做注漿管使用，工作面另設1臺混合器，與混合器連接的兩路注漿管應安裝單向閥，防止壓力不穩(wěn)定導致化學漿串漿，堵塞管路，注漿管、注漿泵和孔口管之間用φ50 mm×6 mm高壓膠管連接，輸漿管路自身能夠承受的壓力應大于設計最高終壓的1.2倍。因化學漿性能限制，注漿溫度低于0 ℃時，化學漿提前凝膠無法呈現(xiàn)液態(tài)，滿足不了注漿需求，為此應在注漿泵附近搭設保溫棚，內(nèi)設不少于2臺加熱器，保證出漿溫度不小于10 ℃；同時自保溫棚至井口段注漿管應包裹保溫材料，保證漿液溫度。

注漿設備試運轉(zhuǎn)：注漿設備及管路安裝完畢后，必須進行試運轉(zhuǎn)，注漿系統(tǒng)要滿足最大注漿壓力和流量的要求，經(jīng)試運轉(zhuǎn)或耐壓試驗，設備應無異常響聲，具體作業(yè)程序為全面檢查注漿、攪拌系統(tǒng)及管路連接處等；注漿系統(tǒng)進行無負荷試運轉(zhuǎn)；全系統(tǒng)聯(lián)合試運轉(zhuǎn)；處理存在問題，并再次進行試運轉(zhuǎn)，直至符合要求。

注漿作業(yè)：本次注漿封堵施工選用化學漿，化學漿由A、B液組成，均為液態(tài)，分別由專用容器盛放，在地面設專用場地儲存。注漿泵附近設置2個注漿容器，每個注漿容器為1 m3，按照A、B液混合配比要求，調(diào)整2臺高壓注漿泵吸漿量，漿液由地面注漿泵經(jīng)井筒內(nèi)敷設的兩路注漿管分別輸送至孔口混合器混合向工作面注漿封堵?？卓诨旌掀鞑荚O在工作面與止水套管上與大閥門直接相連，混合器分別與兩趟管路的連接處必須安設單向閥，承受壓力不得低于32 MPa，設備、管路各連接處必須安設保險繩，防止管路脫落傷人。注漿終壓不小于靜水壓2.5倍，本次注漿終壓取12 MPa，待所有注漿孔全部注漿封堵完成后，重新掃孔觀測涌水量，單孔涌水量不大于0.5 m3/h，總水量不大于20 m3/h，則本次注漿結(jié)束，否則繼續(xù)注漿封堵。每次注漿前必須對2臺注漿泵的流量進行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場需要的漿液凝固時間，將2臺泵的輸出流量調(diào)整到2∶1～3∶1之間；然后開始進行注漿，注漿過程中要隨時觀察注漿壓力不得超過注漿終壓；定時測量2臺泵的漿液輸出比例，當比例出現(xiàn)偏差時可通過調(diào)整吸漿管控制閥門的大小來進行調(diào)整，確保注漿比例在要求范圍內(nèi)。

2.3 安全技術措施

2.3.1 鉆探工程

開展鉆探作業(yè)時，要做到：①每班水泵工及電工配合好，按照操作規(guī)程操作潛水泵及臥泵，以保障排水系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)及時排出工作面涌水，嚴格執(zhí)行井下交接班，每班填寫水泵運行情況。②當班隊長及技術員按照鉆孔設計位置及角度調(diào)整安裝鉆機。③開鉆前要認真檢查鉆機安裝的牢固性、平穩(wěn)性,各部件連接是否正常，操作手柄是否靈活，并進行鉆機的試運轉(zhuǎn)，確認無誤后可進行鉆進。④利用模板繩挪移鉆機時，要由當班隊長或班長專人指揮，操作人員必須聽從指揮人員口令，精準作業(yè)。⑤檢查壓風、液壓系統(tǒng)各管路接頭是否擰緊，高壓管路要留保險繩。⑥鉆具要擰緊，各工具及其它物品嚴防掉進孔內(nèi)，下放和提拔鉆具時，要有人指揮，確保安全。⑦打鉆時，派專人時刻觀察鉆機的穩(wěn)定情況，防止鉆機傾覆傷人，人員遠離孔口方向。⑧鉆進過程中出水，應及時停鉆通知技術人員下井測量涌水量、水壓、水溫等參數(shù)，并做好記錄。⑨探水注漿鉆孔開孔及掃孔時工作面必須放置一個吊桶，吊盤安全軟梯應下放至工作面，發(fā)現(xiàn)緊急情況立即撤人。⑩打鉆過程中，應隨時觀察工作面水位，操作人員不得正對鉆孔；若水量增加較快或出現(xiàn)頂鉆、水壓大、噴孔等異?，F(xiàn)象，應立即拔出鉆桿，關閉閥門；測量水壓、水量，并通知地面注漿。

2.3.2 注漿工程

注漿應注意：①本次注漿屬高壓注漿，閥門及各管路要固定牢固，各接頭要擰緊，并預留保險繩防止脫落傷人，人員遠離孔口管方向。②注漿開始前井下工作人員應及時進行躲避，防止高壓注漿跑漿傷人。③注漿過程中，要設專人觀察注漿壓力和吸漿量的變化情況，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象及時采取措施處理。施工人員要佩戴安全防護手套、眼鏡；注漿機應有專職機修維護、司泵工操作，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。④注化學漿時，A、B這2個吸漿管不得混合使用，嚴防堵塞。⑤如果出現(xiàn)設備有異響，壓力極不穩(wěn)定，應立即停機檢查處理，如突發(fā)事件危及安全時，應立即停機撤人。⑥注漿期間通風風量符合設計要求，注化學漿期間不得隨意關閉風機。⑦工作平臺應留設吊桶通過孔，并有足夠的安全距離;應設專職信號把鉤工，防止吊桶或鉤頭上下時碰人。

2.3.3 其他注意事項

嚴禁“三違”作業(yè)，認真做好防墜工作：①施工前本措施必須傳達至每一個施工人員，做到人人心中有數(shù)。②井下工作人員必須按井下工種佩戴勞動保護用品和礦燈，其它按井下有關規(guī)定執(zhí)行。③井筒內(nèi)施工過程中，所有工具、材料必須留保險繩，防止掉落，所有人員必須熟知發(fā)生突出水害的避災路線，并能在班隊長指揮下有序撤離。④下放材料、設備前，應事先通知絞車房和井下信號工，做好接送準備。⑤注漿期間，班子成員嚴格執(zhí)行領導值班、帶班制度，領導24 h均有人值班。⑥井下電器、開關應做好防水措施，采用風筒布遮蓋。⑦提升、下放設備和構件時必須由機電經(jīng)理及機電隊長在井口現(xiàn)場指揮，上、下大件時井下必須有隊長以上人員跟班，地運班長必須在井口負責，必須由指定專業(yè)人員完成，明確各個工序的負責人，并做好簽字記錄工作。⑧施工過程中，工作面必須有充足的照明，照明不良、不足的情況下嚴禁施工。

2.3.4 避災路線

路線一：工作面—吊桶—井口。即當工作面出現(xiàn)應急事故時，工作人員可在班隊長的指揮下通過信號聯(lián)系，按序經(jīng)吊桶直接升井至井口安全地點。

路線二：工作面—軟梯—吊盤—吊桶—井口。即當工作面出現(xiàn)應急事故時，工作人員可在班隊長的指揮下有序從軟梯升至吊盤，然后通過信號聯(lián)系，經(jīng)吊桶升井至井口安全地點。

路線三：工作面—軟梯—吊盤—安全梯—井口。即當工作面出現(xiàn)應急事故時，吊桶無法下放，工作人員可在班隊長的指揮下有序從軟梯升至吊盤安全梯，然后通過信號聯(lián)系，經(jīng)安全梯升井至井口安全地點。施工排水系統(tǒng)及避災路線圖如圖2所示。

圖2 施工排水系統(tǒng)及避災路線Fig.2 Drainage system and escape route

3 結(jié)語

巴拉素煤礦二號回風立井井筒防治水工程，在采用鉆探、注漿手段對2號富水煤層頂板砂巖及2號煤層本身進行水體疏放和注漿治理后，最終保障了該井筒的安全落底貫通。經(jīng)注漿堵水施工，井筒在通過2號富水煤層時，整體水量小于5 m3/h，達到了預期帷幕的效果。對于“七里鎮(zhèn)砂巖”而言，注漿效果有限，對井筒施工并無較大影響，但在后期礦井采掘過程中，需提前進行探查、疏放。通過本次立井井筒過富水煤層段防治水安全技術研究及工程實踐，確定了采用方法、措施的可行性和有效性，確保了礦井的安全生產(chǎn)，也為礦井后期防治水工作提供借鑒。