煤矿矿井防治水防治措施
第一章 工程概况
1.1 简述
近年来，随着立井井筒施工机械化配套设施的逐渐完善，立井井筒施工速度得到较大提升。由于煤田开采逐步向地层深部延深，地层赋水情况越来越复杂，加上深井排水设施限制，严重制约立井井筒施工速度。井筒防治水工作不外乎强排疏干和注浆堵水两种方案。强排疏干由于受到井筒断面限制，高扬程大功率的排水设备无法使用，造成强排疏干法施工井筒困难很多。根据我处以往施工经验，探水预注浆是立井井筒防治水不可或缺的施工工作。
我们根据郭家河矿井风井井筒设计特征及地层水赋存情况，结合我处以往施工经验，特编制防治水施工方案，以指导和方便井筒掘砌施工。
1.2 井筒技术特征
风井井筒技术特征见下表1-1。
风井井筒技术特征 表1-1
第二章 井筒水文地质条件
2.1井筒工程地质
2.1.1区域地层
矿区地层区划属华北地层区厄尔多斯盆地分区。根据地质填图及钻孔揭露，矿区地层由老到新有：三叠系、侏罗系、白垩系、第三系。
2.1.2井田地层
依据钻孔揭露及地质资料，井田内地层由老到新依次:三叠系上统铜川组（T2t），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K1l）、上第三系（N）。由老到新分述如下：
2.1.2.1 三叠系中统铜川组（T2t）
下部灰绿~黄绿色块状~厚层状中、细粒长石石英砂岩，夹灰绿色~灰色泥岩。上部灰绿色中厚层状中、细粒长石石英砂岩与灰~灰绿色粉砂岩、泥岩互层，向上渐以泥岩为主，夹灰黑色页岩与煤线，软体动物及蕨类植物化石。
2.1.2.2侏罗系中统延安组（J2y）
延安组为含煤地层。岩性为灰~深灰色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩与灰白色中粗粒砂岩互层，中夹炭质泥岩及煤层。厚度0~94.84m（X6号孔），一般40~50m，与下伏富县组成平行不整合接触，或超覆于三叠系之上。
2.1.2.3侏罗系中统直罗组（J2z）
根据岩性、岩相旋回分为上下两段：下段为泥质中~粗粒砂岩夹砂质泥岩、粉细砂岩。颜色以灰绿色为主，多带黄绿色，底部为一层灰白色含砾中粗粒砂岩或细砾岩，特征显著，比较稳定，是划分直罗组与延安组界限的标志层。上段为砂质泥岩、泥质粉砂岩夹细~中粒砂岩。颜色以灰绿色为主，常见杂色泥岩夹层，偶见泥质灰岩薄层，顶部较细，颜色较深。
2.1.2.4侏罗系中统安定组（J2a）
下部为暗紫红色砂质泥岩，夹灰绿色各种粒级的砂岩，底部为一层厚度较大的灰紫色含砾粗砂岩及细砂岩与直罗组为界；上部为紫红色泥岩、砂质泥岩，夹中~粗粒砂岩及粉红色钙质泥岩，富含钙质结核。
2.1.2.5白垩系下统宜君组（K1y）
为氧化环境下洪积相与河流相沉积。岩性为灰紫~紫红色巨厚层状粗砾岩夹砂砾岩及粗砂岩薄层或透镜体。砾石成分以花岗岩为主，变质岩次之，含少量石英岩与石灰岩。砾径一般5~8cm，最大50cm以上，分选差，次圆状，钙质胶结，坚硬。
2.1.2.6白垩系下统洛河组（K1l）
分布于宜君组两侧，为干旱氧化环境下的平原河流相沉积。岩性为棕红色中~细砂岩，夹同色砂砾岩及砾岩层。砂岩成分为石英、长石，分选较好，胶结疏松。具板状层理及大型交错层理，夹暗棕红色泥岩薄层，东北部的常村河见褐黄色与淡黄色砂岩。砾岩为巨厚层状粗砾岩。砾石成分与宜君砾岩相同，砾径较大，一般5~10cm以上，分选极差，以次圆状为主，亦见次棱角~棱角状者。砾石表面因砂质泥岩充填呈紫红色，胶结疏松。
2.1.2.7上第三系（N）
全区广泛出露。岩性为浅棕红色亚粘土、粉砂质粘土，含钙质结核及石英小砾石、夹多层钙质结核层，底部有厚度不稳定的底砾岩沉积。区内无完整剖面，最大厚度大于150m，一般80m左右。下与各组呈不整合接触。
2.2井筒水文地质
本井筒共穿过3个主要含水层，分别为：
1）白垩系下统洛河组砂岩-宜君组砾岩孔隙~裂隙含水层；
钻孔揭露厚度为158.49m，洛河组以中~粗砂岩为主要含水层段；宜君组以砾岩为主要含水层段。两组之间无明显隔水层，属中等富水性含水层，预计用水量163m3/h。在该段含水层中有局部胶结松散的砂岩，岩芯破碎，该含水层是井筒防治水工作之重点。
2) 侏罗系中统安定组泥岩层、直罗组砂岩、延安组砂岩裂隙含水层；
钻孔揭露厚度171.6m，该段岩性以砂岩与粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩互层状产出，根据水文地质报告，该段含水层涌水量19.5 m3/h，属弱富水性含水层。
3）三叠系上统铜川组砂岩裂隙含水层；
本次钻孔未揭露见底，岩性上部为紫色泥岩，浅紫色粉~细砂岩，灰白色细砂岩与中砂岩互层，中夹灰绿色中~粗砂岩，为微弱富水性含水层。
第三章 防治水方案
根据《郭家河矿井风井井筒施工组织设计》和《郭家河矿井风井井筒检查孔地质报告》，我们在建设郭家河风井井筒时，立足打干井的原则，确保井筒建井及井筒建成后涌水量符合验收规范规定，特编制此防治水方案。
3.1防治水方案
风井井筒共穿过3个含水层，垂深95.51~425.6m，含水层累厚330.09m。根据预测计算的含水层涌水量，我们认为风井井筒施工过程前要提前做好地质超前预报工作，制定详细的防治水方案。必须坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，实施“截、导、排、封、挡、探、注”的综合治水方案，同时针对风井井筒通过的含水层厚度大的特点，适时进行工作面探水注浆。
具体方案如下：
1、侏罗系中统安定组泥岩层、直罗组砂岩、延安组砂岩裂隙含水层、三叠系上统铜川组砂岩裂隙含水层采用先探后注的方式。根据公式计算出注浆孔数，施工时，先在井筒周圈布置4个钻孔进行探水（兼注浆孔），若单孔涌水量小于2m3/h，则注浆封孔，施工井筒。若单孔水量超过2m3/h，则要严格按照布孔要求施工全部钻孔。
2、白垩系洛河组、宜君组含水层是富水性含水层，在掘进至距该含水层10m时停止施工，进行工作面预注浆。
3、注浆段技术方案见下表3-3。
注浆段技术方案 表3-3
3.1.1注浆段高的确定
工作面探水注浆分段原则：结合含水层位置、含水层顶底板岩石情况，基岩段岩芯破碎带位置以及隔水层的厚度，设计注浆段高为65m。考虑第二、三段富水性弱，该段暂不设计工作面预注浆，按“先探后掘”的原则，单孔水量超过2 m3/h，则严格按照布孔要求施工全部钻孔；单孔水量小于2 m3/h，则带水掘进。 3.1.2止浆垫铺设
3.1.2.1止浆垫厚度计算
本次工作面预注浆选用单液平底形混凝土止浆垫。
利用公式计算如下：
式中：B--止浆垫厚度 m
P0--注浆终压 kg/cm2
r--井筒荒半径
[a]-- kg/cm2
[a]=R/k
K--安全系数。 K=2
说明：1、井筒荒半径为3.7m。
2、砼垫用C60混凝土砌旋，[a]=R/k=600×2/3÷2=200 kg/cm2
各注浆段止浆垫厚度经计算如下表
D--井筒净直径 D=6.5m
E—井壁厚度 E=0.45m
P--注浆压力 取第6段注浆压力P=9MPa
h--球面高 h=0
与止浆垫连接处井壁混凝土标号提高为C60，混凝土中添加高效减水剂，7天养护期的允许抗压强度为60×0.9=54MPa﹥39.6MPa，满足注浆要求。
3.1.2.2止浆垫浇筑施工
浇注混凝土前，严格按照设计要求孔位预埋Φ127×6mm无缝钢管，上焊高压法兰，做打钻注浆孔口管。上端高出止浆垫0.5m；管壁外用16#螺纹钢筋缠绕并焊牢（见附图）。
止浆垫混凝土采用C60砼，浇筑砼时要保持连续不得中断，工作面要分片用震捣捧震捣，同时应防止孔口管位移或偏斜，且在止浆垫上部泵位附近预留一个0.5m3的水窝，以便注浆施工时排水。
止浆垫凝固后，要连同预埋的孔口管进行耐压试验，耐压试验压力要求达到设计终压，若达不到，则进行止浆垫加固注浆。
3.1.3注浆参数设计
3.1.3.1注浆孔布置
工作面探水注浆设计注浆孔数利用公式如下：
N=π（D-2A）/L=8个
N-注浆孔数，个
D-井筒净直径，6.5m，
A-注浆孔与井壁距离，取0.7m，
L-注浆孔间距，取2.0m。
另外设计检验钻孔1个，每段共9个孔。注浆孔布置一圈，要求注浆孔与井壁距离为0.7m，注浆孔间距为2.0m，均匀布置。检验孔布置在井筒中心线位置，垂直施工。止浆垫耐压试验合格后，在注浆孔上安装高压闸阀方可钻进施工。钻注顺序为对称开孔注浆，切忌乱钻不注。
3.1.3.2注浆压力
考虑到改进型脲醛树脂在较低压力下即可渗入裂隙，设计初始压力为4MPa，注浆终压为P下=P上+1 MPa。各注浆段注浆终压如下表：
3.1.4探水注浆前的准备工作
3.1.4.1排水系统形成
探水注浆前应形成不低于100m3/h的排水能力。井筒安装一趟Φ108mm无缝钢管作为排水管路，并进行试运转。
排水方案及排水设备详见《郭家河矿井风井井筒施工组织设计》。
3.1.4.2搅拌站设置
在地面井口房一侧设置搅拌站，同时在地面挖三个池，分别存放配制的水泥浆液，化学浆液和清水。池旁边布置注浆设备和搅拌罐。
3.1.4.3输浆管路的安装
利用伞钻绳捆扎两路Φ25mm高压胶管，从地面输送浆液到工作面作为输浆管路，高压胶管的耐压强度不少于25MPa。
3.1.4.4井下操作平台的搭设
利用井筒悬挂吊盘作为打钻工作平台。在井壁的四个方位打入四根铁道锲，将四层吊盘固定在铁道锲上。工作台固定要牢固稳定。
3.1.5钻探施工
采用SGZ-150型液压钻机，钻杆采用Φ50×6mm地质钻杆，钻头采用Φ75mmPDC复合片无芯钻头或Φ75mm潜孔锤头成孔。
3.1.5.1钻孔施工顺序为对称开孔。为防止钻孔偏斜，预埋孔口管时，钻孔的方位角、倾角要由专业技术人员进行操作，预埋过程中要及时准确校对。钻进时使用平顶钻头或PDC金刚石复合片钻头并带同径具长度不小于3m的扶正器。
3.1.5.2禁止弯曲钻杆下井，提高对中度，过硬岩时，不应加压过量。带阀清水钻进，地面连续供水，一旦水量变小或中断应立即停钻或提钻，检查原因，恢复正常供水后，再继续钻进。
3.1.5.3定时检查钻具，发现不合格者应及时更换，钻具加工要规格，出刃一致，焊结实，加压、钻速适当。为防掉物入孔，钻进时孔口钻杆套厚皮胶板。
3.1.5.4每孔终孔停钻后，应加大水量冲孔，冲孔时间一般为30min左右，直到孔内岩粉基本排除为止。
3.1.5.5要认真做好钻进记录与钻机维修工作。
3.1.6注浆施工
注浆泵采用HFV-C型注浆泵，一台工作，一台备用。
3.1.6.1工艺流量：单液水泥浆(化学浆)经二次搅拌—注浆泵—输浆管—控制阀—孔口管—岩层裂隙。
3.1.6.2压水试验
每孔终孔测水后接通输浆管路进行压水试验，压力由小到大逐步升压到最大注浆终压，测定各不同压力参数时的吸水量并绘制吸水量曲线，压水时间可为20～30分钟。并根据压水结果，确定起始浆液配比。
3.1.6.3压力调整：注浆压力变化有时渐变，有时呈波状，调整压力应与孔内情况、浆液浓度等密切配合，当浆液浓度确定后，用人为的方法控制泵量，使压力达到终压。
3.1.6.4浆液调整：浆液在岩层裂隙充填阶段中，如压力和进浆量稳定不变时，应逐级加大浓度，如压力上升快，进浆量很快减小，应依次降低浆液浓度，每改变一次浆液浓度可持续20分钟。
3.1.6.5注浆结束前，应压注清水，使管路大部分浆液注入岩层裂隙中去。但要防止清水压入地层，当压清水时需及时通知井下准备闭阀泄浆，然后清洗整个注浆系统。
3.1.6.6养护、扫孔和复注：每孔首次注浆结束后，养护2～3小时，用钻机扫孔到底，冲孔测水后进行复注。复注次数可为一至多次，复注时采用稀浆。
3.1.7注浆结束标准
单孔注浆结束标准：注浆压力达到设计终压，泵量<30L/min，稳定20～30min，即可结束注浆。
工作面探水注浆结束标准：施工最后检查孔的涌水量来计算井筒开挖的最大涌水量，若水量超过6m3/h，应补打注浆孔，继续注浆。
注浆结束后，由技术员整理各孔钻注全部数据资料。填制绘图上报、存档。
3.2壁后注浆
待井筒施工结束后，为进一步减少井筒涌水量，则考虑实施下行式壁后注浆。壁后注浆以堵水为主，形成注浆帷幕，切断水源达到注浆堵水及壁后充填加固的目的。井筒无明显出水点，井筒涌水量达到验收标准，结束壁后注浆。实施壁后注浆时专门编写壁后注浆设计。
第四章 工期和劳动组织
4.1工期
每段工期包括：施工前筹备(1天)，止浆垫浇注养护(7天)，止浆垫加固(3天)，探水施工(4天)，洛河组-宜君组段注浆施工(4天)，合计19天。
总工期约133天。
4.2劳动组织
实行钻注合一，探水人员终孔后参加注浆工作，见表如下：
钻注劳动组织表
说明：1、井上信号把钩打点工未列入；2、施工队长未计算在内。
建议
5.1成立郭家河风井井筒防治水领导小组，全面系统的领导指挥实施防治水工作。
5.2施工前形成临时排水系统，并试运转，保证设备专业人员充足。
5.3必须坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，实施“截、导、排、封、挡、探、注”的综合治水方案，同时针对风井井筒通过的含水层厚度大的特点，适时进行工作面探水注浆，每段工作面探水注浆前必须编制安全技术措施，审批后全体施工人员学习。
5.4为进一步减少井筒涌水量，井筒施工到底后，考虑实施壁后注浆。
参考文献：
1、《郭家河矿井风井井筒施工组织设计》
2、郭家河矿井风井检查孔资料
附图：
1、孔口管示意图
2、注浆孔布置示意图
附表：
1、主要设备材料使用表
2、注浆工艺示意图
