王坡煤礦回風立井涌水探查與治理實踐

王展

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

王坡煤礦位于山西省澤州縣下村鎮境內，礦井目前開采3 號煤層，水文地質類型中等。井下無長期涌（出）水點，礦井涌水主要來自于3 號煤層頂板砂巖裂隙含水層水，3 號煤層導水裂隙帶影響范圍內含水層屬弱富水性含水層，礦井涌水量約為15～35 m3/h，平均23 m3/h。2021 年汛期，晉城市遭遇多輪強降雨，降水量大、持續時間長，礦井涌水量呈明顯增大趨于，由25.5 m3/h 增大至87.7 m3/h。礦井涌水量增大點主要為上寺頭回風立井，大量地表水向井筒內滲透，井筒被破壞，造成井筒涌水量異常增大，不僅增大了煤礦生產成本，同時給礦井通風造成較大壓力，給礦井安全生產帶來隱患。為有效治理因強降雨形成的導水通道，王坡煤礦位決定開展上寺頭回風立井地表水滲透治理研究。

2 上寺頭回風立井涌水探查

2.1 上寺頭回風立井情況

上寺頭回風立井礦區東側礦界邊部，總的地勢為北西高南東低，最高點位于風井北側的山梁上，海拔標高1 272.6 m，最低點位于風井南部寺頭河溝底，海拔標高900—1 005.3 m。寺頭河屬于長河支流，為季節性地表徑流，只有在雨季有洪水流過。井口標高約為+1 007.28 m，高于該處最高洪水位（標高約為+985 m）。上寺頭風井井筒凈直徑4.5 m，凈斷面15.90 m2，垂深420 m。井壁施工工藝為每次施工至穩定巖層時，做0.50～0.70 m 混凝土圈梁，圈梁上部采用石砌，厚度約0.30～0.40 m；然后繼續施工至穩定巖層，再做混凝土圈梁，上部依然為石砌，依次重復，建井時井壁未做防水處理。井筒內使用樹脂錨桿固定有梯子間。施工過程中各含水層滲水量均較小，均屬于低滲透含水層。

上寺頭回風立井北部存在一古滑坡體，古滑坡為中型巖質滑坡，滑體的前緣已抵到了寺頭河對岸的斜坡坡腳，已無滑動空間，屬穩定滑坡。滑坡體地表大多為第四系上更新統黃土，其下為上石盒子組三段、二段泥巖、砂巖，其中可見滑動痕跡，巖層不連續，裂隙發育。

2.2 水文地質鉆孔涌出探查

在收集礦井水文地質資料和野外踏勘的基礎上，施工水文地質探查鉆孔探查涌水層，并輔以測井、地形圖繪制、水文地質調查等手段，為后續涌水治理提供依據。

在上寺頭回風立井10 m 處施工1 個水文地質探查孔，以揭露井筒地表水滲透位置及層位為主，配套水文測井和常規測井，確定含水層層位以及流量。鉆孔開孔用φ146 mm 鉆頭鉆進至基巖，后用φ89 mm 鉆頭施工至終孔層位。水文地質探查孔施工總進尺368.64 m，進行全孔段取心，取心結果見表1 和圖1。觀測鉆進中水位變化，提鉆后下鉆前各測水位1 次，鉆孔沖洗液為清水，每小時觀測1次沖洗液消耗量。ZK3-1 孔水位觀測總次數為114次，沖洗液消耗量觀測總次數為342 次。

圖1 水文地質鉆孔不同地層取樣樣品Fig.1 Hydrogeological drilling hole sampling samples of different strata

表1 ZK3-1 鉆孔巖心采取率統計Table 1 Statistics of core utilization rate of ZK3-1 drilling hole

3 探查工作成果分析

3.1 地表水滲透層段

通過觀測鉆進沖洗液消耗量、巖心裂隙發育特征，結合水文流量測井分析判斷上寺頭回風立井地表水滲透層段。

3.1.1 水文流量測井

采用速度刻度法計算各含水層水量，結果見表2。

表2 分層涌水量、吸水量計算Table 2 Calculation of layered gashing water and water absorption

3.1.2 巖芯特征

（1）0～52 m 地表水滲透層段。地層層位為第四系松散層、上石盒子組二段上部。巖芯含棕色、棕黃色較多，隨深度的增大，棕色含量減少；總體破碎，RQD 值15%～65%，砂巖、泥巖中均發育裂隙，裂隙面可見鐵質浸染的特征推測，該地段巖層裂隙為地表水流經通道，這些裂隙的形成與上寺頭古滑坡有關。

（2）52～76 m 泥巖、泥質粉砂巖隔水層。地層層位為上石盒子組二段，巖性以泥質粉砂巖、泥巖為主，夾砂巖，巖芯完整，RQD 值39%～78%，結合水文測井未測出含水層，綜合推斷該段是較好的隔水層。

（3）76～120 m 滲透層段。地層層位為上石盒子組二段下部。巖芯顏色以青、青灰色為主；總體較完整，RQD 值27%～70%，裂隙主要發育在砂巖中，泥巖中少見裂隙，裂隙兩側較干凈，推測該滲透層段以正常的石盒子組砂巖裂隙含水層為主。

3.1.3 沖洗液消耗量

ZK3-1 鉆孔簡易水文觀測沖洗液消耗量342次，全孔不同深度處消耗量變化如圖2 所示。

圖2 水文鉆探消耗量與水位趨勢線Fig.2 Hydrological drilling consumption and water level trend line

從圖2 可知，沖洗液消耗量有小變大突變點有10 個，推測為10 個漏水點，見表3。

表3 沖洗液消耗量突變點Table 3 Mutation point of flushing fluid consumption

根據上寺頭回風立井周邊水文地質條件，結合鉆進沖洗液消耗量突變點、鉆孔巖芯裂隙發育特征、水文測井成果綜合推斷，上寺頭回風立井地表水滲透主要有2 個出水層段。

（1）0～52 m：有4 個沖洗液消耗量突變點，水文測井在46.85～52 m 劃分出4 個吸水層，該段巖層砂巖含量較多，裂隙增大，推斷為導水含水層。

（2）76～120 m：有6 個沖洗液消耗量突變點，水文測井未測出含水層。

3.2 地表水滲透水源

3.2.1 地表水滲透原因

上寺頭古滑坡導致巖層裂隙發育，上石盒子組中的泥巖、粉砂質泥巖失去隔水層作用，使得第四系松散層含水巖組與上石盒子組二段砂巖裂隙含水巖組聯通，共同形成一個直通地表的潛水含水巖組，直接接受雨水補給。上寺頭回風立井位于古滑坡的南部，揭穿滑坡體含水巖組，建井時井壁未做防水處理，造成風井出現地表水向井筒內滲透現象。在枯水期，含水巖組水位低，井筒內地表水滲透量較?。回S水期，含水層水位高，井筒地表水滲透量較大。2021 年雨季是晉城幾十年一遇的強降雨季節，大量雨水直接補給滑坡體含水層，造成了井筒周圍地表水滲透嚴重。

3.2.2 水質分析結果

采取井筒內水樣1 件，3 個調查民井各1 件。3 個水井樣，水質類型為HCO3·SO4-Ca 型，礦化度為257～581 mg/L；井筒水樣，水質類型為HCO3·SO4-Na·Ca 型，礦化度為321 mg/L。二者均是來自沉積巖區地下水的特征，水井水樣Na 離子含量低5～9.15 mg/L，井筒水樣Na 離子含量高64.52 mg/L，由此推斷井水來源更接近地表，井筒水源有地層砂巖裂隙水參與。

4 涌水治理方案

上寺頭回風立井承擔著王坡煤礦井下通風生產任務，井內管路較多，不具備停產、停風實施井壁注漿止水條件。因此根據井筒井上下周邊建筑、設施以及水文地質條件，選用地面鉆孔注漿方法進行井筒涌水治理。

0～52 m 地表水滲透層段，處于上寺頭古滑坡形成的潛水含水層中，該含水層直接受雨水補給，其地表水滲透量的大小與降雨量大小成正比。此次勘查施工的ZK3-1 孔，靜止水位44.2 m，隨著雨季的到來，古滑坡體含水層水位上升，井筒地表水滲透量劇增，因此，該滲透層段是止水工程治理的主要對象。76～120 m 滲透層段，其含水層為石盒子組砂巖裂隙含水層，水量一般較小，是上寺頭回風立井地表滲透的次要水源，根據0～52 m 層段治理止水效果布置治理工程。

4.1 注漿鉆孔布置

針對前文確定的2 個地表水滲透層段，注漿鉆孔圍繞井筒布置3 圈，如圖3 所示。第一圈距離井筒外壁5 m、第二圈7 m、第三圈9 m，分2 個階段施工，第一階段施工第一、第二圈注漿鉆孔，第二階段施工第三圈注漿鉆孔。

圖3 注漿鉆孔布置示意Fig.3 Grouting drilling hole layout

（1）0～52 m 地表水滲透層段，含水層為上寺頭古滑坡形成的潛水含水層，其導水裂隙相對不均勻，按漿液擴散半徑2 m 布置注漿鉆孔，每圈布置12 個注漿孔，共布置36 個注漿孔，編號雙數鉆孔為與76～120 m 治理層段共用鉆孔。注漿后確保在井筒外側形成2～4 m 厚的止水帷幕。

（2）76～120 m 滲透層段，含水層為上石盒子組二段下部砂巖裂隙含水層，砂巖裂隙相對均勻，一般水量較小，按漿液擴散半徑4 m 布置注漿鉆孔，每圈施工6 個注漿孔，共布置18 個注漿孔，即編號雙數鉆孔。

此次治理設計注漿鉆孔36 個，總進尺3 096 m。第一個階段施工第一圈和第二圈鉆孔，鉆孔總數24 個，總進尺2 064 m，其中單數鉆孔12 個，孔深52 m，進尺624 m；雙數鉆孔12 個，孔深120 m，進尺1 440 m。第二階段為施工第三圈鉆注孔，鉆孔總數12 個，總進尺1 032 m，其中單數鉆孔6 個，進尺312 m；雙數鉆孔6 個，進尺720 m。

4.2 注漿量

參照《立井井筒地面預注黏土水泥漿技術規范》，結合以往施工經驗選取相應參數，計算單孔注漿量。

式中：R 為漿液擴散半徑，取2 m；L 為注漿長度，即孔深52 m 和120 m；n 為地層空隙率，一般取值1%～3%，此次取2%；a 為地層填充率系數，一般取值0.7～0.9，此次取0.85；β 為漿液消耗量，取1.1。計算結果見表4。

表4 注漿量估算Table 4 Estimation of grouting amount

經計算總注漿量為727.16 m3，包括在注漿過程中，液漿向注漿孔孔壁周圍、上覆巖層裂隙的滲透損失以及空隙滲透填充的漿液損失等。

4.3 鉆孔注漿施工順序

施工前收集風井內地表水滲透水量，施工中每天收集并記錄風井內地表水滲透水量，根據水量情況即時調整施工順序。施工分2 個階段，第一階段完成第一圈和第二圈鉆孔注漿，根據施工過程中滲透水量的變化情況，判斷止水效果，確定或調整第三圈施工孔數。

（1）先施工第一圈鉆孔，再施工第二圈鉆孔，根據鉆孔編號單、雙分序次施工，先施工單數編號鉆孔，后施工雙數編號鉆孔，對角鉆孔，鉆1 孔注1 孔，避免相鄰孔串漿而影響鉆孔效率和注漿質量。

（2）安全出口兩側1-4 號鉆孔以及風井通道兩側1-10、1-11 號鉆孔，根據周邊鉆孔注漿量和止水效果，采用斜孔施工，施工角度為1-4、1-10號鉆孔傾斜角度1°，1-11 號鉆孔傾斜角度2°。

（3）布置在風井地面建筑風井通道鉆孔位置，可根據建筑物的影響向兩側微調。2-4 號鉆孔布置在安全出口上方，2-10 號鉆孔布置在風井通道上方，可在第二圈鉆孔注漿后期施工，根據風井通道兩側鉆孔注漿量和止水效果調整孔位。

4.4 注漿材料及注漿孔結構

注漿止水材料選擇既要考慮材料的可注性、凝膠時間的控制、存放和操作難易等因素，又要根據地面注漿量和井筒內壁所能承受的最大壓力。此次注漿采取以單液水泥漿為主，水泥-水玻璃（或速凝劑）雙液漿相結合的注漿止水方法，兼顧止水與加固井筒的雙重效果。

鉆孔結束后，采用φ60 mm 鋼管，在管子前端20～30 cm 處焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑120～130 mm），下入孔內變徑處，松動原φ127 mm 護壁管，再灌入水灰比為1∶1.5～1∶1.2 的稠水泥漿，然后起拔護壁管，φ60 mm 鋼管要高出地面0.5 m，并在管口安裝堵頭。澆鑄質量要求達到注漿過程中漿液不會從孔口管外溢出，為加速注漿管與孔壁固結，可在水泥漿液中加入水泥重量3%～5%的速凝劑。注漿孔結構及澆注孔口管如圖4所示。

圖4 注漿孔結構及孔口管示意Fig.4 Grouting hole structure and orifice pipe diagram

5 治理效果

經過前期涌水探查、滲透水源和滲透漏水層段分析，采取3 圈鉆孔注漿止水治理方案后，井筒涌水量逐漸減少，如圖5 所示。經過2 個多月的涌水治理，上寺頭回風立井井筒涌水量由80 m3/min 降至25 m3/min，并且經過2022 年雨季檢驗，井筒涌水量未見明顯增加，說明上寺頭回風立井井筒涌水治理效果良好，實現了對涌水水源的有效封堵和隔絕。

圖5 上寺頭回風立井井筒涌水量變化Fig.5 Variation of gashing water in Shangsitou return air shaft

6 結論

（1）王坡煤礦上寺頭回風立井采用鋼筋混泥土圈梁加石塊漿砌而成。因處上寺頭古滑坡南部，受滑坡作用，滑坡體巖層裂隙發育，使上石盒子組二段砂巖裂隙含水層與第四系松散層孔隙含水層形成一個厚大的潛水含水層，直接接受雨水補給。上寺頭回風立井揭穿滑坡體潛水含水巖層，建井時井壁未做防水滲透處理，造成了井筒地表水滲透現象。

（2）上寺頭回風立井地表水滲透主要有2 個出水層段，即0～52 m 和76～120 m。與建井施工過程中，100 m 以上涌水量較大，100～200 m 涌水量較小，200 m 以下幾乎沒有涌水，基本一致。

（3）實踐檢驗，上寺頭回風立井井筒涌水量方案合理可靠，實施后井筒涌水量由80 m3/min 降至25 m3/min，實現了對涌水水源的有效封堵。