彬长矿区洛河组地下水防治和开发新思路

邢延团

（陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713602）

1 引言

彬长矿区属于黄陇侏罗纪煤田，煤层厚度大，平均在10m以上，赋存深度较大，约为450～800m，大部分矿井采用综放开采的方法。区域地下水系统属于鄂尔多斯属鄂尔多斯中生代承压水范畴，在周边山区接收补给，向南部径流，彬长矿区正位于区域地下水系统的径流带和排泄区内。

彬长矿区内区域性巨厚含水层为白垩系洛河组砂岩含水层，由于地处区域径流带，使含水层富水性较强且补给充足，成为矿区主要的水害因素，通过采动裂隙直接导入井下。

由于彬长矿区特殊的岩层组合特征和矿井宽工作面综放开采采煤工艺，部分矿井采取的限高开采防治洛河组水效果不理想；

又由于煤层与含水层间距多大于100m，井下施工洛河组钻孔距离较远，且存在砾岩、泥岩等多种软硬交替地层，施工技术难度较高，尚无成功先例，预疏放技术也不适用。

彬长矿区由于位处半干旱气候地带，降雨量少，大部分随之成为了地表径流，蒸发量大，上覆松散含水层厚度薄、富水性较弱。因此，大部分矿区存在井下供水难、生活用水不足的严重问题，主要通过地表钻孔抽水来提供各种用水。

亭南煤矿位于彬长矿区中部，靠近泾河河谷，一方面存在井上、下用水难的问题，另一方面煤层回采受洛河组砂岩含水层水害威胁严重。洛河组地下水水资源化开发解决用水难的问题，是矿井目前的重要研究方向之一。

2 工程概况及地质条件

亭南煤矿位于陕西省咸阳市亭口镇亭南村，井田属黄陇侏罗纪煤田彬长矿区。矿井于2006年10月投产，设计生产能力3.0Mt/a。矿井主采煤层为4号煤。目前已回采一盘区的101、103、106、107、109、111、113工作面、二盘区的204工作面、三盘区的303工作面，正在回采二盘区的205工作面和三盘区的304工作面。

2.1 地质概况

亭南井田内地层由老到新依次为：三叠系上统胡家村组（T3h），侏罗系下统富县组（J1f），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）、华池组（K1h），上第三系（N），第四系下更新统（Q1）、中更新统（Q2）、上更新统（Q3）、全新统（Q4）。地层特征见表1。

4号煤为全区唯一可采煤层，赋存于侏罗系延安组地层中，厚度1.00～23.24m，平均厚度11.05m。从全井田范围来看，4煤层厚度变化规律明显，结构简单至较简单，煤类单一，全区大部分可采。

2.2 地下水水害概况

亭南井田内主要发育的含水层有松散潜水含水层、白垩系洛河宜君组含水层、侏罗系直罗组、延安组含水层。松散潜水含水层距离煤层较远，期间有数层泥岩隔水层存在，不会威胁矿井安全生产。

侏罗系直罗组、延安组含水层是4煤开采直接充水含水层，富水性弱，厚度较小，水量相对有限，可通过井巷和工作面进行疏放，对矿井生产影响较小。

而白垩系洛河宜君组含水层为巨厚含水层；井田内厚度220.00～337.90m，平均304.91m；单位涌水量为0.1619～0.3958l/s·m，富水性中等；与煤层间距较小，为63.18～158.77m，平均117.74m。亭南矿204工作面最新实测导水裂缝带发育高度为135.23m，导采比达22.7。井田大部分洛河组含水层将被采动裂隙扰动，使其成为矿井的直接充水水源，威胁矿井安全。

表1 亭南井田地层特征统计表

据矿井涌水量数据统计，洛河组含水层水已成为矿井涌水的主要组成部分。对洛河组含水层水害的治理，成为制约矿井安全回采的重要因素之一。

2.3 用水问题现状

自2006年投产以来，亭南煤矿一直存在井下用水难问题。生产过程中主要采用老空水进行井下防尘和设备循环冷却等。由于老空水水质较差，矿化度达到10g以上，Cl-含量较高，达20%左右，对设备、管路的腐蚀严重，不但造成井下设备成本投入较大，而且也严重制约了矿井的安全高效生产。

3 钻孔施工设计

3.1 设计思路

为了高效低成本解决井下用水难问题，同时兼顾矿井防治水工作，拟从井下向上施工长距离钻孔，取洛河组砂岩洁净水供井下防尘和冷却使用。

由于井下施工钻孔存在距离远、大仰角钻进、护壁难和砂岩水不易疏放等特点，目前彬长矿区尚未进行此类尝试。亭南矿在施工工艺、钻孔布置、钻机选择及护孔方法等方面进行改进和修订，成功钻进了两孔钻孔，取洛河水供井下生产用。

3.2 工程施工改良

（1）钻孔位置分布

钻孔布置在三盘区胶带集中巷煤仓处，主要基于以下考虑：一是该位置位于井田向斜轴部，含水层富水性较好。二是该位置高于煤层顶板约19m，距离洛河组含水层间距相续较短，约为161m，容易成孔；三是该位置不受工作面回采和巷道掘进影响，可长期保留。

（2）钻机选择

选用中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY4000S钻机，配3NB260/6-15泥浆泵。该钻机扭矩4000N·m，施工能力350m，主轴倾角-5°～60°。选用Φ63.5mm钻杆，Φ75mm、Φ89mm、Φ127mm、Φ159mm等PDC复合钻头。

（3）钻孔结构及施工工序

钻孔结构见图1。

图1 供水钻孔结构示意图

钻孔仰角越大，施工距离越短。根据钻机性能，设计仰角55°向上施工，终孔至洛河组内。55°大仰角向上施工井下钻孔，这在彬长矿区尚属首次。

钻孔设计三级孔径，下两趟套管，钻孔施工工序如下：

一开：用Φ89mm钻头无芯钻进至32.6m，Φ159mm钻头扩孔至20.5m,下入Φ146×6mm套管20m,水泥固井。

二开：用Φ75mmPDC钻头扫孔至21m,进行压水试验（耐压7MPa，持续30min）。合格后用Φ75mmPDC钻头钻至171.5m，Φ127mm钻头扩孔至170.5m，下入Φ108×6mm无缝钢管至170m；水泥固井。

三开：用Φ89mmPDC钻头扫孔至170.5m，进行压水试验（耐压7MPa，持续30min）。合格后用Φ89mmPDC钻头钻进至终孔。终孔后，孔口安装高压防水闸阀。

经亭南井下钻孔施工验证，先小孔径钻进，再大孔径扩孔，钻进效率较高，容易成孔。

（4）护孔方法

由于钻进目的层为洛河组，需要对侏罗系地层进行下管封闭。设计对侏罗系孔地段全段下管封闭，并水泥固井。

共下两级套管，首采是孔口20m段的护壁管，采用Φ146×6mm的无缝钢管；

其次是侏罗系地层段的套管，采用Φ108×6mm无缝钢管，下入深度约170m。下管后均需水泥固井，并进行压水试验。压水试验要求水压7MPa，持续30min以上。井下钻孔下入170m无缝钢管隔离侏罗系含水层，这在彬长矿区也属首次。

4 效果分析和预测

4.1 施工结果

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

（1）水量分析结果

1#和2#钻孔在钻进过程中均出现涌水，钻孔涌水情况见表2。

从表2可以看出，1#和2#钻孔涌水量均随着钻孔深度——即进入洛河组距离的增加而增大。1#和2#钻孔终孔时的涌水量分别达到90m3/h和80 m3/h，基本满足井下生产用水的水量要求。

（2）水质分析结果

取1#供水井水样进行水质全分析测试，并与107工作面和204工作面涌水水质进行了比较，见表3。

由表可以看出，1#供水井涌水的矿化度为3032.84～4628.00mg/L，而107和204工作面采空区积水的矿化度分别为9289 mg/L和8690 mg/L。1#供水井水的矿化度明显小于107、204工作面采空区积水。水质中的CL-1对设备腐蚀性较强，对混凝土有腐蚀性。1#钻孔作为井下生产用水时，CL-1和对含量显著小于采空区积水，对生产设备、管路等的腐蚀损坏作用较弱，是理想的井下生产用水水源。

4.2 效益预测

表2 1#和2#钻孔钻进中涌水情况统计

表3 井下1#供水井及采空区水样水质全分析测试主要成果（单位：mg/L）

续表3

（1）供水效益

井下供水钻孔基本满足井下生产用水，不再需要专门从地面供水至井下，节省了地面抽水、水泵和管路维护等费用。每年节省成本近百万元。洛河组水位较高，井下钻孔为自流水，井下使用时不需要水泵加压，使用便捷，维护方便。

（2）疏降效益

井下钻孔取洛河水，同时也对洛河组地下水进行预疏放，减小了回采过程中洛河组含水层突水威胁，利于煤层安全回采。

结语

亭南矿井下施工洛河组钻孔的成功，不仅解决了井下生产用水难的问题，而且对洛河组含水层水进行了预收放，实现了洛河组含水层水的资源化开发利用，为彬长矿区洛河组含水层水害防治提供了新的思路，也为其它条件相似矿井洛河组地下水的开发和治理提供了借鉴。

[1]徐中华，李云峰，侯兴才.鄂尔多斯盆地洛河组地下水地球化学模拟——以陕西省长武-彬县地区为例[J].干旱区资源与环境，2009，23（10）.

[2]罗奇斌，康卫东，谢延玲，赵宝峰.靖边地区白垩系洛河组地下水水文地球化学模拟[J].地下水，2008,30（6）.

[3]黄大兴，王永功.近位疏放在Ⅱ624工作面安全回采中的应用[J].煤炭科学技术，2005,33（7）.

[4]田冲，汤达祯等.彬长矿区水文地质特征及其对煤层气的控制作用[J].煤田地质与勘探，2012,40（1）.

[5]杜东见，马献.超河南千秋煤矿水害特征与防治技术[J].中国煤炭地质，2012,24（10）.