松散风积砂层降水井施工技术研究

王国强 许刚刚 韩 强 王晓明

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

松散风积砂层降水井施工技术研究

王国强 许刚刚 韩 强 王晓明

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

为了确保内蒙古某矿4201工作面回采至大水沟流域下方时实现过沟安全回采，对防治突水溃砂灾害发生的措施作了研究，通过实施地面导流工程和降水井工程，形成疏降漏斗，降低松散含水砂层潜水水头高度，疏干半径覆盖整个工程区域，消除了突水溃砂灾害发生的水动力条件，取得了良好的施工效果。

松散风积砂层，过沟开采，降水井，疏放水

0 引言

第四系冲积层中富水性强的风积砂含水层是引起浅埋薄基岩煤层开采突水溃砂的重要原因之一。其中，疏水降压是目前保障第四系风积砂层下安全采煤行之有效的技术措施。研究表明，在近松散层下采煤时，覆岩垮落带和裂缝带导通上覆松散层后发生渗透变形破坏与上部松散层土的性质有关。在采矿动力作用下，矿井突水溃砂是松散粉细砂层在地下水作用下产生溃砂、渗流和潜蚀作用造成的[1-3]。在松散风积砂含水层下采煤，必须将地下水位疏放至安全水头，以减少水势能，防止突水溃砂灾害的发生。如何在松散风积砂层施工降水井是疏水降压必须要解决的首要问题，松散风积砂层成孔困难、易塌孔，因此开展松散风积砂层降水井施工技术研究具有重要的工程价值和意义。

1 工程概况

内蒙古某矿4201工作面为二盘区的第一个工作面，倾向宽245 m，走向长约2 100 m，开采4-2煤，煤层埋深约61 m，煤层平均厚3.0 m。大水沟是位于矿区中部的一条由西向东流的季节性沟谷，从接近停采线附近地表横穿而过，旱季无水，但由于上游两个煤矿向大水沟排水，目前明流流量约800 m3/h，雨季在暴雨过后可形成短暂的洪流，向东流入勃牛川向南汇入陕西省窟野河最终注入黄河。河漫滩宽约50 m～60 m，漫滩上有耕地和农作物，大部分是野生芦苇，潜水水位埋深约1.5 m。煤层上覆基岩厚度0 m～44.7 m，基岩上直接被松散含水砂层覆盖，松散含水砂层厚度7.2 m～43 m，根据4201工作面上覆松散含水砂层及上覆基岩的空间分布及其组合形态可知，该工作面上覆地层结构条件为“砂基型”，即富水性较强的松散含水层直接上覆于煤系岩层之上，含水层与煤层之间没有连续分布的隔水层。

该矿位于东胜煤田准格尔召—新庙详查区南部，其基本构造形态为向西南倾斜的、平缓的单斜构造，倾向210°，倾角1°～3°，无不发育断层、褶皱等构造。矿区内地表大部为第四系覆盖，岩性主要为风成粉细砂，只有零星的第三系(N2)地层出露。根据钻孔揭露和地质填土成果，矿区地层由老至新有：三叠系上统延长组(T3y)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、第三系(N2)、第四系全新统(Q4)。

该矿区进行疏降水的目标含水层为松散风积砂含水层，属松散岩类孔隙、潜水含水岩组，岩性以风积砂、冲洪积砂砾石层为主，厚度7.2 m～44.7 m，该含水岩组含孔隙潜水，主要接受大气降水的补给，受松散层厚度、基底起伏及地形高低等因素，含水层富水性极不均匀。据矿区J5号钻孔抽水试验，单位涌水量q=0.166 L/(s·m)，平均渗透系数K=1.081 m/d，水位标高1 277.65 m。富水性中等，水质为低矿化度的HCO3-Ca型水。4201工作面所处位置为补给、径流区，潜水补给区相当广泛，补给来源主要以大气降水为主，也有部分侧向补给，粉细砂透水性好，持水能力强，能大量吸收大气降水。沙漠区昼夜温差的变化，有利于形成凝结水，凝结水也是一个重要的补给源。排泄途径主要有径流排泄和蒸发排泄。径流排泄多为潜水顺地形坡向径流排泄于地形低洼及沟谷地带，如大水沟两侧长年有地下水渗出。

2 降水井方案设计

2.1 设计目的和原则

为了确保4201工作面回采至大水沟流域下方时实现过沟安全回采，需要采取相应的工程防治措施，对4201工作面突水溃砂灾害进行有效防治。 通过实施地面截流、导流工程措施，把大水沟的明流水引入地下导管，使其不直接向工程区域松散含水砂层进行地面补给，减少松散富水砂层水的补给量。实施地面降水井工程，形成疏降漏斗，降低松散含水砂层潜水水头高度，疏干半径覆盖整个工程区域，以达到消除突水溃砂灾害发生的水动力条件的目的，保证采煤安全回采。在施工地面降水井之前，在降水井的原设计位置先施工水文地质条件探查钻探，对松散含水砂层厚度、富水性、渗透性及煤层上覆基岩厚度进行探查，如果探查到煤层上覆基岩具有一定厚度可实施降水井工程，就把探查钻孔扩孔成降水井，不增加额外工程量，又能起到水文地质条件探查的作用，实现一井多用。如若探查到松散砂层底部无基岩，视探查结果，在两个探查孔中间再内插钻探，以探查基岩的尖灭点位置，以便为该面安全回采防治突水溃砂工程的实施提供参考依据，遵循动态设计、信息化施工的设计原则。

2.2 降水井布置

降水管井布置井距不宜太小，井距太小不能充分发挥单井的降水效果，从技术经济角度上看是不合理的。但是为便于管理，节省管材，达到降低松散含水砂层潜水水位的目的，井距也不宜太大，应当小于单井抽水的影响半径，因为当井的间距小于影响半径时，井与井之间便产生干扰，干扰井降水工作时任一井中的水位变化均由两部分组成，一部分是该井自身降水工作所产生的水位变化值，另一部分则是由附近其他井在其降水影响半径范围内对该井工作所引起的水位变化值。干扰井群同时抽水工作时，干扰井中的水位降深值必然大于相同流量的单井抽水所产生的水位降深值。相反，在水位降深值相同的条件下，干扰井的涌水量必然小于单井的涌水量，因此，从经济技术角度来说，井距也不宜太大。

吉哈尔特从理论上得出了降深管井的井距应满足下式要求：

b≥5·π·D。

其中，b为降水管井的井距，m；D为降水管井的井径，m。

本次降水井间距暂定40 m，共布设8个降水井，视探查结果可作设计调整，如降深效果不理想，再内插降水井。布设在4201工作面主运顺槽及辅运顺槽对应地面横切大水沟断面位置上。

2.3 降水井结构

降水井由两部分构成：松散砂层段和基岩段。降水井井深约40 m，进入基岩10 m，孔径为600 mm，下入φ325 mm填砾滤水管，单井排水量大于100 m3/h，降水井深度根据地层情况决定，直到进入基岩段10 m结束，降水井结构见图1。

2.4 施工序次

根据现场条件，降水井分2个序次施工，第一序次施工大水沟南侧的JSJ3，JSJ4，JSJ7和 JSJ8孔，第二序次施工大水沟北侧的JSJ1，JSJ2，JSJ5和JSJ6孔。

工艺施工序次为：先用φ133 mm钻头一径到底，探查松散砂层和基岩厚度，根据地层取样情况，经过分析后，可以作为降水井时，再扩孔成φ600 mm降水井。

3 施工工艺[4]

3.1 施工工艺流程

制作护壁泥浆→钻机就位成孔、清孔→制、安滤水管→井壁四周分层回填圆砾→清除井内泥浆→抽水设备安装→正常使用。

3.2 钻孔施工

1)井孔定位。施工前，根据设计孔位参数进行测量放线，引出每个降水井的孔位十字中心线，在中心线处打入木桩，并用铁钉钉在木桩顶上十字中心线处，井孔定位偏差小于30 mm，木桩埋设应牢固。2)护筒埋设。护筒采用工具式钢护筒，钻头直径应比护筒内径小100 mm，上部开口设1个～2个排浆口，护筒埋设应准确和牢固，护筒与井壁之间用黏土填实，护筒中心线与井孔位偏差不大于30 mm，护筒在土中埋深大于1.5 m，护筒上口高出地面不小于20 mm，为了防止泥浆液面上下浮动，冲刷孔壁导致坍孔，保持孔内泥浆液面高出地下水位1 m以上。3)钻机就位。钻机就位后应保持机身平衡，在钻进工作时，不发生倾斜移位，开钻前在两个互相垂直方向用经纬仪测定钻杆的垂直度，保证其偏差小于1°，钻头对准孔位，钻头中心与护筒中心偏差不大于15 mm。4)钻具丈量，记录钻探深度，最大允许偏差为±2‰。5)钻机在钻进过程中，进行简易水文观测，下钻前和提钻后各进行水位观测一次，同时进行泥浆冲洗液的观测。6)用φ220 mm无芯钻进钻至岩石层，探查松散砂层和基岩厚度。7)用φ133 mm岩芯管取芯钻进基岩内10 m，岩芯要按先后次序摆放整齐，做好回次记录。8)用φ600 mm扩孔器扩孔至基岩下10 m，钻具下入孔底反复循环将孔内残渣反出地表，最后用轻质泥浆置换孔内稠泥浆。

3.3 制作滤水管、下管

1)滤水管制作。根据滤水管进水能力计算公式：

Q=π×n×V×D×L

(1)

其中,Q为井管出水量，m3/s；V为滤水管进水流速，m/s；D为滤水管直径，m；L为滤水管长度，m；n为滤水管孔隙率。

孔隙率:

n=Q/(π×V×D×L)=(100/
3 600)/(3.14×0.02×0.325×24)=0.056 7

(2)

根据计算滤水管孔隙率不小于5%，滤水管骨架采用壁厚4 mm，外径325钢管，花管眼为条形孔，孔宽10 mm，间距50 mm，长度500 mm，滤水管两端10 mm范围内不设孔。滤水管管外裹60目尼龙筛网并缠丝加固，滤水管孔眼设计见图2。

2)溜孔。为保证孔径满足要求，下滤水管前用溜孔器溜(扫)孔至孔底，溜孔器的长度应大于10 m且直径不小于所要下入井管直径两倍。溜孔到底后提起钻具，松开刹车，钻具能够平稳无阻地自由下落，即表明井筒圆正可以下管，溜(扫)孔完成。若溜孔器途中受阻或不能平稳自由下落，应继续反复使用溜孔器修整，直到溜孔器能够自由下入孔底为止。

3)换浆、破壁。溜孔完成后，用新拌的优质稀泥浆循环孔内的稠泥浆，直到能保证孔壁稳定为止。接着用破壁器自上而下采用轻压慢转、大泵量缓稳的方法进行破壁，特别是到含水层段应上下反复旋转钻具，让破壁器尽可能多地刮刷井壁，彻底地破坏井壁泥皮，以便含水层能透水畅通，出水顺畅。

4)滤水管吊装。滤水管吊起并扶正垂直后，匀速缓慢放入孔内，不得碰撞孔壁，如下放困难应立即停止、查明原因，不得强行下放。在成孔施工完成前，应提前把制作好的滤水管运至井口附近，成孔后应尽快安装滤水管，以减少孔底回淤和孔壁坍塌。

滤水管接头采用电焊连接，管与管焊接要平直、牢固，焊接时上下滤水管要加保护措施，防止烫坏包裹尼龙网。

3.4 填砾

砾料选用φ3 mm～φ5 mm的圆砾，在填砾前进行过筛筛选，取出过大或过小的砾石；填砾要在管壁四周缓慢、均匀的填入，不能在一个方位大量填砾，以防堵塞孔壁，造成填圆砾不实。

3.5 洗孔

洗孔是成井工艺中重要的一道工序，一口降水井能否发挥作用，很大程度上取决于洗孔的质量。在滤水管四周填满碎石后立即进行洗孔，采用活塞在含水层部位，由上至下反复运动，形成的水流正负压使含水层内部的泥水往复循环流动，破坏井壁未洗净的泥皮，有效地疏通地下含水层，把降水井周围土层内遗留下来的泥浆吸出，并在降水井周围形成良好反滤层。洗孔前后两次抽水涌水量相差应不大于10%，且洗孔后井内沉渣基本不上升。

3.6 抽水设备安装

1)抽水设备包括自动抽水控制装置和潜水泵两部分，自动抽水控制装置由抽水机启动电路、抽水指示电路、自动抽水控制线路、地下水位过低保护电路和避免抽水机频繁启动电路组成。现场根据不同的地质情况和地下水的渗流速度、水量和埋深，选择不同型号的潜水泵。2)潜水泵待洗控结束后入井，在井孔口利用缆绳将潜水泵缓缓沉入井底。3)地下水位控制，当地下水位达到设定水位值时，抽水设备自动启动。

4 施工中质量控制[5，6]

1)一旦发生坍孔现象，应立即停钻。如果坍孔的范围较小，可以通过增大泥浆粘度和比重的方法稳定孔壁；当坍孔比较严重时，可以采用黏性土回填钻孔，待固结稳定一段时间后再重新钻进成孔。2)当出现钻孔缩径时，可通过改进泥浆性能指标，降低泥浆的泌水率的方法稳定孔壁，同时在缩径孔段进行多次扫孔，以保证成孔直径满足设计要求。在钻孔施工时，密切注意泥浆面的变化，一旦发现有漏浆现象，及时采取控制措施。3)尼龙筛网表面要平整，并适当留有变形余量，尼龙筛网的搭接可采用自然搭接方法，自然搭接宽度不小于100 mm。在铺设尼龙筛网时，应防止对下面一层材料造成破坏。4)尼龙筛网安装完成后，对其所有表面进行目测检查以确定没有破损之处，如发现破损应作上标记并进行修补。5)降水井宜优先选用潜水泵作为降水设备，根据降水井深度选用足够扬程的潜水泵；每个降水井的潜水泵应固定使用，做到“一井一泵一闸一漏(漏电保护器)”。6)降水井抽水工作时应安排有专人负责检查巡视，每隔一段时间后应清理降水井井底的沉淀物，保持降水井的有效深度。

5 结语

1)经过后期降水运营证明，在松散富水粉细砂层中采用优质泥浆护壁成孔和钢滤水管施工降水井的工艺，是技术上可行、经济上合理的。不仅成孔施工容易、进度快，而且降水效果显著，自动化抽水设备的应用更是节约人工、降低能源消耗。

2)本着一井多用的原则，降水井在施工过程中，钻探勘察了4201工作面上方的水文地质条件，对地层进行了直观形象的描述，得到了松散风积含水砂层的厚度、富水性、渗透性及煤层上覆基岩厚度等地质资料，为该面安全回采防治突水溃砂工程的实施提供了真实可靠的参考依据。

3)通过在4201工作面上方大水沟流域处打设降水井降水，降低了4201工作面上方松散含水砂层潜水水头高度，疏干半径达到了覆盖整个工程区域，消除了突水溃砂灾害发生的水动力条件的目的，实现了4201工作面穿越大水沟流域下安全回采，是一种便于施工、有效消除水动力条件隐患的可靠方法，对该矿其他工作面穿越大水沟回采具有很好的借鉴意义。

[1] 隋旺华,蔡光桃,董青红.近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2084-2091.

[2] 汤爱平,董 莹,谭周地，等.震动作用下矿井突水涌砂机理的研究[J].地震工程与工程震动,1999,19(2):132-135.

[3] 王文学,隋 旺.华某矿第四系底部含水层降水井群优化布置[J].煤田地质与勘探,2011,39(2):30-33.

[4] 蔡海燕.深厚覆盖层中降水井的复合施工技术[J].勘察科学技术,2014(4):44- 47.

[5] 吴伟庆.土工布钢筋笼降水井在砂质土层基坑施工中的应用[J].施工技术,2013(S2):71-74.

[6] 王苑明.钢筋笼降水井在深基坑处的应用[J].韶关学院学报(自然科学版),2002(3):68-70.

Research on dewatering well construction technique at loose wind-blown sand layer

Wang Guoqiang Xu Ganggang Han Qiang Wang Xiaoming

(Xi’anResearchInstituteCo.,Ltd,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Xi’an710077,China)

In order to ensure the realization of crossing ditch safe recovery in recovering the 4201 Working Face of some mine in Inner Mongolia to the lower part of Dashui Ditch, researches the measures to prevent the bursting water and sand collapses, the discharge funnel can be formed by implementing the ground diversion and dewatering well projects, so it lowers the diving water height of loose water-bearing sand layer, diverts radius covering the whole engineering region, eliminates the water dynamic conditions for the bursting water and sand collapses, and achieves better construction effect.

loose wind-blown sand layer, crossing ditch, dewatering well, drainage water

2014-12-20

王国强(1985- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)06-0083-03

TU463

A