淮北煤田地质特征及其对立井井筒建设的影响*

王志晓

(1.天地科技建井研究院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

淮北煤田地质特征及其对立井井筒建设的影响*

王志晓

(1.天地科技建井研究院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

目前，淮北矿区煤炭资源已经转向深部开采，立井井筒的安全、快速建设显得十分关键。结合淮北矿区数十个立井井筒建设的宝贵经验，对淮北煤田的地质及水文地质特征进行分析。通过信湖煤矿特殊凿井技术成功应用，提出了未来井筒建设难题的解决对策。

淮北煤田 地质特征 水文地质特征 立井井筒建设

淮北煤田位于安徽北部，分为濉肖、宿州、临涣和涡阳四大矿区，如图1所示。除淮北烈山煤矿外，区内多为新生界深厚松散层覆盖下的隐蔽煤田。淮北煤田东西长约140 km、南北宽约110 km，煤炭保有储量80多亿t，是国家“十二五”重点建设的14个大型煤炭生产基地之一。矿山建设中，立井井筒施工是关键工程，而煤田的工程及水文地质特征是影响井筒建设的重要因素。了解和掌握煤田的工程及水文地质特征是保障井筒安全、快速建设的关键。淮北矿区大部分矿区表土层深厚，结构松散，基岩裂隙发育、富水性强。复杂的地质条件对井筒建设造成了严重威胁，也对矿井建设提出了很高的要求。

1 淮北煤田地质特征

淮北煤田地层由老到新为奥陶系中下统(O1+2)、石炭系上统(C2)、二叠系(P)、三叠系下统(T1)、侏罗系上统(J3)和新生界古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)。奥陶系为巨厚石灰岩，总厚约500 m，富水性较强；石炭系地层厚约140～150 m，含石灰岩12层，夹有薄煤层，大多数不可采；煤系地层为石炭、二叠系地层。本区石炭系本溪组和太原组煤层较薄，一般不可采，二叠系山西组的10#煤层(濉肖区为6#煤层)和下石盒子组的7#、8#煤层(濉肖区为4#、5#煤层)为主要可采煤层，上石盒子组的3#煤层局部可采。

1.1 松散层沉积特征

淮北煤田表土层为新生界古近系、新近系和第四系沉积物，厚度介于20～800 m，总体上由北到南以及由东向西逐渐增厚。其中，濉肖矿区松散层厚度介于40～80 m，表土层上部为厚6～16 m的流砂层，含水较丰富。宿州、临涣矿区表土层厚度为200～400 m，含四组流砂层，三组粘土隔水层，流砂层含水丰富，总厚度在100 m以内。涡阳矿区表土层厚度较厚，达到600～700 m。

图1 淮北煤田范围及矿区划分

1.2 构造地质特征

由于多期构造运动影响，淮北煤田地质构造较为发育。该区现今地质构造格局主要为欧亚板块与太平洋板的板缘活动带控制。早期EW、NNE 向构造被后期的近 NS 向和 NWW 向断裂切割，形成菱形断块的隆坳构造系统。

1.2.1 断裂构造

淮北煤田区内主要断裂有丰沛断裂、废黄河断裂、宿北断裂、固镇-长丰断裂、西寺坡断裂等。淮北煤田地质构造如图2所示，宿北大断裂位于煤田中部，为东西向隐伏断裂，产状北倾，倾角为35°～75°，长约200 km；阜阳深断裂自北向南先后经亳州、涡阳、阜阳、阜南，与湖北麻城—团风断裂相连，全长约145 km，形成于喜马拉雅早期；岳集断裂产状东倾，倾角约70°，主要形成于燕山运动晚期，喜马拉雅晚期也有活动；刘庙断裂为隐伏断裂，长约110 km，形成于喜马拉雅中期。

1.2.2 褶皱构造

淮北煤田区内褶皱构造分布较多，且次级褶皱发育。褶皱轴向自南向北依次可分为南段北西向、中段近南北向与北段北东向。宿北断裂以北地区从东部向西部主要发育有贾汪向斜、闸河向斜、萧西向斜、永城背斜等；宿北断裂以南地区主要发育有宿东向斜、宿南向斜、宿南背斜、南坪向斜、童亭背斜、涡阳向斜等。

图2 淮北煤田地质构造图

1.3 水文地质特征

淮北矿区水文地质条件较为复杂，区内新生界松散冲积层直接覆盖石炭二叠纪煤系地层上，松散层砂层层数多、富水性强，且存在流砂层。基岩段含水层包括砂岩裂隙含水层和岩溶含水层。淮北煤田第三、第四系含水层和二叠系煤系砂岩裂隙含水层是威胁矿井建设安全的主要含水层。

1.3.1 新生界松散含水层

表土层含水层主要是第四系、新近系和古近系砂层、砾石层并夹有粘土层，从上往下可分为“一含”、“二含”、“三含”和“四含”，如表1所示。其中“一含”、“二含”接近地表，主要靠大气降水和地表径流补给；“三含”上下都有隔水层，特别是“三隔”厚度较大，透水性较小，隔水性能良好，因此“三含”与其他含水层一般没有水力联系；“四含”位于新生界松散层底部，其上部为含砂层粘性土，下部为含粘土砂(砾)层，厚度为15～35 m不等。由于“三隔”厚度较大，“四含”与上覆含水层之间水力联系较弱，补给来源不足，富水性弱至中等，但由于直接覆盖在煤系地层上，“四含”水可通过煤层顶板砂岩风化裂隙或回采裂隙进入矿坑，成为矿坑充水的主要水源之一。

表1 淮北矿区松散层含隔水层组划分实例

1.3.2 砂岩裂隙含水层

淮北矿区二叠系砂岩裂隙含水层是影响立井井筒施工的主要含水层。由于“四含”直接覆盖在风化壳之上，加上地质构造的影响，砂岩含水层与松散含水层存在水力联系。近年来淮北煤田井筒基岩段涌突水事故统计见表2。从统计数据可以看出，二叠系煤系砂岩裂隙含水层是影响淮北煤田基岩段立井井筒施工安全的主要含水层。特别是3#煤层下 K3 砂岩裂隙含水层，在建井过程中多次发生涌、突水事故。如卧龙湖矿主井井筒、刘桥一矿主井及副井、许疃矿副井水仓等。

1.3.3 灰岩岩溶裂隙含水层

区内煤系地层基底为石炭系太原组灰岩和巨厚中奥陶统灰岩。太灰和奥灰岩溶含水层具有水压高、水量大的特征，是威胁矿井安全生产的重要隐患之一。立井井筒设计和施工时，一般都尽量避开这两个灰岩含水层。太灰距离煤层大约60 m，且存在隔水层，对于完整底板来说不易突水，但是如果底板存在一些小导水断裂或者由于煤矿开采扰动使得那些阻水断裂在高水压、矿压和地应力等作用下相互沟通变成导水断层，与太灰特别是奥灰沟通后则极易产生危害巨大的底板突水。

表2 淮北煤田近年来井筒基岩段涌突水事故统计

2 淮北地区复杂地质条件对建井的不利影响

2.1 深厚表土层

淮北矿区表土层为新生界厚—巨厚松散冲积层，表土层所含的流砂层、卵石、砾石层等富水性强，涌水量大，对井筒建设造成了极大的困难。表土层中流砂层对井筒安全掘砌危害最大，砂层遇水流动，井帮极不稳定，立井施工不仅难以通过，而且井壁质量受其影响往往较差。对于部分井田黏土层厚度大的特点，在利用冻结法施工时其冻胀影响也不容忽视。同时，表土层固结沉降对井壁产生的竖向附加力对井壁抗压缩性提出了更高的要求。

2.2 基岩水文地质条件复杂

淮北矿区基岩水文地质条件较为复杂，含水层层数多，包括二叠系砂岩含水层、太原组薄层灰岩及奥灰；水压高、富水性强；断层、陷落柱等导水地质构造发育。针对基岩复杂的水文地质条件，如何有效对含水地层进行治理确保井筒安全穿过，是立井施工防治水的首要任务。

3 特殊凿井技术的应用

淮北矿区深厚表土层井筒施工多采用冻结法、钻井法等特殊施工方法。然而，基岩段涌水治理的两种基本方法是地面预注浆和工作面注浆。工作面注浆由于存在作业空间狭小，深部含水层治理效果难以保障，耽误建井工期等缺点，一般在井筒出水事故中使用较多。淮北矿区基岩含水层层数多，一般多采用地面预注浆进行堵水，注浆材料主要采用粘土水泥浆，而风化壳、破碎带采用单液水泥浆。下面将对钻—注平行技术在信湖煤矿主井井筒工程的应用进行介绍。

3.1 工程概况

安徽省亳州煤业有限公司信湖煤矿位于涡阳县西南，设计生产能力为300万t/a，附近公路可通亳州、淮北市和涡阳等，交通较为方便。矿区内设计主井、副井和风井3个井筒，均采用立井开拓方式。主井井筒设计深度1009.5 m，净直径6 m，表土层厚度421.75 m，主井表土段采用钻井法施工工艺，基岩段先采用地面预注浆法达到基岩段堵水及对不稳定地层加固的目的，后采用普通立井凿井法施工工艺掘砌到底。

3.2 地质条件及总体方案

信湖煤矿位于淮北煤田中的涡阳矿区，井田内地层自上而下为第四系、第三系、二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组。主井井筒表土段粘土层数较多，且多为粘性钙土及膨胀较强的灰绿色粘土，而砂层单层较厚，多含石英及石英长石；下部基岩段含水层较多，抽水试验及成果表明，井筒预测涌水量194 m3/h。根据上述地质条件，本井筒施工采用钻—注平行技术。

为了实现平行作业，地面预注浆采用直孔+S孔的注浆方式。其中，直孔段设计8个注浆钻孔，钻孔在地面均匀布置；S孔段设计6个注浆钻孔，根据钻井法钻机场地布置，与龙门吊轨道安全距离为3 m，注浆钻孔在钻机两侧插空布置，采用定向钻进技术确保钻孔落点进入注浆靶域设计范围；另设计4个分叉孔对双侧马头门巷道进行注浆加固。主井注浆起始深度与钻井段重合18 m，注浆终止深度超过井筒设计深度10.5 m。井筒钻—注技术参数如下：

钻井参数起止深度0～502m钻井荒径9m钻井段井壁厚度750mm直孔段注浆参数固管段深度484m起止深度484～648m距钻井荒径距离3mS孔段注浆参数固管段深度638m起止深度638～1020m落点圈径11m分叉孔孔数4个起止深度749.5～1009.5m注浆起止深度964.5～1009.5m

3.3 工程施工情况及效果分析

(1)钻孔质量分析。在钻进过程中，严格控制钻进参数，及时测斜及采取纠偏措施，从而保证各注浆孔偏斜率符合设计要求，并且钻孔在注浆圈径上分布大体均匀，在不同深度的落点也大体均布。

(2)注浆量分析。浆液注入量是井筒地面预注浆形成隔水帷幕的物质保证，是决定注浆堵水质量的基础。主井井筒注入浆液共计27007.5 m3，其中单液水泥浆4073.5 m3，粘土水泥浆22934 m3，各段注入量完全满足设计要求。井筒实际开挖时，实测剩余涌水量为3.5 m3/h，注浆堵水效果理想。

4 结语

井筒工程是矿井建设的咽喉，也是煤矿生产过程中联系地面与地下的重要通道，因此井筒施工质量和效率直接影响着矿井建设速度和安全生产。立井井筒施工需要穿越可采煤层上部所有地层，因此地质和水文地质条件直接决定着所采用的建井技术和施工难易程度。淮北矿区复杂的地质条件主要表现为松散层厚度大、砂层层数多，结构松散、富水性强；断层等导水地质构造发育、基岩段砂岩裂隙水、岩溶水威胁严重，这给矿井建设和煤炭开采过程带来困难和不利影响。近年来，冻结、注浆及钻井等特殊凿井技术在淮北矿区的数十个井筒成功地应用，对区内未来新井建设和其他地区煤矿建设具有重要意义。

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(责任编辑 郭东芝)

Geological characteristics of Huaibei coal field and the influence on vertical shaft construction

Wang Zhixiao

(1. Research Institute of Mine Construction, Tiandi Science and Technology Co., Ltd.,Chaoyang, Beijing 100013, China;2. Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

Currently, with the increasing of mining depth in Huaibei mining area, safety and rapid construction became ultimately important for vertical shaft. Combining with valuable construction experience of dozens of vertical shaft, geology and hydrogeological characteristics of Huaibei coal field were analyzed. The successful application of special shaft sinking technology in Xinhu Coal Mine provided some countermeasures for shaft construction problems in the future.

Huaibei coal field, geological characteristics, hydrogeological characteristics, vertical shaft construction

天地科技股份有限公司技术创新基金(KJ-2014-BJZM-03)

P618.11 TD262.6

A

王志晓(1984- )，男，河北衡水人，助理研究员，工程硕士，长期从事水文地质、注浆工艺等方面的研究工作。