山西龙顶山煤矿回风立井涌水原因分析及工程治理

陈光平

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，太原 030006)

山西龙顶山煤矿回风立井涌水原因分析及工程治理

陈光平

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，太原 030006)

龙顶山煤矿回风立井回风量减少，威胁矿井的安全生产。初步查明，回风立井周边的风化裂隙水、老空水从井壁不同深度溢出或流出形成水帘或水幕，在井下观测最大涌水量达26m3/h，是造成出水的主要原因。立井回风断面小，风机在负压状态下，把从井壁涌出的水随风带出立井到地面，未带出的形成水幕或水帘，影响了回风立井的回风量，是造成回风量减少的主控因素。通过帷幕注浆孔的施工，送入水泥水玻璃浆液在泵压的作用下，逐步将风化裂隙堵塞，减少回风立井的涌水量，无论低频、高频风机回风量已达到煤矿安全生产的要求。

涌水量；回风量；风化裂隙水；采空积水；帷幕注浆；龙顶山煤矿

0 前言

高平市龙顶山煤矿回风立井于2006年掘进完工，回风立井直径3.0m，深185.8m，竖井回风断面7.06m2。2014年9月18日发现回风立井回风量明显减少，对矿井安全生产有一定的影响。

通过下井实地调查分析，回风立井的井壁是用砂岩块碹，风化裂隙水和老空水沿砌块缝进入回风立井井壁，从不同深度溢出或流出形成水帘或水幕。在井下观测最大涌水量达26m3/h，井壁的涌水量对矿井回风有一定的影响。通过分析井壁涌水量增大的原因，对回风立井进行帷幕注浆治理工程设计，运用注浆手段进行堵水减少回风立井的涌水量，使竖井回风量达到安全生产的要求。

1 地质及水文地质条件

1.1 地形地貌

龙顶山回风立井位于井田的中北部位，周边为低山基岩沟谷地貌，南部为一近东西向沟谷，沟谷深达20m以上，汇水面积0.336km2。据当地气象局2001-2014年观测资料，年降水量为405.9～1 201.0mm，平均655.6mm，降水期多集中于每年的5～9月；年蒸发量为1 480.9～2 228.3mm，平均1 764.9mm，蒸发量为降水量的2～3倍。本区植被覆盖率高，以松树为主，井口位于半山坡上，周边没有第四系松散层，基岩风化裂隙发育，降水入渗条件好，见图1。

1.2 地层

龙顶山回风立井揭露地层由上到下有二叠系下统下石盒子组及山西组，石炭系上统太原组。含煤地层主要为山西组及太原组。

山西组厚度48.4m，岩性由黑色泥岩，深灰色砂质泥岩-粉砂岩和灰色、灰白色砂岩组成，含2、3号煤层，其中3号煤层为主要可采煤层，其余为不可采煤层。经过多年的开采，井田内3号煤层资源已经枯竭，形成大面积采空区。

图1 回风立井周边地形地质Figure 1 Landform and geology of periphery return shaft

太原组厚度71.3m，岩性为黑色炭质泥岩，深灰色-灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，灰色中细粒砂岩，深灰色石灰岩及煤层，含5、6、8、9、11、12、13、15号煤层，其中15号煤层为可采煤层，厚3.5m左右，9号煤层大部可采，其余为不可采煤层。矿井2006年底延伸开拓至15号煤层。

1.3 水文地质条件

依据对龙顶山煤矿回风立井周边的调查，立井周边150m范围内没有地表水。由于15号煤层底板高于当地奥陶系(O2)石灰岩岩溶水水位，不受O2岩溶水的危害。回风立井周边仅有下石盒子组(P1x)、山西组(P1s)、太原组(C2t)的砂岩、灰岩裂隙含水层，分析如下：

①下石盒子组和山西组砂岩裂隙含水层组。在井田中部山梁广泛分布，周边切割严重，地下水极易排泄，同时由于井田内3号煤层开采范围较大，这两个含水层地下水基本被疏干。

②太原组石灰岩岩溶裂隙含水层组。含水层以K2、K3、K4、K5灰岩及其之间的砂岩含水层为主，其中K2石灰岩平均厚度10.37m，其中部含水性较好。K3灰岩平均厚度3.80m，K4灰岩平均厚度3.48m，K5灰岩平均厚3.34m，局部相变为中砂岩。灰岩之间之中细砂岩厚度为2.89～5.26m。该组含水层静止水位埋深64.65m，水位降深57.95m时，涌水量0.203L/s，单位涌水量0.000 37L/(s·m)，渗透系数0.021 8m/d。水化学类型为HCO3·CI—Ca·Mg型。该含水层是15号煤层直接充水含水层。

区内地表基岩风化层极普遍，据注浆钻孔所见裂隙发育深度，不因风化覆盖厚度大小而变化，而是随岩性不同以及胶结物质差异而加深，基岩越疏松裂隙延深就越大。通过注浆钻孔的施工揭露立井周边在不同深度还有3号煤、9号煤层的老空区，并且有积水。

2 回风立井涌水量增大原因分析

2.1 概况

龙顶山煤矿回风立井于2006年掘进完工，矿井回风大巷宽4.5m，高4.0m，回风大巷断面为16～18m2；回风立井直径3.0m，深185.8m，竖井回风断面仅7.06m2。2014年9月18日发现回风立井回风量减少，进风量是5 300m3/min，回风量减少1 300～1 500 m3/min，威胁到矿井的安全生产。

该回风立井位于该矿工业广场的东南部，该地有采空区，施工过程中发现大量漏风、漏水现象，注浆量大，自建成后就沿井壁不同深度的砂岩或石灰岩风化裂隙带涌水，而且在负压的作用下加速了井壁风化裂隙的发育。该立井曾在2011年4月做过一次帷幕注浆治理工程，施工14个注浆钻孔，注浆孔深度47.0～48.3m，从2014年9月实地观察看，由于钻孔太浅，未达到治理效果。

2.2 涌水量增大原因分析

依据调查，回风立井的周边没有地表水流，也没有地表水池、水塘，其涌水主要来自采空区及大气降水通过井壁周边的砂岩、灰岩风化裂隙带或裂隙通道渗入到回风立井中。

2014年雨季降水量大，加之采空区积水量增大，2014年9月26日测量涌水量达26m3/h，从上至下观察回风立井井壁，在26、42、65、82m等不同深度有多处出水点，同时井壁在17、45、104、145m有五个不同体积水仓，分布在NE和近W方向，井壁涌水打在立井梯子上。

由于回风立井的过风断面仅有7.06m2，风速太高，形成的负压大，加剧了风化裂隙含水层中的水及采空积水流入立井的速度。在降水充沛时扩大了风化裂隙的发育，使得风化裂隙中的细粒物质在水流的冲击下，被带入立井。风化裂隙的强度、宽度被逐步增加，如此反复，风化裂隙在时间、水流强度、风机抽风负压的作用下不断增大，因而在矿井生产时，风机频率在45Hz时，风速最大时负压大，造成回风立井的涌水量增大；风机频率在20Hz时，风速变小负压变小，回风立井的涌水量也变小。

综上，回风立井周边的裂隙是风化裂隙水、采空积水进入立井的通道，要堵塞这些风化裂隙，只有通过帷幕注浆孔的施工，在泵压的作用下送入水泥水玻璃浆液，逐步将风化裂隙堵塞，以达到堵水的目的。

3 回风立井帷幕注浆设计

依据立井井壁地层岩性特点、水文地质条件分析，设计在立井周边打一圈帷幕注浆孔，采用立井帷幕注浆工艺，每隔1.5m施工一个孔，设计35孔，孔深156m。

由于在施工过程中发现有采空区，漏风、漏水严重，为保证注浆堵水效果，调整设计采用不同深度多分段施工工艺，即漏水、漏风就开始注。帷幕注浆孔设计剖面图及分段注浆示意图见图2。从实际堵水效果看，这一施工工艺符合龙顶山矿回风立井的实际情况。

4 回风立井帷幕注浆施工情况

4.1 帷幕注浆技术要求

本次帷幕注浆钻孔施工的难度是不能影响矿井生产，注浆时只能等到矿井生产调休时，注浆时风机频率要调到低频20Hz，风量小，负压小，在这种状况下施工对风机风叶的影响最小，其次注浆钻孔的施工离风井井壁要大于4.0m，否则在注浆压力达2.0MPa时，注浆液会沿风井水仓溢出浆液，风井井壁出现鼓包或坍塌，影响矿井的正常生产。

4.1.1 注浆设备

本次施工投入TSJ1000/435型钻机2台，TWB-850/5B泥浆泵4台，配套柴油机组3套，3.3m3水泥搅拌站一个，配套电机3个，电控柜一个，潜水泵2套，其它配套设备若干。

4.1.2 注浆工艺

根据裂隙发育及冲洗液的消耗情况确定强、弱裂隙发育带，依初步钻探注浆孔施工情况，并分析以前的注浆资料，强裂隙发育段在46～82m，本次注浆方案采用分段注浆。

本工程的注浆方式为分段下行式注浆法，孔口封闭静压注浆。每个注浆孔共分为多段注浆，从止浆套管底部至强裂隙发育段为一段，从82～156m弱裂隙发育段为第二段。依每个孔漏风、漏水情况而定。

4.1.3 注浆材料及注浆配制

水泥采用42.5#普通硅酸盐水泥，根据注浆需要采用水泥-水玻璃双液浆，水泥单液浆中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食盐作为早强剂。每次注浆前进行浆液的配比试验，提交浆液配方及其性能指标。

4.1.4 注浆施工

(1)分段下行注浆法中的多段根据钻孔中的实际情况决定注浆次数，钻进过程中若出现涌水量过大或钻孔遇见空洞裂隙冲洗液消耗过大需要停钻注浆，钻进中遭遇破碎带难以穿越时也可停钻注浆。

(2)每次注浆前，均要进行压水，根据压水试验结果，确定浆液类型及其浓度。后因漏水严重，许多孔没有进行压水。压水主要目的是疏通注浆管路及孔内岩石裂隙、测定单位受注层段吸水率。由于有15个孔的漏风，所有钻孔都漏水，因此依情况分多段注浆。

(3)本工程在实际施工中根据注浆量的大小决定注浆液类型，注浆量偏大时用单液浆，可考虑加早强剂或其他添加剂，注浆量过大时用C-S双液浆，C-S双液浆要求通过孔口混合器在孔口内混合。

图2 帷幕注浆孔设计剖面及分段注浆示意Figure 2 Curtain grouting borehole design configuration and sectional grouting schematic diagram

4.1.5 注浆结束标准

(1)注浆总压。为使浆液有适当的扩散范围，既不可将压力定得过低，造成漏注，也不可将压力定得太高，致使浆液扩散太远，造成回风立井井壁破坏，甚至刷大原有的裂隙通道，出现新的突破口，增加涌水量。根据以往注浆经验，本设计要求孔口压力为2.25MPa。

(2)注浆量计算。注浆压力1.35～2.25MPa。根据相关公式计算单孔注浆量。而在回风立井实际施工过程中，由于裂隙发育，又存在老空区，因而注浆量远远大于设计注浆量，17号孔的注浆量仅干粉水泥达到99t，水泥浆为132m3，填入石子21m3，这些施工状况的出现已远比设计时要复杂的多，大大增加了施工的难度和强度。

(3)注浆量标准。本设计注浆结束泵量为40～60L/min。当孔口压力达到注浆结束标准后，同时注浆量也满足注浆结束标准时，维持10min后，结束该段注浆。

4.2 帷幕注浆孔施工情况

在先期施工立井东部13号孔时，在孔深45、52.5m时漏水、漏风，发现进入采空区，注浆量巨大，随后采用分段漏水即注的施工工艺。根据本次施工钻孔可知基岩的风化深度达60～82m，施工过程中共发现了15个孔在采空区上漏水、漏风，其中在两个风筒中间的17号孔深85.98m注入水泥99t，石料21m3，经过分析本孔进入3号煤采空区，而且采空区体积巨大，经过4d的注浆和石子填料才使本孔达到2.0MPa压力。其它孔的注浆量依据裂隙发育程度，注浆量分别为6～44t，漏风的孔分别加注石粉或石子，加大水玻璃的量以缩短水泥浆的凝固时间，达到水泥浆堵塞裂隙通道的效果。

5 帷幕注浆效果

龙顶山回风井帷幕注浆工程共施工83d，完成施工注浆钻孔38个，钻探工程米总计3 226.86m，注入水泥696.5t，石粉127m3，石子39.4m3。

通过两个多月的施工，采用分段注浆施工工艺，回风立井的涌水量有明显减少，从2014年9月18日至2015年1月3日，回风立井的涌水量从26m3/h减少到4.6～8.6m3/h，风井井壁20～83.0m段涌水量已明显减少，没有集中出水点，同时无论低频、高频风机回风量已达到煤矿安全生产的要求。

6 帷幕注浆防治水工程存在问题

(1)由于有风机风筒的存在，受地形及设备、设施的限制，本次回风立井帷幕注浆工程未完成围绕回风立井形成一个圆的帷幕，因而在堵水方面留有两个裂隙缺口。

(2)帷幕注浆孔未完成设计钻孔156m的深度，大多数孔在80.0～91.0m，因此回风立井80m以下裂隙还没有封堵，是风井仍有水量的主要因素。

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ReturnShaftWaterGushingCausationAnalysisandEngineeringTreatmentinLongdingshanCoalmine,Shanxi

Chen Guangping

(Hydrogeological Exploration and Research Institute, Shanxi Coal Geological Bureau, Taiyuan, Shanxi 030006)

The decreasing of air-return in the Longdingshan coalmine return shaft is threatening safety in production. Preliminary investigation has shown that return shaft periphery weathering fissure water, gob water from different depths can form nappe or curtain. Underground observed maximum water inflow can be 26m3/h, thus the main causation of water gushing. Since the small section area of return shaft, under negative pressure state of the fan, can take a part of water inflow from shaft wall and bring out with wind to surface, the remaining can form nappe or curtain, thus the main control factor to decrease air-return. From curtain grouting boreholes, inject cement sodium silicate slurry, gradually plugging weathering fissures under pump pressure, thus decrease return shaft water inflow. Finally, regardless of low or high frequency air-return can achieve requirements of coalmine safety in production.

inflow of water; air-return quantity; weathering fissure water; gob water; curtain grouting; Longdingshan coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.07

1674-1803(2017)08-0039-04

陈光平(1962—)，男，重庆潼南人，工程师，从事地质勘查及矿井防治水工作。

2017-04-19

A

责任编辑：樊小舟