王坡煤矿回风立井涌水探查与治理实践

王展

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

1 概 况

王坡煤矿位于山西省泽州县下村镇境内，矿井目前开采3 号煤层，水文地质类型中等。井下无长期涌（出）水点，矿井涌水主要来自于3 号煤层顶板砂岩裂隙含水层水，3 号煤层导水裂隙带影响范围内含水层属弱富水性含水层，矿井涌水量约为15～35 m3/h，平均23 m3/h。2021 年汛期，晋城市遭遇多轮强降雨，降水量大、持续时间长，矿井涌水量呈明显增大趋于，由25.5 m3/h 增大至87.7 m3/h。矿井涌水量增大点主要为上寺头回风立井，大量地表水向井筒内渗透，井筒被破坏，造成井筒涌水量异常增大，不仅增大了煤矿生产成本，同时给矿井通风造成较大压力，给矿井安全生产带来隐患。为有效治理因强降雨形成的导水通道，王坡煤矿位决定开展上寺头回风立井地表水渗透治理研究。

2 上寺头回风立井涌水探查

2.1 上寺头回风立井情况

上寺头回风立井矿区东侧矿界边部，总的地势为北西高南东低，最高点位于风井北侧的山梁上，海拔标高1 272.6 m，最低点位于风井南部寺头河沟底，海拔标高900—1 005.3 m。寺头河属于长河支流，为季节性地表径流，只有在雨季有洪水流过。井口标高约为+1 007.28 m，高于该处最高洪水位（标高约为+985 m）。上寺头风井井筒净直径4.5 m，净断面15.90 m2，垂深420 m。井壁施工工艺为每次施工至稳定岩层时，做0.50～0.70 m 混凝土圈梁，圈梁上部采用石砌，厚度约0.30～0.40 m；然后继续施工至稳定岩层，再做混凝土圈梁，上部依然为石砌，依次重复，建井时井壁未做防水处理。井筒内使用树脂锚杆固定有梯子间。施工过程中各含水层渗水量均较小，均属于低渗透含水层。

上寺头回风立井北部存在一古滑坡体，古滑坡为中型岩质滑坡，滑体的前缘已抵到了寺头河对岸的斜坡坡脚，已无滑动空间，属稳定滑坡。滑坡体地表大多为第四系上更新统黄土，其下为上石盒子组三段、二段泥岩、砂岩，其中可见滑动痕迹，岩层不连续，裂隙发育。

2.2 水文地质钻孔涌出探查

在收集矿井水文地质资料和野外踏勘的基础上，施工水文地质探查钻孔探查涌水层，并辅以测井、地形图绘制、水文地质调查等手段，为后续涌水治理提供依据。

在上寺头回风立井10 m 处施工1 个水文地质探查孔，以揭露井筒地表水渗透位置及层位为主，配套水文测井和常规测井，确定含水层层位以及流量。钻孔开孔用φ146 mm 钻头钻进至基岩，后用φ89 mm 钻头施工至终孔层位。水文地质探查孔施工总进尺368.64 m，进行全孔段取心，取心结果见表1 和图1。观测钻进中水位变化，提钻后下钻前各测水位1 次，钻孔冲洗液为清水，每小时观测1次冲洗液消耗量。ZK3-1 孔水位观测总次数为114次，冲洗液消耗量观测总次数为342 次。

图1 水文地质钻孔不同地层取样样品Fig.1 Hydrogeological drilling hole sampling samples of different strata

表1 ZK3-1 钻孔岩心采取率统计Table 1 Statistics of core utilization rate of ZK3-1 drilling hole

3 探查工作成果分析

3.1 地表水渗透层段

通过观测钻进冲洗液消耗量、岩心裂隙发育特征，结合水文流量测井分析判断上寺头回风立井地表水渗透层段。

3.1.1 水文流量测井

采用速度刻度法计算各含水层水量，结果见表2。

表2 分层涌水量、吸水量计算Table 2 Calculation of layered gashing water and water absorption

3.1.2 岩芯特征

（1）0～52 m 地表水渗透层段。地层层位为第四系松散层、上石盒子组二段上部。岩芯含棕色、棕黄色较多，随深度的增大，棕色含量减少；总体破碎，RQD 值15%～65%，砂岩、泥岩中均发育裂隙，裂隙面可见铁质浸染的特征推测，该地段岩层裂隙为地表水流经通道，这些裂隙的形成与上寺头古滑坡有关。

（2）52～76 m 泥岩、泥质粉砂岩隔水层。地层层位为上石盒子组二段，岩性以泥质粉砂岩、泥岩为主，夹砂岩，岩芯完整，RQD 值39%～78%，结合水文测井未测出含水层，综合推断该段是较好的隔水层。

（3）76～120 m 渗透层段。地层层位为上石盒子组二段下部。岩芯颜色以青、青灰色为主；总体较完整，RQD 值27%～70%，裂隙主要发育在砂岩中，泥岩中少见裂隙，裂隙两侧较干净，推测该渗透层段以正常的石盒子组砂岩裂隙含水层为主。

3.1.3 冲洗液消耗量

ZK3-1 钻孔简易水文观测冲洗液消耗量342次，全孔不同深度处消耗量变化如图2 所示。

图2 水文钻探消耗量与水位趋势线Fig.2 Hydrological drilling consumption and water level trend line

从图2 可知，冲洗液消耗量有小变大突变点有10 个，推测为10 个漏水点，见表3。

表3 冲洗液消耗量突变点Table 3 Mutation point of flushing fluid consumption

根据上寺头回风立井周边水文地质条件，结合钻进冲洗液消耗量突变点、钻孔岩芯裂隙发育特征、水文测井成果综合推断，上寺头回风立井地表水渗透主要有2 个出水层段。

（1）0～52 m：有4 个冲洗液消耗量突变点，水文测井在46.85～52 m 划分出4 个吸水层，该段岩层砂岩含量较多，裂隙增大，推断为导水含水层。

（2）76～120 m：有6 个冲洗液消耗量突变点，水文测井未测出含水层。

3.2 地表水渗透水源

3.2.1 地表水渗透原因

上寺头古滑坡导致岩层裂隙发育，上石盒子组中的泥岩、粉砂质泥岩失去隔水层作用，使得第四系松散层含水岩组与上石盒子组二段砂岩裂隙含水岩组联通，共同形成一个直通地表的潜水含水岩组，直接接受雨水补给。上寺头回风立井位于古滑坡的南部，揭穿滑坡体含水岩组，建井时井壁未做防水处理，造成风井出现地表水向井筒内渗透现象。在枯水期，含水岩组水位低，井筒内地表水渗透量较小；丰水期，含水层水位高，井筒地表水渗透量较大。2021 年雨季是晋城几十年一遇的强降雨季节，大量雨水直接补给滑坡体含水层，造成了井筒周围地表水渗透严重。

3.2.2 水质分析结果

采取井筒内水样1 件，3 个调查民井各1 件。3 个水井样，水质类型为HCO3·SO4-Ca 型，矿化度为257～581 mg/L；井筒水样，水质类型为HCO3·SO4-Na·Ca 型，矿化度为321 mg/L。二者均是来自沉积岩区地下水的特征，水井水样Na 离子含量低5～9.15 mg/L，井筒水样Na 离子含量高64.52 mg/L，由此推断井水来源更接近地表，井筒水源有地层砂岩裂隙水参与。

4 涌水治理方案

上寺头回风立井承担着王坡煤矿井下通风生产任务，井内管路较多，不具备停产、停风实施井壁注浆止水条件。因此根据井筒井上下周边建筑、设施以及水文地质条件，选用地面钻孔注浆方法进行井筒涌水治理。

0～52 m 地表水渗透层段，处于上寺头古滑坡形成的潜水含水层中，该含水层直接受雨水补给，其地表水渗透量的大小与降雨量大小成正比。此次勘查施工的ZK3-1 孔，静止水位44.2 m，随着雨季的到来，古滑坡体含水层水位上升，井筒地表水渗透量剧增，因此，该渗透层段是止水工程治理的主要对象。76～120 m 渗透层段，其含水层为石盒子组砂岩裂隙含水层，水量一般较小，是上寺头回风立井地表渗透的次要水源，根据0～52 m 层段治理止水效果布置治理工程。

4.1 注浆钻孔布置

针对前文确定的2 个地表水渗透层段，注浆钻孔围绕井筒布置3 圈，如图3 所示。第一圈距离井筒外壁5 m、第二圈7 m、第三圈9 m，分2 个阶段施工，第一阶段施工第一、第二圈注浆钻孔，第二阶段施工第三圈注浆钻孔。

图3 注浆钻孔布置示意Fig.3 Grouting drilling hole layout

（1）0～52 m 地表水渗透层段，含水层为上寺头古滑坡形成的潜水含水层，其导水裂隙相对不均匀，按浆液扩散半径2 m 布置注浆钻孔，每圈布置12 个注浆孔，共布置36 个注浆孔，编号双数钻孔为与76～120 m 治理层段共用钻孔。注浆后确保在井筒外侧形成2～4 m 厚的止水帷幕。

（2）76～120 m 渗透层段，含水层为上石盒子组二段下部砂岩裂隙含水层，砂岩裂隙相对均匀，一般水量较小，按浆液扩散半径4 m 布置注浆钻孔，每圈施工6 个注浆孔，共布置18 个注浆孔，即编号双数钻孔。

此次治理设计注浆钻孔36 个，总进尺3 096 m。第一个阶段施工第一圈和第二圈钻孔，钻孔总数24 个，总进尺2 064 m，其中单数钻孔12 个，孔深52 m，进尺624 m；双数钻孔12 个，孔深120 m，进尺1 440 m。第二阶段为施工第三圈钻注孔，钻孔总数12 个，总进尺1 032 m，其中单数钻孔6 个，进尺312 m；双数钻孔6 个，进尺720 m。

4.2 注浆量

参照《立井井筒地面预注黏土水泥浆技术规范》，结合以往施工经验选取相应参数，计算单孔注浆量。

式中：R 为浆液扩散半径，取2 m；L 为注浆长度，即孔深52 m 和120 m；n 为地层空隙率，一般取值1%～3%，此次取2%；a 为地层填充率系数，一般取值0.7～0.9，此次取0.85；β 为浆液消耗量，取1.1。计算结果见表4。

表4 注浆量估算Table 4 Estimation of grouting amount

经计算总注浆量为727.16 m3，包括在注浆过程中，液浆向注浆孔孔壁周围、上覆岩层裂隙的渗透损失以及空隙渗透填充的浆液损失等。

4.3 钻孔注浆施工顺序

施工前收集风井内地表水渗透水量，施工中每天收集并记录风井内地表水渗透水量，根据水量情况即时调整施工顺序。施工分2 个阶段，第一阶段完成第一圈和第二圈钻孔注浆，根据施工过程中渗透水量的变化情况，判断止水效果，确定或调整第三圈施工孔数。

（1）先施工第一圈钻孔，再施工第二圈钻孔，根据钻孔编号单、双分序次施工，先施工单数编号钻孔，后施工双数编号钻孔，对角钻孔，钻1 孔注1 孔，避免相邻孔串浆而影响钻孔效率和注浆质量。

（2）安全出口两侧1-4 号钻孔以及风井通道两侧1-10、1-11 号钻孔，根据周边钻孔注浆量和止水效果，采用斜孔施工，施工角度为1-4、1-10号钻孔倾斜角度1°，1-11 号钻孔倾斜角度2°。

（3）布置在风井地面建筑风井通道钻孔位置，可根据建筑物的影响向两侧微调。2-4 号钻孔布置在安全出口上方，2-10 号钻孔布置在风井通道上方，可在第二圈钻孔注浆后期施工，根据风井通道两侧钻孔注浆量和止水效果调整孔位。

4.4 注浆材料及注浆孔结构

注浆止水材料选择既要考虑材料的可注性、凝胶时间的控制、存放和操作难易等因素，又要根据地面注浆量和井筒内壁所能承受的最大压力。此次注浆采取以单液水泥浆为主，水泥-水玻璃（或速凝剂）双液浆相结合的注浆止水方法，兼顾止水与加固井筒的双重效果。

钻孔结束后，采用φ60 mm 钢管，在管子前端20～30 cm 处焊接一圆形法兰托盘（托盘直径120～130 mm），下入孔内变径处，松动原φ127 mm 护壁管，再灌入水灰比为1∶1.5～1∶1.2 的稠水泥浆，然后起拔护壁管，φ60 mm 钢管要高出地面0.5 m，并在管口安装堵头。浇铸质量要求达到注浆过程中浆液不会从孔口管外溢出，为加速注浆管与孔壁固结，可在水泥浆液中加入水泥重量3%～5%的速凝剂。注浆孔结构及浇注孔口管如图4所示。

图4 注浆孔结构及孔口管示意Fig.4 Grouting hole structure and orifice pipe diagram

5 治理效果

经过前期涌水探查、渗透水源和渗透漏水层段分析，采取3 圈钻孔注浆止水治理方案后，井筒涌水量逐渐减少，如图5 所示。经过2 个多月的涌水治理，上寺头回风立井井筒涌水量由80 m3/min 降至25 m3/min，并且经过2022 年雨季检验，井筒涌水量未见明显增加，说明上寺头回风立井井筒涌水治理效果良好，实现了对涌水水源的有效封堵和隔绝。

图5 上寺头回风立井井筒涌水量变化Fig.5 Variation of gashing water in Shangsitou return air shaft

6 结论

（1）王坡煤矿上寺头回风立井采用钢筋混泥土圈梁加石块浆砌而成。因处上寺头古滑坡南部，受滑坡作用，滑坡体岩层裂隙发育，使上石盒子组二段砂岩裂隙含水层与第四系松散层孔隙含水层形成一个厚大的潜水含水层，直接接受雨水补给。上寺头回风立井揭穿滑坡体潜水含水岩层，建井时井壁未做防水渗透处理，造成了井筒地表水渗透现象。

（2）上寺头回风立井地表水渗透主要有2 个出水层段，即0～52 m 和76～120 m。与建井施工过程中，100 m 以上涌水量较大，100～200 m 涌水量较小，200 m 以下几乎没有涌水，基本一致。

（3）实践检验，上寺头回风立井井筒涌水量方案合理可靠，实施后井筒涌水量由80 m3/min 降至25 m3/min，实现了对涌水水源的有效封堵。