内蒙鄂尔多斯地区煤矿井筒深厚基岩冻结技术初探.pdf

第 31 卷第 3 期建 井 技 术 Vol 31 No 3 2010 年 6月 MINE CONSTRUCTION TECHNOLOGYJun 2010 内蒙鄂尔多斯地区煤矿井筒深厚基岩冻结技术初探 李春山, 王 杰 中煤第一建设公司特殊凿井处, 河北 邯郸, 056003 摘 要 介绍了内蒙鄂尔多斯地区煤矿井筒工程地质与水文地质情况。根据该地区工程 地质、 水文地质特点, 提出了井筒深厚基岩冻结措施, 并对该地区井筒基岩冻结设计参数的确 定提出了看法。 关键词 深厚基岩冻结; 煤矿井筒; 全深冻结; 冻结壁 中图分类号 TD2653 文献标识码 B 文章编号 1002 6029 2010 03003303 收稿日期 201006 05 近年来, 内蒙古鄂尔多斯地区新建了很多大 型煤矿。由于该地区表土层很浅, 井筒冻结主要 是针对深厚基岩, 与华东地区基岩冻结截然不同。 目前, 对该地区新建煤矿井筒冻结方案, 国内冻结 凿井工程界已形成了一个共识, 即最好是一次冻 全深。现结合该地区冻结井筒施工情况, 对该地 区煤矿井筒深厚基岩冻结技术进行探讨。 1 矿区工程地质情况 根据塔然高勒煤矿、 母杜柴登煤矿、 胡芦素煤 矿、 门克庆煤矿等的工程地质报告, 鄂尔多斯各矿 区地层描述差别不大。以胡芦素煤矿为例, 地层 自上而下为 1 第四系 按其成因, 矿区内第四系地层可分为湖积物、 风积砂两类, 不整合于其他老地层之上。湖积物 主要由淤泥和各种粒级的砂组成, 主要分布在湖 盆及较大的积水凹地中。风积砂主要由砂和亚砂 土组成, 基本全区分布。 2 白垩系下统志丹群 岩性组合为浅紫、 粉红色细砂岩与灰白色中 细砂岩互层, 岩石成分以石英、 长石为主, 分选及 磨圆度较差, 泥质胶结, 具大型槽状、 板状交错层 理。底部为黄绿色粗砂岩及灰黄绿色砾岩、 砂砾 岩, 含砾粗砂岩互层, 局部夹泥岩, 具平行层理, 泥 质和钙质胶结, 与下伏直罗组地层呈不整合接触。 3 侏罗系中统安定组、 直罗组 上部安定组地层为灰紫、 暗紫色泥岩, 中夹灰 绿色砂质泥岩、 粉砂岩互层; 下部直罗组地层为灰 绿、 青灰色中粗砂岩, 含炭屑, 中夹粉砂岩、 砂质泥 岩, 局部含有薄煤线, 与下伏延安组地层呈平行不 整合接触。 4 侏罗系中统延安组 井田内延安组地层为主要含煤地层, 含 5 组 2, 3, 4, 5, 6 20 层煤, 其中有 8 层可采煤层。该 组地层按其沉积旋回可划分为 3 段 上部为灰白 色高岭土质胶结的细砂岩、 粉砂岩, 局部相变为砂 质泥岩和泥岩; 中部为浅灰色、 灰色厚层状砂岩, 薄层粉砂岩、 泥质粉砂岩、 砂质泥岩; 下部为灰白、 灰色粗砂岩和含砾粗砂岩, 主要成分为石英、 长 石, 泥质及高岭土质胶结, 与下伏延长组地层呈平 行不整合接触。 5 三叠系上统延长组 延长组地层为煤系地层沉积基底, 区内无出 露, 以灰绿色中、 细砂岩为主, 主要成分为石英、 长 石, 含岩屑及少量暗色矿物, 分选较差, 泥质填隙, 大型板状、 槽状交错层理发育, 为典型的曲流河沉 积体系。 2 矿区水文地质情况 以胡芦素煤矿为例 1 第四系全新统风积砂层孔隙潜水含水层 岩性为灰黄色、 黄褐色中细粉砂岩, 结构松 散; 厚 4 50 61 58m, 平均 2557m。富水性强, 透水性能良好, 地下水水质良好。地下水位埋深 0 77 1 26m, 水位标高 1 30528 1 30592m, 最大水位降深 8 55 9 06m, 钻孔涌水量 Q 19 913 39 348L/ s, 单位涌水量 q 2 198 4 602L/ s m , 渗 透 系 数 K 10609 建 井 技 术 2010 年第 31 卷 22 113m/ d, 水温 11 。 该含水层与大气降水水力联系密切, 有利于 大气降水的渗入补给; 与下部白垩系下统志丹群 含水层也有一定的水力联系, 为矿床的间接充水 含水层, 为井筒的直接充水含水层。 2 白垩系下统志丹群孔隙 裂隙 承压水 含水层 岩性为各种粒级的砂岩、 含砾粗砂岩夹砂质 泥岩, 井田内没有出露; 厚 6540 68 30m, 平均 66 85m。富水性中等 强, 极不均匀。地下水位 高出地面 3 91 395m, 水位标高 1 310 00 1 310 23m; 钻孔涌水量 Q 7 279 10 826L/ s, 单位涌水量 q 0 302 0304L/ s m , 渗透系 数 K 0488 0 505m/ d, 水温 15 。由于没有 较好的隔水层, 该含水层与上、 下部含水层均有一 定的水力联系, 为矿床的间接充水含水层, 为井筒 的直接充水含水层。 3 侏罗系中统安定组、 直罗组碎屑岩类承压 水含水层 下部岩性为青灰色、 浅黄色中粗砂岩, 杂色粉 砂岩及砂质泥岩; 上部岩性为紫红色、 灰绿色中粗 砂岩、 砂质泥岩夹粉砂岩及细砂岩。分布广泛, 没 有出 露。安 定 组 含 水 层 厚 1230m, 涌 水 量 22 222L/ s, 富水性弱, 地下水径流条件差。根据 3号井检孔抽水试验成果, 安定组含水层地下水 位标高 1 307 14m 高出地面 0 82m , 钻孔最大 涌水量 Q 0912L/ s, 单位涌水量 q 0022 7 L/ s m , 渗透系数 K 0144m/ d, 水温 18 。 该含水层与上部承压水含水层有一定的水力联 系, 与下部承压水含水层水力联系较小, 为矿床的 间接充水含水层, 为井筒的直接充水含水层。 4 侏罗系中统延安组顶部隔水层 位于 2 组煤顶板以上, 主要由灰色泥岩、 砂质 泥岩等组成, 厚 5 0 1073m, 平均 8 36m。厚度 较稳定, 分布较为连续, 隔水性能良好。 5 侏罗系中统延安组碎屑岩类承压水含水 层 岩性主要为浅灰色、 灰白色的各粒级砂岩, 灰 色、 深灰色砂质泥岩、 泥岩及煤层。全井田赋存, 分布广泛, 地表没有出露。地下水位埋深 14 72m, 水位标高 1 29246m, 水位降深 8 43 26 76m。 钻孔涌水量 Q 0281 0 912L/ s, 单位涌水量 q 0033 3 0034 1L/ s m , 渗透系数 K 0 027 1 0 033 0m/ d, 水温 18 。该含水层为 矿床的直接和主要的充水含水层, 为井筒的直接 充水含水层。 3 工程地质、 水文地质特点及冻结措施 根据对鄂尔多斯地区几个矿井地质报告的分 析, 对冻结工程而言, 该地区工程地质及水文地质 有以下几个特点 1 第四系地层普遍为风积砂, 很容易造成井 筒试挖期间井壁片帮, 甚至出现 脱裤子∀现象。 为解决这一问题, 在冻结工程施工中, 布置 1 圈防 片帮孔是十分必要的。 2 井筒所穿地层主要为深厚基岩, 给冻结造 孔施工带来了极大困难, 施工效率低。此外, 为保 证井筒掘进中的放炮安全距离, 还要严格控制冻 结孔向井内偏斜。 3 基岩抗压强度低, 遇水软化, 甚至坍塌。 胡芦素矿井地质报告描述如下 岩石抗压强度很 低, 平均在 30MPa 以下; 抗剪与抗拉强度则更低。 砂质泥岩类吸水状态抗压强度明显降低。大多数 岩石遇水后软化变形, 甚至崩解破坏, 软化系数大 部分小于 075, 均为软化岩石。其余诸多矿井也 有类似描述。这一特点与华东地区的基岩有很大 差别。因此, 在鄂尔多斯地区冻结基岩, 不仅要 封住水, 而且必须保证冻结壁有一定的强度和 厚度。 4 根据对井筒水文地质报告的分析, 该地区 井筒各主要含水层之间没有很好的隔水层, 各含 水层之间互相串通。根据这个特点, 冻结工程应 是全深齐腿冻结, 不宜采用差异冻结方案 当然还 要看是否有良好的隔水层 。 5 井筒需要冻结煤层。根据对测温数据的 分析, 煤层冻结发展速度很慢, 仅为 8 10mm/ d, 这也是支持井筒全深冻结的一个依据。同时, 煤 层中还要严格控制冻结孔最大间距, 以保证煤层 段的封水效果。 6 该地区很多井筒为全深冻结, 冻结管穿过 井筒马头门。为此, 需对冻结管与围岩间的环形 空间进行充填, 以防井筒到底, 冻结壁自然解冻 后, 大量涌水通过 环形空间∀涌入井底, 给施工安 全带来威胁。因该地区气温低, 已完工的钻孔工 程施工中, 采用泥浆、 水泥材质的浆液充填都没有 取得成功。目前, 我单位正在进行试验研究, 有望 在门克庆冻结工程中解决这一难题。 4 矿区煤矿井筒冻结设计主要参数 1 冻结壁平均温度及厚度 34 第 3 期 李春山, 等 内蒙鄂尔多斯地区煤矿井筒深厚基岩冻结技术初探 根据施工经验, 确定井筒冻结壁设计平均温 度为-10 ; 采用有限段高强度极限状态, 按强度 条件下段高公式计算冻结壁厚度。鄂尔多斯地区 几个井筒冻结壁厚度见附表。 附表 鄂尔多斯地区几个井筒冻结壁设计厚度 井筒名称 冻结深度 /m 净直径 / m 最大掘进 直径/ m 冻结壁 厚度/ m 虎豹湾主井6216 09 22 5 母杜柴登副井7219 414 63 0 塔然高勒副井6239 011 63 0 泊江海子主井5569 513 13 3 胡芦素副井52510012 93 5 门克庆主井8029 612 64 8 门克庆风井7478 010 54 0 根据井筒冻结深度、 井筒净直径和最大掘进 直径, 冻结壁厚度取 35 45m 是安全可靠的。 2 盐水温度 积极冻结期盐水温度取-30 -32 , 维护冻 结期盐水温度取-24 -26 是比较适宜的。 3 冻结孔布置 防片帮孔根据深度, 应布置在井筒掘进直径 外 1 0 1 2m 处; 深度应穿过风积砂, 进入基岩; 开孔间距不应超过 25m。主冻结孔根据冻结深 度的不同, 应布置在井筒最大掘进荒径外 2 5 3 2m 处, 开孔间距不应超过 1 4m。冻结管宜采 用 140mm 或 159mm 无缝钢管。 4 冻结站装机容量应有一定的富裕系数。 冻结初期, 积极降低盐水温度对保证冻结效果是 十分有利的。在泊江海子煤矿主井井筒冻结工程 中, 采用了大直径 159mm 冻结管; 冻结初期, 积极降低盐水温度; 仅冻结了 24d, 井筒就正式开 挖了, 取得了良好的效果。 作 者 简 介 李春山 1975 , 男, 工程师。2000 年 7 月毕业于河北建筑 科技学院, 现从事冻结工程设计工作。 上接 12 页 2 贯通导线闭合差 fx 0 065m, f y 0061m, f s 0 098m; f -16 2 ∃, f s/ [ S] 1/ 20 000 1/ 6 000。 可见, 贯通偏差不影响巷道正常使用, 精度较 高, 达到了预期目的。 8 施测安全措施 1 井筒内作业时, 井上、 井下应设专人负责 安全管理, 专人负责信号联络; 要看管好井口及各 中段马头门, 非工作人员不得在井筒附近停留; 禁 止上、 下中段混岗同时作业。 2 井筒内人员应配带安全带, 并应严防物件 掉入井筒。 3 按测量规范要求, 应及时下达安全贯通通 知书。各单位要采取相应措施, 确保人员和设备、 设施安全。 9 结 语 该项工程的顺利贯通, 为条件类似的矿山工 程贯通测量提供了经验。 1 导入高程与投点定向同步进行, 联合陀螺 定向的技术, 可减少测量设备, 简化施测程序, 大 大缩短井筒占用时间和测量人员在井下的工作时 间, 提高联系测量工效和企业经济效益。 2 复杂条件下的大型贯通, 应有优化了的准 确的贯通误差预计图。它是贯通测量的蓝图, 是 工作依据, 是确保贯通顺利完成的基础设计。合 理优化贯通预计误差, 可把误差控制在最小允许 范围内。 3 大型贯通工程中的各项测量工作, 检核条 件要尽可能地增加, 以免出现测量粗差, 影响测量 成果的精度和可靠性。 4 该深井矿山贯通测量, 由于地面和井下高 差达 950m, 在进行导线计算时, 要将导线边长归 化到-900m 中段投影面。 [ 参考文献] [ 1] YSJ415-93, 有色金属矿山井巷工程测量规范[ S] 作 者 简 介 杨玉访 1973 , 男, 广东英德人, 工程师。1996 年 7 月毕 业于南方冶金学院, 主要从事矿山测量技术与管理工作, 已发表 论文多篇。 35