内蒙鄂尔多斯地区煤矿井筒深厚基岩冻结技术初探.doc

第31卷第3期 建 井 技 术 Vo l 31 No 3 2010年 6月 M IN E CO N ST RU CT IO N T ECH N OL O GY Jun 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T D265 3 文献标识码B 文章编号1002 6029201003 0033 03 收稿日期2010 06 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2,3,4,5,620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 5061 58m,平均25 57m 。富水性强,透水性能良好,地下水水质良好。地下水位埋深0 771 26m,水位标高1305 281305 92m,最大水位降深8 559 06m,钻孔涌水量Q 19 91339 348L/s,单位涌水量q 2 1984 602L/s m ,渗透系数K 10 609 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65 4068 30m,平均66 85m。富水性中等强,极不均匀。地下水位高出地面3 913 95m,水位标高1310 00 1310 23m;钻孔涌水量Q7 27910 826L/s,单位涌水量q0 3020 304L/s m,渗透系数K0 4880 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12 30m,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1307 14m高出地面0 82m,钻孔最大涌水量Q0 912L/s,单位涌水量q0 0227 L/s m,渗透系数K0 144m/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5 010 73m,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1292 46m,水位降深8 4326 76m。钻孔涌水量Q0 2810 912L/s,单位涌水量q 0 03330 0341L/s m,渗透系数K 0 02710 0330m/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30M Pa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0 75,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810m m/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52510 012 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3 54 5m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 01 2m处;深度应穿过风积砂,进入基岩;开孔间距不应超过2 5m。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 140m m或 159m m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 f x0 065m,f y0 061m,f s0 098m; f -16 2∃,f s/[S]1/200001/6000。 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]YS J415-93,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