鶴煤九礦F1斷層組探查與注漿改造技術研究

馮科技

（河南能源鶴煤公司雙祥分公司，河南 鶴壁 458000）

鶴煤九礦3200工作面地質、水文地質條件復雜，工作面切眼附近F1斷層成組發育，斷層落差大，底板隔水層薄。在采動應力作用下，下伏高承壓水沿斷層帶導水通道向工作面充水，嚴重威脅礦井安全生產。經研究、論證采取“鉆探控制—注漿改造—回采驗證”的防治技術，對底板下伏高承壓水進行防治，封堵導水通道，切實消除水害隱患。通過近兩個月的實施和回采驗證，探明了斷層組位置、落差、導水性，并對斷層帶附近導水通道進行了注漿封堵，切斷了與下伏高承壓水的水力聯系，增強了底板整體抗水壓強度，成功消除了底板高承壓水對礦井安全的威脅，為礦井安全正常接替奠定了基礎。

1 工程概況

鶴煤九礦屬改擴建礦井，礦井設計生產能力60萬t/a，所采煤層為二疊系山西組二1煤層[2]。3200工作面位于礦井32采區，靠近F1斷層組防隔水煤柱線，地質條件復雜。工作面切眼附近斷層發育，主要有F1、F1-1、F139斷層，呈階梯狀成組分布。根據周圍巷道實際揭露資料結合礦井生產地質報告資料分析，斷層落差0～40m，均為張性正斷層，斷層帶寬度不一，以泥巖碎屑充填為主，向深部導水性不詳。其中F1、F1-1斷層均按《煤礦防治水細則》要求留設有防隔水煤巖柱。根據F1斷層組產狀及力學性質，為確保3200工作面安全回采，防止由于采動應力影響造成斷層帶滯后突水，經研究、論證在工作面下部的3200底板抽放巷布置鉆場，對F1斷層組進一步控制，對深部斷層帶導水性進行探查，消除底板水害對礦井的威脅。通過近兩個月的實施，探明了斷層位置，對存在導水通道的F1斷層進行了注漿封堵，切斷了與下伏高承壓水的水力聯系，增強底板隔水層抗水壓強度。經工作面回采驗證，未出現底板出水現象，確保了礦井安全生產。

1.1 地質、水文地質條件

1.1.1 地質概況

3200工作面地質構造復雜，總體為一單斜構造，處于龍宮背斜東翼附近，工作面切眼附近成組分布F1、F1-1、F139斷層。

F1正斷層：位于3200工作面東部邊界，延伸長度 2.4km，產狀 280～298°，∠ 70°，H=0～40m。

F1-1正斷層：為F1斷層分支，延伸長度0.26km，產狀100～260°，∠70°，H=0～25m。

F139正斷層：位于3200工作面北部附近，產狀277°，∠70°，H=10～15m。根據3200切眼和-530軌道暗斜井實際揭露，落差均大于20m，斷層帶寬度0.4～0.6m，斷層帶內巖性破碎。

1.1.2 水文地質條件

3200工作面直接充水水源為二1煤層頂底板砂巖裂隙水，間接充水水源為太原組上段灰巖含水層（C2L8、C2L2）。巷道掘進過程中，在斷層和裂隙發育處可能出現頂底板淋、出水現象，水量較小易于疏干。在構造復雜地段，如存在斷層等導水通道，可能與下伏奧陶系灰巖聯通，對礦井造成威脅。

根據地面水文鉆孔觀測數據，C2L2灰巖含水層水位標高為+136m，3200工作面所處標高為-547.6m～ -555.2m，二1煤層底板至C2L2灰巖含水層間距為130m。煤層底板隔水層所承受的水壓理論計算為8.1～8.2MPa，為典型的高承壓水。

1.2 突水危險性分析

1.2.1 突水系數[3]

根據《煤礦防治水細則》計算3200工作面的突水系數為：

T=P/M=8.2÷130=0.063

式中：

P-煤層底板隔水層所承受的水壓，8.2MPa；

M-煤層底板至C2L2灰巖間隔水層厚度，130m。

3200工作面突水系數大于臨界值0.06，存在突水威脅。

1.2.2 安全水壓

根據《煤礦防治水細則》計算3200工作面的安全水壓值為：

P安=T×M=0.06×130=7.8MPa

式中：

P安-安全水壓，MPa；

TS-突水系數，一般情況下，在具有構造破壞的地區按0.06計算，隔水層完整無斷層構造破壞地區按0.1計算；

M-煤層底板至C2L2灰巖間隔水層厚度，130m。

即3200工作面帶壓開采的安全水壓為7.8MPa，實際煤層底板隔水層所承受的水壓為8.1～8.2MPa，大于安全水壓。因此，為防止F1、F1-1、F139斷層組受采動影響后形成突水通道，需對F1斷層組進行探查和注漿改造封堵導水通道。

2 工程實施

2.1 鉆探控制

2.1.1 鉆場布置

鉆場布置在3200底板抽放巷，共設計2個鉆場，1號鉆場以探查和加固F1-1、F1斷層為主，2號鉆場重點對F1、F139斷層進行立體式加固，封堵受采動影響可能形成的導水通道（見圖1）。

圖1 鉆孔布置示意圖

2.1.2 鉆孔參數（見表1）

2.1.3 鉆探施工技術要求

（1）為控制F1、F1-1斷層準確位置，先施工1號鉆場1-1孔，取芯鉆進。

（2）鉆孔施工工序：鉆進→下一級套管→固管→透孔→試壓→鉆進→下二級套管→固管→透孔→試壓→終孔鉆進→注漿→封孔。

（3）鉆孔套管結構：一級套管Φ133mm鉆頭開孔，下設套管Φ127mm；二級套管Φ113mm鉆頭開孔，下設套管Φ108mm，終孔直徑不小于75mm。

（4）下入套管要求：根據該地區巖層穩定程度及地質構造特征，鉆孔均為二級套管，既要保證鉆孔及巷道安全，又要保證有效注漿范圍。一級套管下入巷道底板下垂距8m，不能達到垂距要求時，長度不得低于10m；二級套管下入巷道底板下垂距不少于25m，達不到垂距要求時，長度不得低于25m。孔口管的母扣與接箍公扣長度必須一致，誤差不能超過2mm。

（5）鉆孔施工期間，如單孔涌水量大于20m3/h時進行注漿，反之繼續鉆進。

（6）鉆孔在施工過程中，遇斷層破碎帶、裂隙等地質構造時，要減緩鉆進速度，勻速鉆進，如出現塌孔、堵孔等異常情況，應及時進行注漿。鉆孔在鉆進過程中，如遇軟硬層變化時容易偏斜，影響控制范圍和效果，要做好鉆探控斜。

2.1.4 鉆探評價

根據1號鉆場、2號鉆場鉆孔揭露情況和周圍勘探鉆孔見煤點資料綜合分析，F1-1斷層不存在，F1斷層位置向工作面方向擺動15m左右。F1斷層具有導水性，斷層帶存在導水通道，需對斷層帶進行注漿改造封堵（見圖2）。

圖2 2號鉆場5剖面鉆孔實鉆圖

2.2 注漿封堵

2.2.1 底板注漿加固原理

煤層底板注漿加固技術就是沿工作面順槽或底抽巷布置注漿鉆孔，通過注漿鉆孔來充填巖溶裂隙和導水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補給通道，使受注含水層被改造為隔水層或弱含水層，同時增強了煤層底板隔水層的強度，降低了工作面底板出水的可能性，有利于工作面的安全回采[4]。

表1 F1斷層組探查與改造鉆孔參數表

2.2.2 注漿實施

根據2號鉆場1-1孔、4-1孔、5-2孔出水情況，鉆孔出水量3～15m3/h，水質渾濁，有臭雞蛋氣味。經取樣化驗分析，水源分析為C2L2灰巖水，沿F1斷層帶向上導水，實測鉆孔出水水壓5.0MPa。為封堵斷層導水通道，切斷與下伏高承壓含水層間水力聯系，對1號鉆場、2號鉆場所有揭露F1斷層鉆孔進行立體式注漿加固，封堵斷層導水通道。共注入水泥量（干料）90余噸，注漿孔均達到單孔結束標準。

2.2.3 注漿效果評價

（1）經3-1孔、4-1孔、5-1孔、6-1孔延孔檢驗，注漿封堵后斷層帶充填密實，未見出水。

（2）突水系數： T=P/M =5.0/130=0.038，小于臨界值0.06，不存在突水威脅。

（3）注漿改造后對F1斷層防隔水煤巖柱重新進行了計算和確定，進一步確保了礦井安全（見圖3）。

圖3 注漿改造后煤柱留設示意圖

2.3 回采驗證

3200回采工作面鉆探、注漿工程于2018年5月中旬評價結束，截至2019年3月末已回采結束，此回采范圍內受采動、地應力影響最大，加之回采對底板擾動破壞深度，工作面回采期間未出現底板出水跡象，有效驗證了注漿封堵效果，確保了礦井安全生產。

3 應用效果評價

（1）利用鉆探手段探明了3200工作面切眼附近F1斷層組位置、落差、導水性及斷層帶附近出水位置，通過對出水取樣化驗，水源為下伏C2L2灰巖水，水壓達5MPa，屬高承壓水。

（2）根據鉆探揭露斷層帶出水點位置，實施注漿加固封堵出水通道，累計注水泥漿量（干料）90余噸，經延孔檢驗，注漿效果良好，有效封堵了斷層帶導水通道，切斷了與下伏高承壓水間的水力聯系，經重新計算突水系數，消除了突水威脅。

（3）工程實施結束后，工作面進行了回采，回采區域處于應力集中區域時，未出現底板出水跡象，有效驗證了工程實施的效果。

4 結語

（1）通過鉆探控制、注漿改造，探明了F1斷層具體位置，重新確定了防隔水煤巖柱，為礦井采區規劃接替提供了準確的地質資料。

（2）注漿改造后，消除了水害威脅，解放3200回采工作面里段資源儲量約10萬t，經濟效益顯著，為公司類似條件下實施隱伏地質構造探查、斷層帶注漿封堵奠定了基礎。