防治水技術(shù)在解放斷層防水煤柱資源中的應(yīng)用

王丹

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概況

邢臺(tái)礦F15 斷層為一高角度正斷層，在邢臺(tái)礦7700 采區(qū)2 號(hào)煤層落差為78～120 m，走向近0、傾向近90°、傾角70°～80°。該斷層在7700 采區(qū)由8302、1901、1902、9801 等鉆孔控制，井下-210 大巷、西翼三軌道、十一采區(qū)進(jìn)風(fēng)斜坡、十一采區(qū)回風(fēng)斜坡、十一采區(qū)運(yùn)輸石門、十一采區(qū)運(yùn)矸聯(lián)絡(luò)巷等地區(qū)均對(duì)其揭露，控制程度較高。2016年F15 斷層留設(shè)了防水煤柱，寬度為86 m。

為探明F15 斷層在7700 采區(qū)的導(dǎo)（含） 水性，并進(jìn)一步控制其走向，在全面分析已有地面勘探鉆孔的基礎(chǔ)上，針對(duì)F15 斷層又施工了2 個(gè)地面補(bǔ)勘孔（1901 孔、1902 孔），根據(jù)探查成果，F(xiàn)15 斷層向7722 工作面方向移動(dòng)約19 m，以此為依據(jù)，對(duì)F15 斷層走向進(jìn)行了修正，為下一步探查治理精準(zhǔn)布孔提供依據(jù)。同時(shí)根據(jù)7700 采區(qū)、51100 采區(qū)已有的關(guān)于探查及揭露F15 斷層的水文地質(zhì)情況綜合證實(shí)，F(xiàn)15 斷層在7700 采區(qū)范圍內(nèi)不導(dǎo)（含）水。F15 斷層與7722 工作面位置關(guān)系平面圖如圖1所示。

圖1 F15 斷層與7722 工作面位置關(guān)系平面圖Fig.1 The plane of location relationship between No.F15 fault and No.7722 face

2 斷層煤柱解放條件分析及方案研究

經(jīng)礦井前期勘探成果及井下揭露情況分析，F(xiàn)15 斷層在開采2 號(hào)煤的7722 工作面區(qū)域落差較大，H=78～120 m，2 號(hào)煤與下盤大青灰?guī)r較近，而邢臺(tái)礦大青灰?guī)r富水性極不均一，局部受奧灰含水層直接補(bǔ)給，7722 工作面沿F15 斷層布置，突水風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高且預(yù)計(jì)突水量較大。因此，若要安全開采該區(qū)域煤炭資源，就必須要對(duì)斷層進(jìn)行有效注漿治理，切斷含水層與開采煤層之間的水力聯(lián)系。此外，斷層附近裂隙發(fā)育，如何合理布孔，確保留足鉆探安全距離，做到鉆孔出水可控也是需要考慮的問題。

在綜合考慮上述問題影響基礎(chǔ)上，確定優(yōu)先施工2 個(gè)地面孔，對(duì)斷層產(chǎn)狀進(jìn)行精確控制，并以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化巷道布置，優(yōu)先施工距離斷層較遠(yuǎn)的運(yùn)料巷，保證鉆探安全距離，同時(shí)制定井下物、鉆探相結(jié)合的斷層探查加固方案，在運(yùn)料巷掘進(jìn)過程中，每隔60～120 m 施工1 個(gè)鉆窩，在鉆窩內(nèi)施工鉆孔對(duì)F15 斷層進(jìn)行探查注漿加固，鉆孔按平面終孔間距30 m 布置，垂向上分2 層布置，第一層施工至斷層面，控制深度滿足注漿治理后，奧灰含水層突水系數(shù)不超過0.1 MPa/m，第二層終孔至斷層下盤大青灰?guī)r層位，一是探明大青灰?guī)r在該區(qū)域的富水性，二是直接對(duì)大青灰?guī)r進(jìn)行注漿加固，切斷其與開采煤層間的水力聯(lián)系。注漿加固鉆孔結(jié)束后，采用多角度瞬變電磁手段對(duì)斷層加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)物探異常進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，確保加固工程安全可靠。

3 F15 斷層探查加固工程

7722 工作面巷道底板標(biāo)高為-210—-250 m，由于近年來奧灰含水層水位上升較快，因此，選用邢臺(tái)礦奧灰含水層歷史最高水位+50.64 m 計(jì)算探查加固鉆孔固管試壓、終孔注漿等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的終壓，終壓確定為4.4 MPa（即1.5 倍的奧灰水壓）。此外，在綜合分析7722 工作面區(qū)域內(nèi)F15 斷層展布狀態(tài)基礎(chǔ)上，為留足鉆探安全距離，選擇優(yōu)先施工運(yùn)料巷，該巷道距離F15 斷層80～90 m，斷層探查加固孔設(shè)計(jì)套管深度30 m，且保證在揭露斷層面前完成套管的固管試壓工作，同時(shí)安裝閥門，確保一旦發(fā)生出水，水量可控。

針對(duì)F15 斷層注漿加固，具體分為斷層整體探查、注漿加固效果鉆探驗(yàn)證及補(bǔ)強(qiáng)加固、物探驗(yàn)證3 個(gè)階段，各階段情況分述如下。

3.1 F15 斷層整體探查注漿治理階段

該階段共計(jì)施工斷層及斷層下盤大青灰?guī)r探查注漿加固孔53 個(gè)。其中F15 斷層探查及注漿加固孔26 個(gè)，終孔深度均位于2 號(hào)煤底板下38～40 m，注漿加固深度滿足突水系數(shù)不大于0.1 MPa/m的要求，F(xiàn)15 斷層下盤大青灰?guī)r含水層探查注漿孔27 個(gè)，終孔穿過大青灰?guī)r，位于大青灰?guī)r下2 m左右。在所施工的53 個(gè)鉆孔探查注漿加固孔中，水量大于20 m3/h 的鉆孔共4 個(gè)，水量介于10～20 m3/h 的鉆孔9 個(gè)，水量介于5～10 m3/h 的鉆孔8個(gè)，小于5 m3/h 的鉆孔28 個(gè)，無水鉆孔4 個(gè)。

經(jīng)分析在通過斷層但未揭露大青灰?guī)r情況下，鉆孔均未發(fā)生出水現(xiàn)象，所有鉆孔均為揭露斷層下盤大青灰?guī)r發(fā)生的出水，直接證明了F15 斷層本身不含（導(dǎo)） 水。

3.2 F15 斷層注漿加固效果鉆探驗(yàn)證及補(bǔ)強(qiáng)加固階段

通過對(duì)上一階段出水鉆孔的數(shù)量、水量、密集分布情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，鉆孔出水位置均位于F15 斷層下盤大青灰?guī)r層位，且斷層下盤大青灰?guī)r富水性不均一，因此針對(duì)鉆孔出水較大、大青灰?guī)r局部富水性較強(qiáng)區(qū)域設(shè)計(jì)施工了22 個(gè)注漿效果驗(yàn)證孔，驗(yàn)證孔終孔均穿過大青灰?guī)r含水層下部不少于2 m，檢查驗(yàn)證孔終孔水量均小于5 m3/h，說明第一階段的探查加固注漿效果良好，大量充水通道得到了有效封堵，為下一步7722 工作面安全開采打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 物探驗(yàn)證階段

注漿加固及效果驗(yàn)證階段結(jié)束后，為進(jìn)一步探明注漿加固工程效果，利用多角度瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面運(yùn)料巷西側(cè)120 m 水平范圍內(nèi)、底板下80 m以淺垂向范圍內(nèi)富水異常區(qū)進(jìn)行探查，共計(jì)探測(cè)9個(gè)角度，均未發(fā)現(xiàn)水文異常區(qū)，證實(shí)F15 斷層及斷層下盤大青灰?guī)r含水層注漿效果良好。7722 工作面F15斷層瞬變電磁物探成果示意圖如圖2所示。

圖2 7722 工作面F15 斷層瞬變電磁物探成果示意Fig.2 Transient electromagnetic geophysical exploration results of No.F15 fault in No.7722 face

4 F15 斷層及下盤大青灰?guī)r含水層治理成果分析

此次探查治理工程主要采用井下物探與鉆探相結(jié)合的綜合防治水措施，在工作面運(yùn)料巷中，選擇合適的鉆探位置施工定向探查鉆孔對(duì)F15 斷層及斷層下盤大青灰?guī)r含水層進(jìn)行探查及注漿加固，鉆孔終孔水平間距30 m，治理范圍為工作面下方38～40 m，工作面外圍60 m。同時(shí)井下建立注漿站，確保注漿加固效果，此次注漿加固工程共注漿342.95 t。通過對(duì)F15 斷層進(jìn)行的井下探查注漿加固工程，進(jìn)一步查清了F15 斷層的位置、性質(zhì)及斷層下盤大青灰?guī)r的富水性，同時(shí)對(duì)斷層構(gòu)造裂隙帶及斷層下盤大青灰?guī)r含水層進(jìn)行了有效注漿加固治理，現(xiàn)根據(jù)探查注漿治理過程分析如下。

4.1 探查成果分析

針對(duì)F15 斷層及斷層下盤大青灰?guī)r含水層，先后通過3 次探查治理加固工程，共施工鉆孔76 個(gè)，總工程量6 369.5 m，累計(jì)注漿342.95 t。結(jié)合鉆孔成果分析，F(xiàn)15 斷層在7722 工作面附近已基本控制清楚，穿過F15 斷層帶時(shí)鉆孔均未出水，且鉆孔揭露斷層面時(shí)由粘泥充填，膠結(jié)密實(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證了F15 斷層為不導(dǎo)（含） 水?dāng)鄬印?/p>

同時(shí)，經(jīng)探查驗(yàn)證7722 工作面F15 斷層落差在78～125 m，局部塊段落差比原預(yù)計(jì)有所增大，斷層（上盤斷煤交線） 整體向7722 工作面發(fā)生偏移，最大偏移量19 m，特別是7722 探巷附近塊段因F15 斷層落差比預(yù)計(jì)增大導(dǎo)致下盤大青灰?guī)r含水層與上盤2 號(hào)煤層間距為7722 工作面最小。

另外，統(tǒng)計(jì)分析所有探查注漿孔及檢查驗(yàn)證孔成果資料可知，除砂巖層位出水外，出水鉆孔出水位置均在F15 斷層下盤大青灰?guī)r層位，從鉆孔出水量及數(shù)量分析，大青含水層含水性不均一，整體富水性較弱。

4.2 加固成果分析

4.2.1 F15 斷層加固

通過2 次探查治理工程鉆孔出水量對(duì)比分析，F(xiàn)15 斷層得到了有效的注漿加固，同時(shí)，通過加固治理工程所有鉆孔出水層位分析，未發(fā)現(xiàn)垂向?qū)Шǖ馈?/p>

4.2.2 大青灰?guī)r含水層加固

此次探查治理工程中所有大青灰?guī)r探查注漿孔均揭露大青灰?guī)r，其中除4 個(gè)孔無水，4 個(gè)孔在大青位置未出水外，其他鉆孔均在大青灰?guī)r含水層出水，出水水量1.5～30 m3/h，水壓1.4～2.2 MPa。經(jīng)分析所有出水鉆孔水量及出水位置可知，F(xiàn)15 斷層下盤大青灰?guī)r富水性不一，整體富水性較差。針對(duì)鉆孔出水較大、大青富水性較強(qiáng)的區(qū)域施工了23 個(gè)鉆孔，進(jìn)行了注漿效果檢查驗(yàn)證及補(bǔ)強(qiáng)注漿加固，檢查驗(yàn)證孔累計(jì)注漿量110.6 t，驗(yàn)證孔揭露大青灰?guī)r出水均不大于5 m3/h，因此通過此次探查治理工程，對(duì)7722 工作面F15 斷層下盤的大青灰?guī)r含水層進(jìn)行了有效的注漿加固，治理效果明顯。

4.3 解放煤炭資源分析

利用地面補(bǔ)勘、井下物、鉆探相結(jié)合的防治水技術(shù)方案，精準(zhǔn)控制了F15 斷層在7722 工作面附近的發(fā)育范圍及產(chǎn)狀，通過對(duì)斷層的探查注漿加固，在工作面不留煤柱緊靠斷層上盤斷煤交線布置的情況下，消除了工作面采掘突水的威脅，順利解放斷層煤柱資源38 萬t。

5 結(jié)論

（1） 針對(duì)斷層構(gòu)造發(fā)育、地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，確定了地面勘探孔精準(zhǔn)控制斷層產(chǎn)狀，井下物、鉆探綜合探查治理方案合理。

（2） 由于斷層落差較大，且附近裂隙發(fā)育，對(duì)斷層分層探查加固，第一層施工至斷層面，控制深度滿足突水系數(shù)不超過0.1 MPa/m，第二層終孔至斷層下盤大青灰?guī)r層位，對(duì)大青灰?guī)r進(jìn)行注漿加固。同時(shí)，優(yōu)先施工運(yùn)料巷，確保鉆探安全距離，大大提高了井下施工安全系數(shù)。

（3） 鉆探施工過程中制定了合理有效的安全技術(shù)措施，鉆孔安裝有閥門，實(shí)現(xiàn)了斷層出水水量可控，同時(shí)，完善的排水系統(tǒng)配置也確保了出水可及時(shí)排出，保證了治理工程安全性。

（4） F15 斷層煤柱的安全解放,為煤炭?jī)?chǔ)量枯竭、呆滯煤炭資源量大的礦井長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了一條新的思路。