大采深復(fù)雜水文地質(zhì)條件下導(dǎo)水?dāng)鄬犹讲橹卫砑夹g(shù)研究

趙鵬飛

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

邢東礦隸屬于冀中能源股份有限公司，位于河北省邢臺(tái)市東北約4 km處，井田面積14.5 km2。礦井2001年11月18日建成投產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力125萬(wàn)t/a。礦井現(xiàn)開采二疊系山西組2號(hào)煤，煤層平均厚度4.29 m，賦存深度標(biāo)高-580—-1 200 m。

邢東井田位于百泉匯水單元最東部，井田內(nèi)分布有11個(gè)含水層（組），影響礦井開采的主要含水層為砂巖含水層、薄層灰?guī)r含水層（野青、伏青、大青、本溪灰?guī)r）以及奧陶系灰?guī)r含水層。礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型，預(yù)計(jì)礦井正常涌水量為159 m3/h，最大涌水量355 m3/h。

2 斷層情況

2.1 斷層分布特征

邢東井田內(nèi)各類斷層發(fā)育，不同級(jí)別的斷層將整個(gè)井田的含煤地層切割成一系列大小不等、形狀各異的斷塊，各斷塊又表現(xiàn)為地塹、地壘和階梯狀構(gòu)造組合，依據(jù)勘探和巷道揭露，目前邢東井田共發(fā)現(xiàn)斷層389條。其中，落差大于20 m的斷層86條，落差5～20 m的斷層66條，落差在5 m以下的小型斷層237條，均為正斷層。大中型斷層走向以NNE—NE為主，傾向以SE為主，如圖1所示。

圖1 邢東礦構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline diagram of Xingdong Mine

2.2 導(dǎo)水?dāng)鄬?/h3>

根據(jù)礦井勘探和實(shí)際揭露資料，邢東礦井田范圍內(nèi)共涉及4條導(dǎo)水?dāng)鄬樱謩e為F1、F15、F19和F23斷層。其中F1斷層為井田西界斷層，落差大于500 m；F15斷層為井田北界斷層，落差約44～102 m；F19斷層走向北東，傾向南東，貫穿井田，為采區(qū)分界斷層，落差40～100 m；F23斷層走向北東，傾向南東，貫穿井田，為采區(qū)分界斷層，落差28～110 m。

F1斷層以西奧灰水與斷層以東的大青灰?guī)r水和奧灰水聯(lián)系密切，斷層對(duì)口部位導(dǎo)水性強(qiáng)，而斷層上盤煤系地層與斷層下盤奧灰水的水力聯(lián)系較差。

F15斷層上盤6煤至9煤段與下盤奧灰八段對(duì)接，-750 m以淺區(qū)域2煤與大青灰?guī)r對(duì)接，斷層兩盤地層存在一定的水力聯(lián)系。

F19斷層兩盤地層對(duì)接情況基本與F15斷層一致，斷層淺部抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位涌水量0.000 095 7 L/s·m）顯示不導(dǎo)水，但在深部斷層兩側(cè)含水層對(duì)接部位導(dǎo)水。

F23斷層-750 m以淺的北側(cè)的奧灰與南側(cè)的6～9煤相對(duì)應(yīng)，其西側(cè)與F1斷層對(duì)接，分析斷層兩盤存在一定程度的水力聯(lián)系。

3 探查治理技術(shù)

導(dǎo)水?dāng)鄬拥耐{主要是導(dǎo)通下伏含水層，一旦存在富水性強(qiáng)的含水層，極易造成災(zāi)害性出水。針對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬樱?dāng)前采區(qū)的主要手段有井下探查治理、地面探查治理及井上下綜合治理。制定探查治理方案時(shí)應(yīng)結(jié)合各種手段技術(shù)特點(diǎn)和礦井實(shí)際情況，統(tǒng)籌安排。

3.1 井下探查治理

井下探查治理主要依托底板鉆孔和物探。利用物探超前探測(cè)結(jié)合礦井先期地面探查資料判定斷層位置和富水性。確定斷層位置后和產(chǎn)狀等要素后計(jì)算防隔水煤（巖）柱，一般將防隔水煤（巖）柱邊界作為起探位置，探測(cè)深度應(yīng)保證底板隔水層厚度滿足規(guī)定要求。探查過(guò)程中可通過(guò)連續(xù)取芯準(zhǔn)確判定斷層位置和落差，以便后期方案優(yōu)化。

2016年，邢東礦設(shè)計(jì)在1100南部采區(qū)開拓兩條集中巷，巷道掘進(jìn)過(guò)程中必須穿過(guò)F23斷層，為保證掘進(jìn)安全，遂對(duì)巷道掘進(jìn)前方F23斷層進(jìn)行探查治理，消除導(dǎo)水威脅。此次探查治理采用井下鉆探手段進(jìn)行，具體方案如下。

當(dāng)巷道掘進(jìn)至距F23斷層100 m（大于安全距離）時(shí)停頭施工底板鉆孔，鉆孔控制范圍覆蓋2條大巷正前方和兩側(cè)50 m（滿足幫距要求）范圍，同時(shí)兼具底板超前鉆的功能。鉆孔共8個(gè)在平面上呈扇形分布，如圖2所示。

圖2 鉆孔平面布置示意Fig.2 The layout plane of drilling hole

剖面上向前方和下方布設(shè)，采用長(zhǎng)短結(jié)合的方式，一次打透F23斷層面并穿過(guò)斷層上盤2煤，如圖3所示。

圖3 鉆孔剖面布置示意Fig.3 The layout profile of drilling hole

通過(guò)鉆孔揭露標(biāo)志層和取芯結(jié)果判斷F23斷層在大巷掘進(jìn)區(qū)域落差60 m。各探查孔施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)水文異常，排除F23斷層導(dǎo)（含）水。鉆孔注漿量最大為1.1 t，最小為0.45 t，基本為封孔消耗，說(shuō)明F23斷層充填密實(shí)。后期經(jīng)大巷實(shí)際揭露，F(xiàn)23斷層落差為58 m，展布情況與預(yù)計(jì)基本一致，不導(dǎo)水、不含水。此次探查保障了巷道正常安全掘進(jìn)。

3.2 地面探查治理

地面探查治理主要依托地面定向鉆探技術(shù)和地面注漿技術(shù)，對(duì)落差大、導(dǎo)含水性強(qiáng)且不具備井下治理?xiàng)l件的導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行探查治理。因其治理范圍廣、工程量大，開工前必須制定整體施工方案，方案必須明確探治范圍、鉆孔間距和鉆進(jìn)層位等關(guān)鍵參數(shù)。

邢東礦1300采區(qū)為新區(qū)開采，設(shè)計(jì)開采的首采面位于F19導(dǎo)水?dāng)鄬臃浪褐鶅?nèi)，為解放防水煤柱，同時(shí)保證首采面安全開采，計(jì)劃對(duì)F19斷層進(jìn)行探查治理。考慮到F19斷層在該區(qū)域落差達(dá)100 m，防水煤柱寬度達(dá)130 m，受限于井下鉆探設(shè)備能力和施工條件等因素，決定進(jìn)行地面探查治理，開展了1300采區(qū)地面定向鉆探防治水工程。

此次設(shè)計(jì)地面主孔1個(gè)，水平分支孔9個(gè)，由遠(yuǎn)到近編號(hào)1～9，鉆孔間距60 m，重點(diǎn)對(duì)F19斷層產(chǎn)狀和延展情況進(jìn)行探查，如圖4所示。

圖4 鉆孔平面布置示意Fig.4 The layout plane of drilling hole

為對(duì)F19導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行注漿加固，設(shè)計(jì)鉆孔自F19斷層下盤奧灰頂面下31 m鉆進(jìn)，穿過(guò)斷層面后繼續(xù)在煤系地層鉆進(jìn)50 m終孔。考慮到F19斷層落差達(dá)100 m，為增加開采區(qū)域底板隔水層厚度，保證突水系數(shù)滿足規(guī)定要求（不大于0.1 MPa/m），特選定鉆進(jìn)層位為奧灰頂面下31 m。對(duì)奧灰一定深度進(jìn)行注漿加固，增加煤層底板隔水層厚度，以滿足治理區(qū)域突水系數(shù)不大于0.1 MPa/m。同時(shí)，為保證鉆孔鉆進(jìn)層位與設(shè)計(jì)一致并準(zhǔn)確探明F19斷層落差，在主分支施工過(guò)程中每間隔一段距離后施工上行分支，如圖5所示。

圖5 鉆孔剖面布置示意Fig.5 The layout profile of drilling hole

當(dāng)前工程完成9、5、1和2號(hào)分支孔施工，對(duì)F19斷層進(jìn)行整體控制，探查范圍內(nèi)，F(xiàn)19斷層落差為65～80 m，斷層帶寬度約30 m，其延伸情況與預(yù)計(jì)基本一致。各分支孔穿過(guò)斷層面時(shí)均未發(fā)生漏失情況，斷層不導(dǎo)水。完成鉆探工程量3 480 m，僅發(fā)生8次漏失，注水泥3 119 t，折合0.9 t/m，說(shuō)明探查區(qū)域裂隙不發(fā)育，F(xiàn)19斷層兩盤無(wú)明顯的水力聯(lián)系。通過(guò)施工上行分支，確定鉆孔鉆進(jìn)層位正常，基本位于奧灰頂面下31～35 m。

4 技術(shù)手段對(duì)比

4.1 井下探查

井下探查治理可根據(jù)礦井采掘計(jì)劃及時(shí)開展，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①施工方案相對(duì)簡(jiǎn)單，參照底板超前鉆施工要求，對(duì)鉆孔布置方式、數(shù)量、終孔位置進(jìn)行調(diào)整即可；②斷層位置不明確時(shí)，可隨著巷道掘進(jìn)連續(xù)施工，直至揭露斷層；③工程量相對(duì)較少，工程成本相對(duì)較低；④施工過(guò)程中可根據(jù)前期鉆孔揭露資料，隨時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，靈活性高；⑤作為傳統(tǒng)技術(shù)，目前已特別成熟，各礦井基本具備自行開展的能力。

但隨著開采深度增加，水文地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，井下探查的缺陷愈發(fā)明顯：①受限于鉆探設(shè)備能力，探查范圍小，基本為局部探查治理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)斷層整體覆蓋；②終孔深度受限，對(duì)于大落差斷層，只能治理巷道底板一定深度，雖然可以保證巷道安全掘進(jìn)，但對(duì)回采工作面作用有限；③受限于當(dāng)前井下注漿設(shè)備，一旦出現(xiàn)注漿大的情況，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)注漿，無(wú)法保證注漿加固效果；④因在鉆孔直接揭露導(dǎo)水?dāng)鄬樱赡艹霈F(xiàn)鉆孔突水情況，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)增加礦井排水負(fù)擔(dān)。

4.2 地面探查

地面探查依托于地面定向鉆探技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在：①探查治理覆蓋范圍廣，治理范圍不單單局限于某一條斷層，可以覆蓋整個(gè)采區(qū)或全礦井；②對(duì)落差大、控制程度低、導(dǎo)水性強(qiáng)的斷層進(jìn)行探查時(shí)，可避免突水風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工安全；③在對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行探查治理的同時(shí)，可對(duì)煤層底板隔水層進(jìn)行加固，在阻斷斷層導(dǎo)水的同時(shí)，有效降低了煤層開采期間底板突水機(jī)率；④通過(guò)隨鉆測(cè)井和定向螺桿，可隨時(shí)調(diào)整鉆孔軌跡，確報(bào)施工與設(shè)計(jì)一致；⑤通過(guò)伽馬測(cè)井、取芯和巖屑錄井等手段可準(zhǔn)確判定地層。

但采用該手段時(shí)也應(yīng)考慮到其不足之處：①對(duì)設(shè)備能力、定向技術(shù)和施工隊(duì)伍素質(zhì)要求高；②目前主流方案是1個(gè)主孔和多個(gè)分支孔布置，對(duì)主孔位置、結(jié)構(gòu)要求高；③受限于當(dāng)前定向設(shè)備性能、分支孔施工期間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的空間不大，一旦達(dá)不到設(shè)計(jì)目的，則需重新施工，可能造成工程量浪費(fèi)；④地面治理期間設(shè)計(jì)鉆探和注漿，工序復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理和各單位配合要求高；⑤工程造價(jià)高，以邢東礦F19斷層探查為例，工程投入折合噸煤成本達(dá)到21元。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著資源開發(fā)，各類煤柱資源必然需要解放，而防水煤柱占據(jù)很大的比例，所以對(duì)各類導(dǎo)水?dāng)鄬拥奶讲橹卫碓絹?lái)越重要。雖然當(dāng)前探查手段多樣，但各技術(shù)手段也存在短板。今后礦井面臨的局面更加復(fù)雜，技術(shù)手段要兼顧治理效果、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等方面，這就要求技術(shù)手段仍要不斷豐富，相關(guān)設(shè)備仍要不斷改進(jìn)。