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(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面切眼附近F1斷層成組發(fā)育，斷層落差大，底板隔水層薄。在采動(dòng)應(yīng)力作用下，下伏高承壓水沿?cái)鄬訋?dǎo)水通道向工作面充水，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。經(jīng)研究、論證采取“鉆探控制—注漿改造—回采驗(yàn)證”的防治技術(shù)，對底板下伏高承壓水進(jìn)行防治，封堵導(dǎo)水通道，切實(shí)消除水害隱患。通過近兩個(gè)月的實(shí)施和回采驗(yàn)證，探明了斷層組位置、落差、導(dǎo)水性，并對斷層帶附近導(dǎo)水通道進(jìn)行了注漿封堵，切斷了與下伏高承壓水的水力聯(lián)系，增強(qiáng)了底板整體抗水壓強(qiáng)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(chǔ)。

1 工程概況

鶴煤九礦屬改擴(kuò)建礦井，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(qū)，靠近F1斷層組防隔水煤柱線，地質(zhì)條件復(fù)雜。工作面切眼附近斷層發(fā)育，主要有F1、F1-1、F139斷層，呈階梯狀成組分布。根據(jù)周圍巷道實(shí)際揭露資料結(jié)合礦井生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)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(dǎo)水性不詳。其中F1、F1-1斷層均按《煤礦防治水細(xì)則》要求留設(shè)有防隔水煤巖柱。根據(jù)F1斷層組產(chǎn)狀及力學(xué)性質(zhì)，為確保3200工作面安全回采，防止由于采動(dòng)應(yīng)力影響造成斷層帶滯后突水，經(jīng)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(jìn)一步控制，對深部斷層帶導(dǎo)水性進(jìn)行探查，消除底板水害對礦井的威脅。通過近兩個(gè)月的實(shí)施，探明了斷層位置，對存在導(dǎo)水通道的F1斷層進(jìn)行了注漿封堵，切斷了與下伏高承壓水的水力聯(lián)系，增強(qiáng)底板隔水層抗水壓強(qiáng)度。經(jīng)工作面回采驗(yàn)證，未出現(xiàn)底板出水現(xiàn)象，確保了礦井安全生產(chǎn)。

1.1 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

1.1.1 地質(zhì)概況

3200工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，總體為一單斜構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)狀100～260°，∠70°，H=0～25m。

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

1.1.2 水文地質(zhì)條件

3200工作面直接充水水源為二1煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，間接充水水源為太原組上段灰?guī)r含水層（C2L8、C2L2）。巷道掘進(jìn)過程中，在斷層和裂隙發(fā)育處可能出現(xiàn)頂?shù)装辶?、出水現(xiàn)象，水量較小易于疏干。在構(gòu)造復(fù)雜地段，如存在斷層等導(dǎo)水通道，可能與下伏奧陶系灰?guī)r聯(lián)通，對礦井造成威脅。

根據(jù)地面水文鉆孔觀測數(shù)據(jù)，C2L2灰?guī)r含水層水位標(biāo)高為+136m，3200工作面所處標(biāo)高為-547.6m～ -555.2m，二1煤層底板至C2L2灰?guī)r含水層間距為130m。煤層底板隔水層所承受的水壓理論計(jì)算為8.1～8.2MPa，為典型的高承壓水。

1.2 突水危險(xiǎn)性分析

1.2.1 突水系數(shù)[3]

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》計(jì)算3200工作面的突水系數(shù)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?guī)r間隔水層厚度，130m。

3200工作面突水系數(shù)大于臨界值0.06，存在突水威脅。

1.2.2 安全水壓

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》計(jì)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(shù)，一般情況下，在具有構(gòu)造破壞的地區(qū)按0.06計(jì)算，隔水層完整無斷層構(gòu)造破壞地區(qū)按0.1計(jì)算；

M-煤層底板至C2L2灰?guī)r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(shí)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(dòng)影響后形成突水通道，需對F1斷層組進(jìn)行探查和注漿改造封堵導(dǎo)水通道。

2 工程實(shí)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(shè)計(jì)2個(gè)鉆場，1號(hào)鉆場以探查和加固F1-1、F1斷層為主，2號(hào)鉆場重點(diǎn)對F1、F139斷層進(jìn)行立體式加固，封堵受采動(dòng)影響可能形成的導(dǎo)水通道（見圖1）。

圖1 鉆孔布置示意圖

2.1.2 鉆孔參數(shù)（見表1）

2.1.3 鉆探施工技術(shù)要求

（1）為控制F1、F1-1斷層準(zhǔn)確位置，先施工1號(hào)鉆場1-1孔，取芯鉆進(jìn)。

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

（3）鉆孔套管結(jié)構(gòu)：一級(jí)套管Φ133mm鉆頭開孔，下設(shè)套管Φ127mm；二級(jí)套管Φ113mm鉆頭開孔，下設(shè)套管Φ108mm，終孔直徑不小于75mm。

（4）下入套管要求：根據(jù)該地區(qū)巖層穩(wěn)定程度及地質(zhì)構(gòu)造特征，鉆孔均為二級(jí)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(jí)套管下入巷道底板下垂距8m，不能達(dá)到垂距要求時(shí)，長度不得低于10m；二級(jí)套管下入巷道底板下垂距不少于25m，達(dá)不到垂距要求時(shí)，長度不得低于25m?？卓诠艿哪缚叟c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(shí)進(jìn)行注漿，反之繼續(xù)鉆進(jìn)。

（6）鉆孔在施工過程中，遇斷層破碎帶、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，要減緩鉆進(jìn)速度，勻速鉆進(jìn)，如出現(xiàn)塌孔、堵孔等異常情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿。鉆孔在鉆進(jìn)過程中，如遇軟硬層變化時(shí)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(píng)價(jià)

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

圖2 2號(hào)鉆場5剖面鉆孔實(shí)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(shù)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(dǎo)水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層被改造為隔水層或弱含水層，同時(shí)增強(qiáng)了煤層底板隔水層的強(qiáng)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(shù)表

2.2.2 注漿實(shí)施

根據(jù)2號(hào)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(zhì)渾濁，有臭雞蛋氣味。經(jīng)取樣化驗(yàn)分析，水源分析為C2L2灰?guī)r水，沿F1斷層帶向上導(dǎo)水，實(shí)測鉆孔出水水壓5.0MPa。為封堵斷層導(dǎo)水通道，切斷與下伏高承壓含水層間水力聯(lián)系，對1號(hào)鉆場、2號(hào)鉆場所有揭露F1斷層鉆孔進(jìn)行立體式注漿加固，封堵斷層導(dǎo)水通道。共注入水泥量（干料）90余噸，注漿孔均達(dá)到單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 注漿效果評(píng)價(jià)

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

（2）突水系數(shù)： 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(jìn)行了計(jì)算和確定，進(jìn)一步確保了礦井安全（見圖3）。

圖3 注漿改造后煤柱留設(shè)示意圖

2.3 回采驗(yàn)證

3200回采工作面鉆探、注漿工程于2018年5月中旬評(píng)價(jià)結(jié)束，截至2019年3月末已回采結(jié)束，此回采范圍內(nèi)受采動(dòng)、地應(yīng)力影響最大，加之回采對底板擾動(dòng)破壞深度，工作面回采期間未出現(xiàn)底板出水跡象，有效驗(yàn)證了注漿封堵效果，確保了礦井安全生產(chǎn)。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

（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(dǎo)水性及斷層帶附近出水位置，通過對出水取樣化驗(yàn)，水源為下伏C2L2灰?guī)r水，水壓達(dá)5MPa，屬高承壓水。

（2）根據(jù)鉆探揭露斷層帶出水點(diǎn)位置，實(shí)施注漿加固封堵出水通道，累計(jì)注水泥漿量（干料）90余噸，經(jīng)延孔檢驗(yàn)，注漿效果良好，有效封堵了斷層帶導(dǎo)水通道，切斷了與下伏高承壓水間的水力聯(lián)系，經(jīng)重新計(jì)算突水系數(shù)，消除了突水威脅。

（3）工程實(shí)施結(jié)束后，工作面進(jìn)行了回采，回采區(qū)域處于應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，未出現(xiàn)底板出水跡象，有效驗(yàn)證了工程實(shí)施的效果。

4 結(jié)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(qū)規(guī)劃接替提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)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(chǔ)量約10萬t，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為公司類似條件下實(shí)施隱伏地質(zhì)構(gòu)造探查、斷層帶注漿封堵奠定了基礎(chǔ)。