靳子棟

（冀中能源峰峰集團(tuán) 科技發(fā)展部，河北 邯鄲 056107）

0 引 言

冀中能源峰峰集團(tuán)是我國(guó)重要煤炭企業(yè)之一，主要生產(chǎn)礦井位于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)，峰峰礦區(qū)位于邯邢水文地質(zhì)單元的南單位，屬于我國(guó)典型的大水礦區(qū)，地質(zhì)與水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，底板水害問(wèn)題具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，是受底板水害威脅程度最嚴(yán)峻的地區(qū)之一。近年來(lái)，峰峰礦區(qū)隨著開(kāi)采深度的不斷加大，主力生產(chǎn)礦井如梧桐莊礦、九龍礦、羊東礦等開(kāi)采深度不斷加大，采深普遍超過(guò)800 m，工作面煤層底板隔水層承受的奧灰水壓接近11 MPa，礦井開(kāi)采受奧灰含水層威脅逐漸增大。工作面采掘過(guò)程中，在高地壓、高礦壓、高水壓的聯(lián)合作用下，工作面底板破壞嚴(yán)重，實(shí)際隔水層厚度大幅減少。特別是在斷層發(fā)育地段，由于斷層兩盤(pán)煤巖層產(chǎn)狀變化較大等因素影響，會(huì)導(dǎo)致斷層落差在深部層位變大，即縮小了煤層底板與受威脅含水層之間的安全距離，對(duì)煤層開(kāi)采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文以梧桐莊礦182706 工作面為研究背景，通過(guò)開(kāi)展井上下立體多層次的探查治理技術(shù)研究，對(duì)斷層及其附近受威脅含水層進(jìn)行加固治理，為工作面安全開(kāi)采提供保障。

1 研究背景

梧桐莊礦182706 工作面開(kāi)采煤層為二疊系山西組2 號(hào)煤層，工作面基本沿地層走向布置，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度604.5 m，傾向長(zhǎng)度約260 m，工作面底板標(biāo)高為-691.2—-481 m。煤層厚度3.2～3.6 m，平均煤厚3.5 m，煤層比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

工作面掘進(jìn)前，地面區(qū)域治理工程共施工3個(gè)主孔，18 個(gè)奧灰水平分支孔，完成鉆探工程量17 826 m，漏失注漿45 次，注水泥15 614.1 t。單點(diǎn)注漿量在1 000 t 以上的共有3 處，主要集中在F702-5 和F702-10 斷層破碎帶附近，說(shuō)明斷層對(duì)地層的破壞起到主導(dǎo)作用，斷層附近奧灰頂面巖溶裂隙發(fā)育良好，富水性強(qiáng)，如圖1 所示。

圖1 182706 工作面前期治理平面Fig.1 Early governance plane of No.182706 Face

為驗(yàn)證區(qū)域治理效果，地面施工了大青水平分支孔對(duì)斷層帶附近治理情況進(jìn)行探查驗(yàn)證；井下在工作面內(nèi)及周邊共施工了17 個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔，其中15 個(gè)伏青灰?guī)r孔，2 個(gè)大青灰?guī)r孔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受工作面外側(cè)F702-10 斷層附近多條斷層影響，斷層上盤(pán)煤巖層傾角變緩、下盤(pán)煤巖層傾角變陡，F(xiàn)702-10 斷層落差在2 號(hào)煤層位6～47 m、大青至奧灰層位增大為110 m 左右，導(dǎo)致下盤(pán)奧灰距工作面最近距離為85 m，由于斷層下盤(pán)奧灰治理層位較深，在高水壓作用下極易發(fā)生水害事故，按照《煤礦防治水細(xì)則》等有關(guān)規(guī)定要求，需對(duì)該斷層按突水系數(shù)0.06 留設(shè)防隔水煤（巖）柱，則工作面采寬需由原來(lái)的260 m 縮短至110 m 左右，嚴(yán)重影響礦井乃至集團(tuán)公司采掘銜接，如圖2 所示。

圖2 182706 工作面前期B-B'剖面Fig.2 Early B-B'section of No.182706 Face

2 極復(fù)雜水文地質(zhì)條件工作面安全開(kāi)采技術(shù)

2.1 安全開(kāi)采技術(shù)方案

為解決梧桐莊礦182706 工作面極復(fù)雜水文地質(zhì)條件下安全開(kāi)采技術(shù)難題，認(rèn)真收集了該地區(qū)掘進(jìn)地質(zhì)資料和已有鉆探工程等資料，對(duì)斷層等構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行了綜合分析。制定了井上下立體多層次的探查治理技術(shù)方案。

（1）鑒于地面繼續(xù)施工奧灰水平分支孔判層存在一定的難度，無(wú)法準(zhǔn)確判定斷層產(chǎn)狀及落差，設(shè)計(jì)施工水平分支孔沿大青灰?guī)r層位進(jìn)行鉆探，通過(guò)確定斷層下盤(pán)大青灰?guī)r位置及上盤(pán)煤系地層層位對(duì)斷層位置及落差進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

（2）為驗(yàn)證地面施工大青分支孔的準(zhǔn)確性，井下利用原182706 回風(fēng)順槽施工鉆孔，穿過(guò)斷層進(jìn)入下盤(pán)地層，對(duì)地面水平分支孔的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）待探明F702-10 斷層產(chǎn)狀及落差后，地面施工次級(jí)分支水平孔對(duì)斷層下盤(pán)奧灰頂面以下30 m 左右層位及斷層帶進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，將工作面底板由破碎塊段改造為完整塊段，并按照有關(guān)規(guī)定重新留設(shè)斷層防隔水煤巖柱，在確保安全的前提下，增加工作面的開(kāi)采寬度。

（4）鑒于工作面底板山伏青灰?guī)r含水層與F702-10 斷層下盤(pán)奧灰含水層對(duì)接，為防止工作面開(kāi)采受山伏青灰?guī)r含水層威脅，設(shè)計(jì)施工井下鉆孔對(duì)斷層上盤(pán)山伏青灰?guī)r含水性進(jìn)行探查，發(fā)現(xiàn)異常治理。

2.2 實(shí)施情況

2.2.1 地面補(bǔ)充探查、治理工程

地面補(bǔ)充探查、治理工程，共施工1 個(gè)主孔，15 個(gè)大青水平分支孔（含次級(jí)奧灰補(bǔ)強(qiáng)孔），完成鉆探工程量5 372 m，漏失4 次，注漿量473.9 t。

（1）F702-10 斷層探查情況。

共完成了9 組15 個(gè)區(qū)域治理探查孔，鉆孔在平面上呈扇形布置，每組鉆孔不同密度地揭露了斷層下盤(pán)的大青、鋁土、奧灰等地層，鉆孔穿過(guò)斷層帶后，又揭露了斷層上盤(pán)的山伏青、小青、大青、鋁土、奧灰等地層，鉆孔對(duì)斷層的產(chǎn)狀進(jìn)行了可靠地控制。各分支孔探查結(jié)果見(jiàn)表1 和圖3、圖4。

表1 F702-10 斷層探查、驗(yàn)證成果Table 1 Results of exploration and verification of F702-10 Fault

（2）F702-10 斷層下盤(pán)加固情況。

探查范圍共有4 個(gè)漏失點(diǎn)，累計(jì)注漿473.9 t，通過(guò)漏失情況分析，說(shuō)明F702-10 斷層下盤(pán)奧灰頂部巖溶裂隙整體發(fā)育較差，斷層及其附近裂隙發(fā)育較差。通過(guò)注漿加固，達(dá)到了封堵斷層下盤(pán)奧灰頂部巖溶裂隙，使斷層帶趨于完整的目的。

2.2.2 井下斷層補(bǔ)充驗(yàn)證鉆孔

利用原182706 回風(fēng)順槽H1、H3、H4 號(hào)鉆場(chǎng)施工鉆孔對(duì)F702-10 斷層發(fā)育情況進(jìn)行驗(yàn)證，共施工鉆孔10 個(gè)，鉆探進(jìn)尺1 099.5 m，所有鉆孔均進(jìn)行了全孔段測(cè)斜，保證鉆孔準(zhǔn)確度。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1、圖3、圖4。綜合分析H1-1、H1-2、H1-3孔，斷層落差為112 m；綜合分析H3-1、H3-2、H3-3 孔，斷層落差為69 m；綜合分析H4-1、H4-2、H4-3、H4-4 孔，斷層落差為49 m。

圖3 182706 工作面治理成果平面Fig.3 Governance results plane of No.182706 Face

圖4 182706 工作面治理B-B'剖面Fig.4 Governance B-B'section of No.182706 Face

2.2.3 斷層上盤(pán)底板注漿加固

利用原182706 回風(fēng)順槽H1、H3、H4 號(hào)鉆場(chǎng)，706 回風(fēng)聯(lián)巷H5 號(hào)鉆場(chǎng)施工底板注漿加固鉆孔，對(duì)斷層上盤(pán)山伏青灰?guī)r進(jìn)行探查治理加固，兼顧斷層帶附近隔水層裂隙探查治理，工程共計(jì)施工鉆孔11 個(gè)，鉆探進(jìn)尺1 568 m，總注漿量21.97 t。

野青灰?guī)r單孔涌水量0～0.8 m3/h，山伏青灰?guī)r單孔涌水量0～2.0 m3/h，單孔注漿量0～2.29 t。通過(guò)單孔涌水量及注漿量分析，說(shuō)明F702-10 斷層上盤(pán)山伏青灰?guī)r巖溶裂隙整體發(fā)育較差，隔水層垂向裂隙不發(fā)育。通過(guò)注漿加固，達(dá)到了封堵斷層上盤(pán)隔水層裂隙，使斷層帶趨于完整的目的，如圖5所示。

圖5 182706 工作面井下治理鉆孔成果Fig.5 Underground drilling governance results of No.182706 Face

2.2.4 工作面綜合物探

工作面回采前進(jìn)行了瞬變電磁、電測(cè)深、并行電法及槽波地震工作，結(jié)果顯示工作面回采范圍內(nèi)煤巖層含水性整體較弱。瞬變電磁探測(cè)發(fā)現(xiàn)的2 處水文異常區(qū)，分析為野青灰?guī)r下至山伏青附近局部的巖層破碎含水反應(yīng)，含水性較弱；并行電法探測(cè)發(fā)現(xiàn)的1 處水文異常區(qū)YC1，分析為巖層裂隙發(fā)育，與下方野青灰?guī)r水有一定的水力聯(lián)系。結(jié)合井下施工鉆孔資料均排除了異常。

2.3 實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)工作面開(kāi)展井上下立體多層次的探查治理，改造了工作面底板含水層水文地質(zhì)條件、對(duì)斷層帶附近進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固，將工作面底板由破碎塊段改造為完整塊段，取得的效果如下。

（1）山伏青灰?guī)r含水層。通過(guò)鉆孔資料分析，單孔涌水量0.1～5 m3/h，含水層最高水位-373.1 m，水溫25.5～39.5 ℃，單孔最大注漿量23.4 t。綜合分析認(rèn)為，該區(qū)域附近山伏青灰?guī)r含水層水位較低，巖層裂隙不發(fā)育，含水層富水性弱，注漿后富水性進(jìn)一步弱化。

（2）大青灰?guī)r含水層。通過(guò)鉆孔資料分析，單孔涌水量0.1～20 m3/h，含水層最高水位-158 m，水溫34～41.8 ℃，單孔最大注漿量19.26 t。本地區(qū)域治理施工的大青順層鉆孔，在斷層附近100 m 范圍未發(fā)生明顯漏失（泥漿消耗量均小于5 m3/h），巖層裂隙不發(fā)育，富水性較弱，僅局部裂隙發(fā)育較為富水，富水不均一，注漿后富水性進(jìn)一步弱化。

（3）奧灰含水層。原注17 孔在F702-10 斷層兩盤(pán)的奧灰層位施工了15 個(gè)區(qū)域治理鉆孔，在斷層帶附近發(fā)生9 次漏失，單點(diǎn)最大注水泥683.6 t，通過(guò)注漿封堵了奧灰裂隙，弱化了富水性。注17 孔補(bǔ)充設(shè)計(jì)又施工了12 個(gè)鉆孔，對(duì)斷層下盤(pán)奧灰一定范圍進(jìn)行了探查和注漿改造，漏失4 次，注漿量473.9 t，證實(shí)通過(guò)原注17 鉆孔注漿改造，達(dá)到了治理效果，弱化了奧灰的富水性。

（4）斷層帶。原注17 孔施工的奧灰分支孔和注17 補(bǔ)充設(shè)計(jì)鉆孔，揭露斷層帶前后，鉆孔未發(fā)生塌孔，泥漿未出現(xiàn)明顯消耗（均小于5 m3/h），證實(shí)斷層帶附近裂隙不發(fā)育，不富水。在鉆孔終孔后，均進(jìn)行了壓水試驗(yàn)，重新測(cè)試了巖層吸水率，并通過(guò)高壓注漿進(jìn)一步封堵了地層裂隙，提高了隔水層完整性和阻水能力。

（5）按照《煤礦防治水細(xì)則》 有關(guān)要求，F(xiàn)702-10 斷層治理完成后，按突水系數(shù)0.1 計(jì)算防隔水煤（巖）柱，則工作面不需留設(shè)防隔水煤巖柱，由于工作面傾角較大，回采難度較大，故將工作面采寬由留煤柱前的110 m 調(diào)整為180 m，可多回收15.6 萬(wàn)t 優(yōu)質(zhì)煤炭資源。

該工作面已安全回采接近停采線(xiàn)，涌水量正常，未發(fā)現(xiàn)F702-10 斷層附件有明顯微震異常事件。

3 結(jié) 語(yǔ)

峰峰礦區(qū)水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，工作面地面區(qū)域超前治理等工作開(kāi)展時(shí)，一定需要做好層位的判別工作，必要時(shí)須調(diào)整鉆孔軌跡，揭露更多的層位，從而達(dá)到控制地質(zhì)構(gòu)造的作用；其次工作面掘進(jìn)過(guò)程中須隨時(shí)根據(jù)掌握的資料進(jìn)行綜合分析，查找影響工作面安全開(kāi)采可能存在隱患；根據(jù)工作面極復(fù)雜水文地質(zhì)條件，采用井上下立體多層次的探查治理技術(shù)，對(duì)斷層及其附近受威脅含水層進(jìn)行加固治理，將工作面底板由破碎塊段改造為完整塊段，可確保工作面安全開(kāi)采。