趙鵬飛

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 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t/a。礦井現(xiàn)開采二疊系山西組2號煤，煤層平均厚度4.29 m，賦存深度標高-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。礦井水文地質類型為復雜型，預計礦井正常涌水量為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，不同級別的斷層將整個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 邢東礦構造綱要圖Fig.1 Structural outline diagram of Xingdong Mine

2.2 導水斷層

根據(jù)礦井勘探和實際揭露資料，邢東礦井田范圍內(nèi)共涉及4條導水斷層，分別為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，斷層對口部位導水性強，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接，-750 m以淺區(qū)域2煤與大青灰?guī)r對接，斷層兩盤地層存在一定的水力聯(lián)系。

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

F23斷層-750 m以淺的北側的奧灰與南側的6～9煤相對應，其西側與F1斷層對接，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

導水斷層的威脅主要是導通下伏含水層，一旦存在富水性強的含水層，極易造成災害性出水。針對導水斷層，當前采區(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應結合各種手段技術特點和礦井實際情況，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。利用物探超前探測結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，探測深度應保證底板隔水層厚度滿足規(guī)定要求。探查過程中可通過連續(xù)取芯準確判定斷層位置和落差，以便后期方案優(yōu)化。

2016年，邢東礦設計在1100南部采區(qū)開拓兩條集中巷，巷道掘進過程中必須穿過F23斷層，為保證掘進安全，遂對巷道掘進前方F23斷層進行探查治理，消除導水威脅。此次探查治理采用井下鉆探手段進行，具體方案如下。

當巷道掘進至距F23斷層100 m（大于安全距離）時停頭施工底板鉆孔，鉆孔控制范圍覆蓋2條大巷正前方和兩側50 m（滿足幫距要求）范圍，同時兼具底板超前鉆的功能。鉆孔共8個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，采用長短結合的方式，一次打透F23斷層面并穿過斷層上盤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

通過鉆孔揭露標志層和取芯結果判斷F23斷層在大巷掘進區(qū)域落差60 m。各探查孔施工過程中未發(fā)現(xiàn)水文異常，排除F23斷層導（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，說明F23斷層充填密實。后期經(jīng)大巷實際揭露，F(xiàn)23斷層落差為58 m，展布情況與預計基本一致，不導水、不含水。此次探查保障了巷道正常安全掘進。

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和地面注漿技術，對落差大、導含水性強且不具備井下治理條件的導水斷層進行探查治理。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、鉆孔間距和鉆進層位等關鍵參數(shù)。

邢東礦1300采區(qū)為新區(qū)開采，設計開采的首采面位于F19導水斷層防水煤柱內(nèi)，為解放防水煤柱，同時保證首采面安全開采，計劃對F19斷層進行探查治理?？紤]到F19斷層在該區(qū)域落差達100 m，防水煤柱寬度達130 m，受限于井下鉆探設備能力和施工條件等因素，決定進行地面探查治理，開展了1300采區(qū)地面定向鉆探防治水工程。

此次設計地面主孔1個，水平分支孔9個，由遠到近編號1～9，鉆孔間距60 m，重點對F19斷層產(chǎn)狀和延展情況進行探查，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F19導水斷層進行注漿加固，設計鉆孔自F19斷層下盤奧灰頂面下31 m鉆進，穿過斷層面后繼續(xù)在煤系地層鉆進50 m終孔?？紤]到F19斷層落差達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），特選定鉆進層位為奧灰頂面下31 m。對奧灰一定深度進行注漿加固，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，為保證鉆孔鉆進層位與設計一致并準確探明F19斷層落差，在主分支施工過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

當前工程完成9、5、1和2號分支孔施工，對F19斷層進行整體控制，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，其延伸情況與預計基本一致。各分支孔穿過斷層面時均未發(fā)生漏失情況，斷層不導水。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，說明探查區(qū)域裂隙不發(fā)育，F(xiàn)19斷層兩盤無明顯的水力聯(lián)系。通過施工上行分支，確定鉆孔鉆進層位正常，基本位于奧灰頂面下31～35 m。

4 技術手段對比

4.1 井下探查

井下探查治理可根據(jù)礦井采掘計劃及時開展，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①施工方案相對簡單，參照底板超前鉆施工要求，對鉆孔布置方式、數(shù)量、終孔位置進行調(diào)整即可；②斷層位置不明確時，可隨著巷道掘進連續(xù)施工，直至揭露斷層；③工程量相對較少，工程成本相對較低；④施工過程中可根據(jù)前期鉆孔揭露資料，隨時調(diào)整設計，靈活性高；⑤作為傳統(tǒng)技術，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，水文地質條件趨于復雜，井下探查的缺陷愈發(fā)明顯：①受限于鉆探設備能力，探查范圍小，基本為局部探查治理，無法實現(xiàn)斷層整體覆蓋；②終孔深度受限，對于大落差斷層，只能治理巷道底板一定深度，雖然可以保證巷道安全掘進，但對回采工作面作用有限；③受限于當前井下注漿設備，一旦出現(xiàn)注漿大的情況，難以實現(xiàn)連續(xù)注漿，無法保證注漿加固效果；④因在鉆孔直接揭露導水斷層，可能出現(xiàn)鉆孔突水情況，給現(xiàn)場施工帶來風險的同時增加礦井排水負擔。

4.2 地面探查

地面探查依托于地面定向鉆探技術，其技術優(yōu)勢明顯，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，可以覆蓋整個采區(qū)或全礦井；②對落差大、控制程度低、導水性強的斷層進行探查時，可避免突水風險，保證了施工安全；③在對導水斷層進行探查治理的同時，可對煤層底板隔水層進行加固，在阻斷斷層導水的同時，有效降低了煤層開采期間底板突水機率；④通過隨鉆測井和定向螺桿，可隨時調(diào)整鉆孔軌跡，確報施工與設計一致；⑤通過伽馬測井、取芯和巖屑錄井等手段可準確判定地層。

但采用該手段時也應考慮到其不足之處：①對設備能力、定向技術和施工隊伍素質要求高；②目前主流方案是1個主孔和多個分支孔布置，對主孔位置、結構要求高；③受限于當前定向設備性能、分支孔施工期間進行優(yōu)化調(diào)整的空間不大，一旦達不到設計目的，則需重新施工，可能造成工程量浪費；④地面治理期間設計鉆探和注漿，工序復雜，對現(xiàn)場管理和各單位配合要求高；⑤工程造價高，以邢東礦F19斷層探查為例，工程投入折合噸煤成本達到21元。

5 結 語

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，所以對各類導水斷層的探查治理越來越重要。雖然當前探查手段多樣，但各技術手段也存在短板。今后礦井面臨的局面更加復雜，技術手段要兼顧治理效果、經(jīng)濟效益和社會效益等方面，這就要求技術手段仍要不斷豐富，相關設備仍要不斷改進。