趙鵬飛
(冀中能源股份有限公司 邢東礦,河北 邢臺(tái) 054000)
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。
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
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?,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(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。
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?,?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。
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(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,探測深度應(yīng)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(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)過程中必須穿過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),采用長短結(jié)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(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)。
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??紤]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(jìn)層位正常,基本位于奧灰頂面下31~35 m。
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)勢主要體現(xiàn)在:①施工方案相對(duì)簡單,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,無法保證注漿加固效果;④因在鉆孔直接揭露導(dǎo)水?dāng)鄬?,可能出現(xiàn)鉆孔突水情況,給現(xiàn)場施工帶來風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)增加礦井排水負(fù)擔(dān)。
地面探查依托于地面定向鉆探技術(shù),其技術(shù)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(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通過隨鉆測井和定向螺桿,可隨時(shí)調(diào)整鉆孔軌跡,確報(bào)施工與設(shè)計(jì)一致;⑤通過伽馬測井、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。
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)鄬拥奶讲橹卫碓絹碓街匾?。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)。