霍爾辛赫煤礦構造探查與防治水

袁昌軍

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治046000）

霍爾辛赫煤礦構造探查與防治水

袁昌軍*

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治046000）

通過構造導通含水體是目前礦井充水一種常見的水害現象，一般包括陷落柱、斷層，其往往使礦井涌水量增大，影響巷道布置與施工及工作面回采。山西霍爾辛赫煤礦井下斷層、陷落柱較發育，在3202回風順槽施工接近X7陷落柱時，井下涌水量由正常54m3/h突然增大至75 m3/h，影響著巷道安全施工，通過采用物探測試與鉆探驗證，查明了陷落柱的分布、發育、含導水情況；并采用注漿堵水，在陷落柱體內形成止水屏障，成功封堵了涌水通道，使礦井涌水量恢復正常，確保了礦井安全，為類似構造的防治提供了依據。

構造；物探；鉆探；注漿堵水

構造探查及其防治水是礦井地質與水文地質工作的重要組成部分。本文通過收集山西霍爾辛赫煤礦構造的探查手段、探測結果與實際揭露對比情況、及其防治水技術方法與手段等，重點分析與研究構造對礦井的充水方式與特征，并總結其規律，為礦井防治水工作積累經驗。

1　概況

山西霍爾辛赫煤業有限責任公司位于山西省長治市長子縣縣城東南，現開采二疊系山西組3號煤層，生產規模400×104t/a，為奧灰水帶壓開采礦井，帶壓系數為0.02～0.39MPa/m。礦區位于沁水煤田長治盆地的南部，屬辛安泉域南部巖溶地下水長治子系統的徑流區，井田以褶曲構造為主，地層傾角5°～10°。

礦區氣象屬東亞季風區暖溫帶半濕潤地區，大陸季風氣候顯著。春、秋季多風少雨，氣候干燥；冬季寒冷；夏季暖濕多雨。井田位于太行山中段的長治盆地西側，地表均為新生界松散黃土層所覆蓋。地貌區劃屬于沖積平原、河谷平原。井田內地形總趨勢是西高東低，西北、西南為丘陵地帶，中東部地勢平坦。井田內有2條過境河流：一是北部自西南向東北流過的雍河，二是南部自西南向東后至東北流過的漳河。

2　礦區水文地質條件

2.1奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層

該含水層主要由石灰巖、角礫狀灰巖、泥灰巖組成，含水空間主要為巖溶裂隙，含水層主要位于峰峰組上段下部、以及上馬家溝組上段。據井田奧灰孔抽水資料：q=0.0066L/（s·m），K=0.0256m/d，水位標高644.07m，水化學類型為SO4·HCO3-Na型。據井下奧灰水文長觀孔，鉆進至峰峰組上段底部時，出現卡鉆現象，鉆孔涌水量達到30m3/h，鉆進至上馬家溝組，鉆孔涌水量達到38.5m3/h，礦化度1551～2994mg/L，水化學類型為SO4-Ca·Mg型與SO4·HCO3-Ca·Mg型。該含水層屬弱—強富水性，富水性具有明顯的不均一性。

2.2石炭系太原組石灰巖巖溶裂隙含水層

井田內無露頭，含水空間主要以砂巖裂隙與石灰巖巖溶裂隙含水為主，主要含水層由數層砂巖裂隙及K2、K3、K4、K5石灰巖巖溶裂隙構成。瞬變電磁勘探成果，該含水層有富水異常區分布。據井下施工的4個太原組長觀孔（見表1），發現不同鉆孔在不同層位均發生了涌水現象，主要涌水層位為：K5、K4、K4下砂巖、K2、K1砂巖，涌水量0.1～50m3/h，水化學類型為HCO3-Na型，礦化度693～996mg/L。另據鄰區高河井田內1001、2001鉆孔抽水試驗資料：q=0.00024～0.0013L/（s·m），K=0.0011～0.0037m/d，水位標高+680.77～+682.47m，水化學類型為HCO3-Na型。該含水層一般屬弱富水性，富水性具有明顯的不均一性。

2.3二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層

主要為砂巖裂隙含水為主，主要包括K7砂巖、3號煤層頂板砂巖及K8砂巖裂隙含水層，巖性為中—細粒砂巖，構成3號煤層的主要的充水水源。據井田風井檢查孔、主井檢查孔及1601鉆孔內抽水試驗資料：單位涌水量0.00005～0.0029L/（s·m），滲透系數0.0003～ 0.0111m/d，水位標高+670.37～+713.89m，水化學類型為SO4·HCO3-Na·Ca與HCO3-Na型。為弱富水性含水層。

表1　太原組長觀孔參數

3　構造突水機理

3.1構造突水機理分析

構造突水的通道主要為斷層、陷落柱。斷裂構造控制著地下水的橫向與垂向上運動，其突水主要取決于斷裂構造的復雜程度與結構面力學性質及其富水與導水性。巖溶陷落柱向礦井充水，是由于底部石灰巖中巖溶充分發育所引起的頂部灰巖及上覆非可溶性巖層向下塌陷所形成的椎體或柱狀堆積體，平面多呈不規則的橢圓性、圓形；柱體圍巖一般強度較低，孔隙性較好，裂隙較發育，故陷落柱不僅對煤層開采有明顯影響，而且往往成為地下水突入礦井的通道。

3.2井田內構造涌水現象

（1）斷層涌水特點：礦井在建井及生產期間共揭露斷層47條；其中，正斷層44條，逆斷層3條；大于10的斷層4條，5～10m的斷層8條，小于5m的斷層35條。巷道初始揭露斷層時，局部有涌水現象，約1～2m3/h，持續時間較短，以消耗靜儲量為主，總體講，礦井涌水量變化很小。

（2）陷落柱涌水特點：巷道揭露的陷落柱共有8個，與物探解釋的成果對比，實際揭露的陷落柱主要表現為：形態、面積變小。在巷道揭露X7陷落柱時，井下涌水量瞬間增大，初始最大涌水量20m3/h，后隨礦井排水，涌水量穩定至15m3/h。揭露的其它陷落柱不含水、不導水。

3.3突水水源

（1）揭露斷層，涌水量一般為1～2m3/h，持續時間1～3d，采水樣檢測為HCO3-Na型水，確定為煤層頂板砂巖裂隙水。

（2）揭露X7陷落柱，涌水量達15～20m3/h，水量穩定，充水水源快速識別系統顯示為太原組含水層水及奧灰水，采水樣檢查為HCO3-Ca·Na型。

3.4突水通道

通過霍爾辛赫實踐證實，本礦揭露小斷層含水性弱、導水性弱，說明本礦小斷層一般不會成為礦井突水通道。預測大斷層是本礦突水的通道之一。

礦井揭露的X7陷落柱富水性、導水性較好。陷落柱突水一般具有來勢猛、水量大，有管道流特征。現已證實，陷落柱為本礦突水的通道之一。

4　防治水工程

4.1構造探查

為查明斷層、陷落柱發育位置、規模、導富水性，礦井采用了法國sercel公司引進的408UL新型多道遙測數字地震儀、以及SUN-Blade2000工作站和法國CGG公司的地震數據處理軟件GeovecturPlus進行查明未來開采區的構造位置、大小，并采用了地面瞬變電磁勘探查明其導富水性；在井下采用了全方位探測儀CY?TD400，在掘進工作面前方、構造等部位，查明其導、富水性。

對于三維地震查明的陷落柱，經井下驗證，大部分存在，但解釋的陷落柱往往比實際大，以井田X7陷落柱為例，三維地震解釋：形狀不規則，長軸北東方向，長度為130m，短軸北西向，長度為110m，面積約為8867m2；在時間剖面上顯示破壞了3#煤、15#煤。T3波、T15波扭曲或中斷，特征明顯，X7陷落柱反射波特征圖見圖1，平面分布見圖2。參與評級的斷陷點12個（9A，3B）,綜合評定控制可靠。

經井下二盤區回風巷、進風巷驗證：實際揭露的X7陷落柱在平面上為橢圓性，大小為80m×70m，面積為4347m2，比三維地震減小了4520 m2，見圖1。總體講，三維地震探測效果較好。

4.2斷裂構造防治水工程

（1）小斷層的防治。目前礦井揭露的47條小斷層，初始揭露時涌水量一般為1～2m3/h,持續一段時間后均不再涌水，對礦井安全影響較小。因此對于小斷層，超前探放水及巷道直接通過的措施，既經濟，又方便，可滿足礦井需求。

（2）大斷層的防治。根據《煤礦防治水規定》附錄三中第四條：煤層位于含水層上方且斷層導水時防水煤（巖）柱的留設，來計算斷層防水煤柱的寬度，見表2。

表2　3號煤層斷層防水煤柱留設寬度L計算表

圖1　X7陷落柱反射波特征圖

圖2　三維地震與實際揭露陷落柱對比圖

式中：L——防隔水煤（巖）柱寬度，m；

Ha—斷層安全防隔水煤（巖）柱的寬度，m；

α——斷層傾角，（°）。

Ha值應根據礦井實際觀測資料來確定，采用公式計算：

式中：P——防水煤柱所承受的靜水壓力，MPa；

Ts——臨界突水系數，MPa/m，本次采用0.06MPa/m；

10——保護帶厚度（一般取10m）。

若礦井受生產條件限制，需要強行通過落差較大的斷層時，首先需要采用物探手段查明斷層的導、富水性，然后采用鉆探進行探查及驗證，查明斷層的位置、產狀、斷層帶寬度、充填物、充填程度及導、富水性，后采用注漿手段對斷層破碎帶進行封堵（圖3），并進行取樣、測壓等試驗，保證斷層帶封閉完好，經檢查合格后，才可通過。

4.3陷落柱防治水工程

4.3.1探放陷落柱水

井田內在接近或通過陷落柱（X5、X6、X10、X12、JX6、JX10、JX9）時，均采用了探放水措施。探放陷落柱水時，礦井需要注意：

（1）探放陷落柱水鉆孔的孔口設置安全裝置，監測并記錄鉆孔內水壓，當水壓大于2～3MPa的陷落柱一般不沿煤層布置探放水鉆孔，鉆孔應布置在煤系地層底板穩定的巖層中。若在煤層中布置鉆孔，必須沿煤層埋設孔口安全止水套管；

圖3　注漿孔在平剖面上的布置及分布示意圖

（2）探放陷落柱水的鉆孔要提高巖芯采取率，及時進行巖芯鑒定；

（3）探到陷落柱無水或水量很小時，利用泵進行壓水試驗，檢查陷落柱導水性；并向陷落柱深部探測，了解其深部的導、富水性；

（4）探放陷落柱水的鉆孔探測后必須注漿封閉，并做好封孔記錄，注漿壓力應大于區域靜水壓力的1.5倍。

4.3.2注漿堵水

礦井采掘接近X7陷落柱，礦井涌水量增大。為減少X7陷落柱對礦井的影響，采用了注漿堵水的防治水措施。

（1）出水點位置及通道.礦井在2013年4月3202工作面回風順槽沿3號煤層頂板掘進，在距前方X7陷落柱90m時，出現頂板破碎冒頂、巷幫片幫、煤壁滲水現象。在超前鉆孔施工（距離陷落柱90m），孔深60m處鉆孔出水，水量4～5m3/h，在掘進至陷落柱30m處施工6個超前鉆孔，孔深10～12m，不同程度見矸，多孔出水，水量約10m3/h。持續掘進時頂板垮塌，鉆孔涌水量增大，實測涌水量達18m3/h，并有異味，隨即停止掘進，經測試、分析研究，該陷落柱導通底板下方奧灰水。

（2）注漿施工。沿煤層底板方向布置了11個注漿鉆孔，注漿方式采用連續注漿，最大限度的充填陷落柱裂隙。材料采用425水泥加入少量玻璃水，加快水泥凝固。采用3MPa以上的壓力注漿，保證陷落柱內破碎帶充填結實。

（3）注漿效果。注漿結束后，實施了3個檢查孔鉆孔出水量很小，并進行注水耐壓試驗，注水壓力不小于3MPa，持續時間不少于24h。目前，巷道迎頭附近涌水現象消失。效果較好，達到注漿堵水效果。陷落柱結構平面圖及剖面圖見圖4。

圖4　陷落柱結構平面圖及剖面圖

5　結束語

（1）對于井田構造探查，礦井采用三維地震的手段進行查明，并在井下進行鉆探驗證；其構造導、富水性采用地面瞬變電磁勘探和井下全方位探測儀手段進行查明。經實踐檢驗，適合本礦，值得今后推廣。

（2）本礦小斷層充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙水，采掘時一般可直接通過，采取疏排的防治水措施，既經濟，又可解決問題。對于大斷層的防治水措施，首先物探先行，查清富、導水性，并按規程留設保護煤柱，必須通過斷層時對斷層破碎帶進行注漿加固，以防發生突水。

（3）本礦目前揭露的陷落柱大多不富水、不導水，采掘一般可直接通過，但須采取注漿加固，以防采動活化陷落柱導水性；個別導富水好的陷落柱，充水水源往往為煤層底板太灰水、奧灰水，其水量大而穩定，應留設煤柱，并采用注漿封堵方法。

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TD2

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1004-5716(2016)11-0176-05

2016-01-26

2016-01-27

袁昌軍（1987-），男（漢族），山西河津人，助理工程師，現從事煤田地質及水文地質、煤礦防治水工作。