F36斷層底板出水機理分析及注漿治理措施的應用

李柬谷

(陽泉煤業(集團)有限責任公司, 山西 陽泉 045000)

1 礦井基本情況

堡子礦為資源整合礦井，井田面積7.718 4 km2，批采2#—9#煤層，生產規模為90萬t/a. 礦井采用斜井開拓方式，共設計主斜井、副斜井和回風斜井3個井筒。目前，該礦采掘工程集中到二采區，即采區水倉西北部分區域。

2 2#煤地質、水文地質條件

2.1 地質條件

井田位于山西省沁水煤田晉城礦區西南部，發現褶曲1個，斷層57條，最大落差100 m，此前均未發生斷層出水現象，未發現陷落柱。

2#煤層位于山西組中部，為該礦主要可采煤層之一，煤層厚度平均4.5 m，頂板以泥巖為主，粉砂巖次之，底板以粉砂巖為主，泥巖次之。

2.2 水文地質條件

2#煤層底板標高+720～+920 m，太灰水混合水位標高為+932.05～+971.93 m，存在底板太灰水帶壓開采問題。2#煤層至K2灰巖含水層厚度43.33～57.83 m，平均厚度54 m，太灰(主要為K2)含水層水屬弱-中等富水性含水層。2#煤層距離奧陶系灰巖含水層厚度54.63～106.04 m，平均厚度84 m，奧灰水位標高在+943.55～+946.22 m，滲透系數0.004 04～10.74 m/d，單位涌水量0.10～0.256 L/s·m，為弱-中等富水性含水層。二采區2202工作面位于奧灰水中等富水性區域內(圖1).

圖1 奧陶系灰巖含水層富水性分區圖

礦井2#煤層底板距奧灰頂界面平均厚度84 m，2#煤層底板奧灰水帶壓值為0～2.18 MPa，突水系數為0.010～0.039 MPa/m，屬于相對安全區。

3 出水經過及探放水情況

3.1 出水情況

二采區在采掘過程中，先后分別在二采區回風大巷、2203切巷以北的探巷等9處均揭露F36斷層，其中只有兩處出水，一處2203回風順槽，揭露F36斷層涌水量為1～2 m3/h，一處二采區回風大巷在揭露F36斷層時有淋頭水(圖2). F38斷層位于F36斷層東側，2201進風巷、2202進風巷等6處均揭露F38斷層，無出水情況。

本次出水地點為2202工作面探巷。初始預計涌水量為90 m3/h，后期涌水量基本穩定在140～150 m3/h.

圖2 F36斷層揭露及出水點位置示意圖

3.2 物探、鉆探情況

3.2.1物探情況

對2202切巷進行了兩次瞬變電磁物探，覆蓋了2202探巷，兩次物探成果見圖3. 第一次物探成果顯示，在2202工作面切巷探測位置右幫30～80 m，前方0～50 m處底板15°方向存在明顯低阻異常區；第二次物探成果顯示，在2202工作面切巷探測位置左幫70～100 m，前方0～80 m處底板15°方向存在明顯低阻異常區。因此，2202工作面探巷水點位置有明顯低阻異常區。

圖3 2202切巷第一、第二次物探成果圖

3.2.2鉆探情況

2202探巷掘進之前編制專項的“有掘必探”鉆探設計，共設計鉆孔6個，4個煤層孔(因煤厚超過3 m，垂向增加1個孔)，2個煤層底板孔。實際施工了3個煤層孔，分別是1、2、3. 總共鉆探了2次，每次施工3個鉆孔，鉆孔長度65 m. 在第二次鉆探時，鉆探了65 m，其中5 m進入巖石，通過此次鉆探確定了F36正斷層位置，第二次鉆探結束后巷道又掘進了35 m后停掘?！坝芯虮靥健备縻@孔均未發現出水情況。

4 出水機理分析

該斷層使得出水點煤層底板與斷層下盤K2灰巖垂距為17 m左右，距離斷層下盤奧灰垂距為47 m；探巷出水點底板標高約+815 m，奧灰水位標高+944 m，出水點奧灰水帶壓約1.3 MPa(圖4，5).

圖4 F36斷層出水機理分析示意圖

圖5 采動礦壓對底板的破壞深度示意圖

由于F36斷層的影響，斷層附近巖層破碎裂隙發育，抗壓強度降低，底板承受不住奧灰水壓，奧灰水沿斷層通過裂隙帶涌入巷道。2202探巷出水后，2203工作面回風順槽出水點水量逐步衰減，說明兩處出水點由于F36斷層及破碎帶的存在，存在水力聯系。經初步分析，認為本次出水機理為：

1) 受F36正斷層影響，中奧陶統碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層和上石炭統太原組(K2、K3、K4石灰巖)相互導通，是出水水源。

2) 2202探巷附近F36和F38附近及交匯處，地應力集中，頂、底板巖石受地應力作用，節理裂隙比較發育，形成的節理裂隙密集帶(應力集中帶)是出水通道。

5 斷層注漿治理

5.1 鉆探工程設計

根據出水情況設計鉆場2個，2202切巷(Z1)和2203切巷(Z2).布置鉆孔16個，K2灰巖探查孔1個，5個檢查孔。鉆孔落點進入F36斷層下盤K2灰巖含水層(二采區平均厚度11 m)，終孔距離K2灰巖頂板5 m；奧灰注漿孔15個，落點水平間距20 m，目標層為F36斷層下盤奧灰含水層，其中10個孔穿過斷層進入下盤奧灰，終孔距離奧灰頂界面20 m；其余5個孔揭露斷層上盤K2灰巖后，穿過斷層進入下盤奧灰垂直距離20 m.F36斷層注漿孔剖面示意圖見圖6.

圖6 F36斷層注漿孔剖面示意圖

5.2 注漿孔施工順序

先期施工Z1-X2(奧灰孔)和K2-1(K2灰巖孔)，鉆探完成后做連通試驗，進一步確定出水水源，同時進行注漿封堵(K2-1).其余鉆孔，間隔交叉施工。同時進行注漿加固奧灰頂部，切斷奧灰水通過F36斷層段進入巷道的通道，并對封堵效果檢查加固。

5.3 止水套管設計

根據工作面底板標高、鉆場位置標高及水位標高，最大水壓為1.82 MPa；同時考慮注漿孔注漿結束時孔口壓力應達標準約2.8 MPa，根據《煤礦防治水細則》中止水套管長度相關要求，應大于15 m，出于安全考慮，設計止水套管長度最小為18 m.

5.4 連通試驗

將示蹤劑溶解于水中壓入鉆孔，同時用一定水量將其壓入目標含水層(裂隙)，使其隨地下水流動；在2202工作面探巷出水點及2203工作面切巷附近取樣檢測，試劑投放后每1 h取樣一次，送交臨時化驗室分析，當出現異常后，加密至半小時取樣一次。經過試驗分析，結合水質化驗分析報告，認為兩處出水點之間是連通的。

5.5 注漿工程設計

水泥采用32.5#普通硅酸鹽水泥，從地面至井下，敷設注漿管路至Z1和Z2鉆場。每次注漿前，均要進行壓水，主要目的是疏通注漿管路及孔內巖石裂隙、測定單位受注層段吸水率；采用q=Q/(P·L)計算，根據壓水試驗結果，確定漿液類型及其濃度；每次注漿結束后均要向孔內壓水，壓水量為管路與孔內體積之和的兩倍；對壓水試驗及注漿過程進行記錄，及時匯總注漿量資料、注漿前后壓水試驗資料，分析注漿效果。

5.6 注漿量預計

注漿量按式估算：

V=S·δ·ξ·η·H

式中：

S—注漿范圍，km2，F36斷層注漿段長400 m，斷層面兩側外擴35 m；

H—受注層段厚度，m，垂距取67；

η—注漿段孔隙率，%，取0.2；

ξ—充填率，%，取80；

δ—流失系數，考慮斷層注漿，取值1.5.

經計算：F36斷層注漿量為4 503 m3，每立方漿(取水灰比1∶1)水泥量按0.75 t計算，水泥需要3 377 t.

5.7 單孔注漿結束標準

注漿總壓應為受注含水層最大靜水壓力的1.5倍，即當孔口壓力達到約2.8 MPa時，即可認為受注層段注漿已達到壓力結束標準。

當注漿壓力達到結束標準后，進行壓水試驗，測得單位吸水率q小于0.005 L/min·m·m(相當于粉砂巖的透水性)時，即可認為受注層段注漿達到注漿結束的標準。

5.8 止漿墻設計及應用效果

止漿墻位于2202探巷下口向里18 m；墻體厚度不低于3.5 m，打墻材料為紅磚加水泥砂漿，紅磚選用普通紅磚，水泥選用P.O32.5普通硅酸鹽水泥；砂子采用中粗砂；水為潔凈水。止漿墻總長3.5 m，砌墻時預埋壁后注漿管，墻砌好3天后對止漿墻硐室壁后進行充填加固注漿。水灰比2∶1，預計注漿300 t即可完成對止漿墻內初次注漿。候凝72 h后，再進行止漿墻內2次注漿。經過對止漿墻圍巖及巷道接合處的觀測，均未發現滲水現象，進行F36斷層注漿治理的其他注漿加固工作。

6 注漿堵水效果評價

1) 隨著F36斷層注漿治理工程進展，井下出水點的涌水量逐漸減小，到工程結束時，出水點不再出水，說明對出水機理的判斷和分析是正確的。

2) 注漿孔完成后，再次對F36斷層注漿段進行了物探，并施工3個注漿效果檢查孔。經過驗證，確定F36斷層注漿治理取得明顯的堵水效果，2202探巷出水點和2203回風順槽密閉墻出水點經過注漿治理后目前已無水。

7 結 語

通過對堡子礦F36斷層的出水及治理，得出獨立掘進工作面沒有進行獨立的物探，也沒有參考以往物探資料進行鉆探驗證；鉆探施工不到位，設計的底板孔未施工，這都是導致事故發生的原因，且注漿堵水工程及注漿效果檢驗，確定了該次注漿堵水的效果達到了安全開采的目的。