淮南礦區潘二煤礦地面區域探查治理技術應用分析

楊玲飛 安徽省煤田地質局第三勘探隊

一、區域地質概述

兩淮煤田位于中國煤礦的6 大水害分區的1 分區東南隅，屬華北石炭-二疊紀煤田巖溶-裂隙水水害區。華北型煤田與巖溶水系統相重疊，煤系基底發育著600 米左右的巨厚碳酸鹽巖含水層，分布范圍廣，富水性強，煤層底板水壓大，對安全開采造成嚴重威脅，是巖溶突水事故的根源。區內煤田均為深井開采，平均開采深度達710m，隨著開采向深部拓展，底板灰巖水害威脅日益嚴峻。

淮南礦區煤層底板奧灰含水層水害威脅特征為煤層底板隔水層不完整，存在隱伏導水構造垂向導水通道，屬于“厚層非完整隔水層灰巖水害”類礦井，煤層底板主要充水水源為奧灰+寒灰含水層，奧灰+寒灰多以隱伏陷落柱+裂隙帶復合體對礦井安全生產構成了直接水害威脅。

二、治理層位選擇

潘二煤礦A 組煤距離太原組灰巖較近，其安全開采受底板灰巖巖溶水的威脅嚴重[1]，利用地面區域探查治理技術解放東一A 組煤采區東翼11313 工作面。

（一）煤層與含水層間距

11313 工作面A 組煤的煤層結構簡單，賦存較穩定，其中3 煤厚1.6～13.8m，平均5.3m；3 煤與下伏1 煤層間距平均為1.5m，夾矸為泥巖，1 煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，直接底板為平均4.5m 厚的砂質泥巖或粉砂巖。1煤底距C3Ⅰ組灰巖頂（頂）平均距離約為15m，距C3Ⅱ組灰巖頂（頂）平均距離約為60m，距C3Ⅲ組灰巖頂（頂）平均距離約為80m，距奧灰含水層頂面平均距離約為150m。

（二）隔水層厚度

突水系數即單位隔水層厚度所承受的水壓，而臨界突水系數則為單位隔水層厚度所能承受的最大水壓。用突水系數法預測煤層底板突水，能反映底板突水因素的綜合作用。主要影響因素有水壓和隔水層厚度，其數學表達式如下：

其中：T——突水系數，MPa/m；

P——底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；

M——底板有效隔水層厚度，m。

1）底板隔水層承受的水壓：周邊水二1、VIO2、Ⅵ西O2奧水水位標高分別-49.46m、-35.83m、-37.31m，取最高水位為-35.83m。工作面底板最低標高為-540m，有效隔水層底界面標高為-627m～-625m，則底板隔水層承受的最大水壓為5.91MPa。

2）隔水層厚度：若工作面底板的斷層、垂向導水構造裂隙等通過注水泥漿液充填加固，即已將受構造破壞塊段改造成了正常塊段。根據《煤礦防治水細則》[3]相關要求，正常塊段的突水系數小于0.1Mpa/m，根據突水系數公式計算，工作面隔水層最小厚度為5.91÷0.1=59.1m

三、治理工程

本次工程采用布置地面多分支近水平定向鉆孔[2]，從工作面外側進入1 煤底板80m深度或沿灰巖順層鉆進，探查是否存在隱伏陷落柱或導水通道等地質異常體，分段、分序次連續高壓注漿封堵，達到有效充填加固灰巖含水層及垂向導水通道的目的（見表1）。

四、探查成果分析

（一）漏失分析

區內由于受擠壓性的褶曲影響，小斷層較為發育，多為3-5m 以下的小斷層，大斷層主要分布在北部邊界和南部邊界。11313工作面發育的主要斷層為F10 正斷層，走向東西，傾向北，傾角65°，落差0～25m，區內延展長度1030m。

本次工程共計鉆井液漏失4 次，漏失量1.2～2.4m3/h，漏失量較小，靠近F10 斷層，表明F10 斷層裂隙較為發育，但裂隙連通性差。F10 斷層裂隙帶影響范圍外均未發現漏失現象。

（二）壓水試驗

本次工程共計壓水試驗13 次，吸水率范圍為0.00023～0.0016L/min.m.m，均小于0.01L/min.m.m，表明工作面內灰巖巖溶裂隙不甚發育，未發現隱伏陷落柱或垂向導水通道等異常體。

表1 潘二煤礦地面區域探查治理工程成果一覽表

五、注漿效果分析

（一）注漿量分析

本次工程共計注漿13 次，注漿量在110.63t～2001.33t 之間，終壓為9.0Mpa～13.2Mpa，注漿比重為1.20～1.37g/cm3。整體來看，總體注漿量不大，表明工作面內灰巖巖溶裂隙發育較差。

（二）單位注漿量分析

單位注漿量是指裸孔段平均每米消耗的水泥噸數，客觀反映了裂隙的發育程度。單位注漿量越大，反映了地層裂隙越發育。本次工程平均單位注漿量為1.83t/m，最大4.12t/m，最小0.63t/m。從單位注漿量大小來看，總體反映探查區域內煤層底板灰巖巖溶裂隙發育較差，未探查到較大隱伏導水構造等異常體的存在，單位注漿量3.0t/m以上均為各分支鉆孔鉆探揭露F10 斷層注漿段，表明F10 斷層裂隙帶較為發育。

（三）注漿壓力分析

通過對東一采區（東翼）注漿壓力分析發現，隨著注漿壓力的變化，可以分為三個階段。

第一階段，0～4.0MPa，注漿充填階段。主要對灰巖地層中的天然裂隙（斷層、破碎帶）進行充填。

第二階段，4.0～8.0Mpa，壓實擴散裂隙階段。在該階段，隨著壓力的不斷提升，漿液不斷壓實斷層、破碎帶裂隙中的充填物，填充空間，并且擴散距離逐漸增大。由于壓力不大，灰巖溶裂隙發育差，注漿量不大。

第三階段，8.0Mpa 以上，劈裂擴展及填實裂隙階段。隨著壓力的持續上升，灰巖地層薄弱部位的應力與抗拉強度被克服，發生劈裂形成充填裂縫，原先微小裂隙也不斷被擴展變大，隨著漿液的填充，灰巖地層被進一步加固，此為注漿的主要階段，持續時間較長，注漿半徑增大，漿液擴散較遠，因而消耗的水泥量最多。

本次工程主要集中在高壓注漿階段，總體反映探工作面內A 組煤底板灰巖巖溶裂隙發育較差，排除存在較大隱伏導水構造等異常體的可能性，通過高壓注漿治理，對揭露的F10 斷層及其破碎帶、灰巖裂隙進行了水泥充填加固，完成了地面區域探查治理的任務目標。

六、效果分析與評價

（一）效果分析

（二）奧灰水害危險程度分析

工作面突水系數為5.91÷80（最小隔水層厚度）=0.074MPa/m，根據《煤礦防治水細則》相關要求，小于正常塊段的突水系數0.1Mpa/m，工作面達到安全回采級別。

七、建議

建議潘二煤礦在工作面巷道掘進和回采過程中，采用井下鉆探及物探循環掩護前探，對異常區進行鉆探驗證。