極復雜水文地質條件工作面安全開采技術

靳子棟

（冀中能源峰峰集團 科技發展部，河北 邯鄲 056107）

0 引 言

冀中能源峰峰集團是我國重要煤炭企業之一，主要生產礦井位于河北省邯鄲市峰峰礦區，峰峰礦區位于邯邢水文地質單元的南單位，屬于我國典型的大水礦區，地質與水文地質條件極其復雜，底板水害問題具有多樣性和復雜性的特點，是受底板水害威脅程度最嚴峻的地區之一。近年來，峰峰礦區隨著開采深度的不斷加大，主力生產礦井如梧桐莊礦、九龍礦、羊東礦等開采深度不斷加大，采深普遍超過800 m，工作面煤層底板隔水層承受的奧灰水壓接近11 MPa，礦井開采受奧灰含水層威脅逐漸增大。工作面采掘過程中，在高地壓、高礦壓、高水壓的聯合作用下，工作面底板破壞嚴重，實際隔水層厚度大幅減少。特別是在斷層發育地段，由于斷層兩盤煤巖層產狀變化較大等因素影響，會導致斷層落差在深部層位變大，即縮小了煤層底板與受威脅含水層之間的安全距離，對煤層開采構成嚴重威脅。本文以梧桐莊礦182706 工作面為研究背景，通過開展井上下立體多層次的探查治理技術研究，對斷層及其附近受威脅含水層進行加固治理，為工作面安全開采提供保障。

1 研究背景

梧桐莊礦182706 工作面開采煤層為二疊系山西組2 號煤層，工作面基本沿地層走向布置，設計走向長度604.5 m，傾向長度約260 m，工作面底板標高為-691.2—-481 m。煤層厚度3.2～3.6 m，平均煤厚3.5 m，煤層比較穩定，結構簡單。

工作面掘進前，地面區域治理工程共施工3個主孔，18 個奧灰水平分支孔，完成鉆探工程量17 826 m，漏失注漿45 次，注水泥15 614.1 t。單點注漿量在1 000 t 以上的共有3 處，主要集中在F702-5 和F702-10 斷層破碎帶附近，說明斷層對地層的破壞起到主導作用，斷層附近奧灰頂面巖溶裂隙發育良好，富水性強，如圖1 所示。

圖1 182706 工作面前期治理平面Fig.1 Early governance plane of No.182706 Face

為驗證區域治理效果，地面施工了大青水平分支孔對斷層帶附近治理情況進行探查驗證；井下在工作面內及周邊共施工了17 個效果檢驗鉆孔，其中15 個伏青灰巖孔，2 個大青灰巖孔。結果發現受工作面外側F702-10 斷層附近多條斷層影響，斷層上盤煤巖層傾角變緩、下盤煤巖層傾角變陡，F702-10 斷層落差在2 號煤層位6～47 m、大青至奧灰層位增大為110 m 左右，導致下盤奧灰距工作面最近距離為85 m，由于斷層下盤奧灰治理層位較深，在高水壓作用下極易發生水害事故，按照《煤礦防治水細則》等有關規定要求，需對該斷層按突水系數0.06 留設防隔水煤（巖）柱，則工作面采寬需由原來的260 m 縮短至110 m 左右，嚴重影響礦井乃至集團公司采掘銜接，如圖2 所示。

圖2 182706 工作面前期B-B'剖面Fig.2 Early B-B'section of No.182706 Face

2 極復雜水文地質條件工作面安全開采技術

2.1 安全開采技術方案

為解決梧桐莊礦182706 工作面極復雜水文地質條件下安全開采技術難題，認真收集了該地區掘進地質資料和已有鉆探工程等資料，對斷層等構造發育情況進行了綜合分析。制定了井上下立體多層次的探查治理技術方案。

（1）鑒于地面繼續施工奧灰水平分支孔判層存在一定的難度，無法準確判定斷層產狀及落差，設計施工水平分支孔沿大青灰巖層位進行鉆探，通過確定斷層下盤大青灰巖位置及上盤煤系地層層位對斷層位置及落差進行精準控制。

（2）為驗證地面施工大青分支孔的準確性，井下利用原182706 回風順槽施工鉆孔，穿過斷層進入下盤地層，對地面水平分支孔的效果進行驗證。

（3）待探明F702-10 斷層產狀及落差后，地面施工次級分支水平孔對斷層下盤奧灰頂面以下30 m 左右層位及斷層帶進行補強加固，將工作面底板由破碎塊段改造為完整塊段，并按照有關規定重新留設斷層防隔水煤巖柱，在確保安全的前提下，增加工作面的開采寬度。

（4）鑒于工作面底板山伏青灰巖含水層與F702-10 斷層下盤奧灰含水層對接，為防止工作面開采受山伏青灰巖含水層威脅，設計施工井下鉆孔對斷層上盤山伏青灰巖含水性進行探查，發現異常治理。

2.2 實施情況

2.2.1 地面補充探查、治理工程

地面補充探查、治理工程，共施工1 個主孔，15 個大青水平分支孔（含次級奧灰補強孔），完成鉆探工程量5 372 m，漏失4 次，注漿量473.9 t。

（1）F702-10 斷層探查情況。

共完成了9 組15 個區域治理探查孔，鉆孔在平面上呈扇形布置，每組鉆孔不同密度地揭露了斷層下盤的大青、鋁土、奧灰等地層，鉆孔穿過斷層帶后，又揭露了斷層上盤的山伏青、小青、大青、鋁土、奧灰等地層，鉆孔對斷層的產狀進行了可靠地控制。各分支孔探查結果見表1 和圖3、圖4。

表1 F702-10 斷層探查、驗證成果Table 1 Results of exploration and verification of F702-10 Fault

（2）F702-10 斷層下盤加固情況。

探查范圍共有4 個漏失點，累計注漿473.9 t，通過漏失情況分析，說明F702-10 斷層下盤奧灰頂部巖溶裂隙整體發育較差，斷層及其附近裂隙發育較差。通過注漿加固，達到了封堵斷層下盤奧灰頂部巖溶裂隙，使斷層帶趨于完整的目的。

2.2.2 井下斷層補充驗證鉆孔

利用原182706 回風順槽H1、H3、H4 號鉆場施工鉆孔對F702-10 斷層發育情況進行驗證，共施工鉆孔10 個，鉆探進尺1 099.5 m，所有鉆孔均進行了全孔段測斜，保證鉆孔準確度。驗證結果見表1、圖3、圖4。綜合分析H1-1、H1-2、H1-3孔，斷層落差為112 m；綜合分析H3-1、H3-2、H3-3 孔，斷層落差為69 m；綜合分析H4-1、H4-2、H4-3、H4-4 孔，斷層落差為49 m。

圖3 182706 工作面治理成果平面Fig.3 Governance results plane of No.182706 Face

圖4 182706 工作面治理B-B'剖面Fig.4 Governance B-B'section of No.182706 Face

2.2.3 斷層上盤底板注漿加固

利用原182706 回風順槽H1、H3、H4 號鉆場，706 回風聯巷H5 號鉆場施工底板注漿加固鉆孔，對斷層上盤山伏青灰巖進行探查治理加固，兼顧斷層帶附近隔水層裂隙探查治理，工程共計施工鉆孔11 個，鉆探進尺1 568 m，總注漿量21.97 t。

野青灰巖單孔涌水量0～0.8 m3/h，山伏青灰巖單孔涌水量0～2.0 m3/h，單孔注漿量0～2.29 t。通過單孔涌水量及注漿量分析，說明F702-10 斷層上盤山伏青灰巖巖溶裂隙整體發育較差，隔水層垂向裂隙不發育。通過注漿加固，達到了封堵斷層上盤隔水層裂隙，使斷層帶趨于完整的目的，如圖5所示。

圖5 182706 工作面井下治理鉆孔成果Fig.5 Underground drilling governance results of No.182706 Face

2.2.4 工作面綜合物探

工作面回采前進行了瞬變電磁、電測深、并行電法及槽波地震工作，結果顯示工作面回采范圍內煤巖層含水性整體較弱。瞬變電磁探測發現的2 處水文異常區，分析為野青灰巖下至山伏青附近局部的巖層破碎含水反應，含水性較弱；并行電法探測發現的1 處水文異常區YC1，分析為巖層裂隙發育，與下方野青灰巖水有一定的水力聯系。結合井下施工鉆孔資料均排除了異常。

2.3 實施效果

通過對工作面開展井上下立體多層次的探查治理，改造了工作面底板含水層水文地質條件、對斷層帶附近進行了補強加固，將工作面底板由破碎塊段改造為完整塊段，取得的效果如下。

（1）山伏青灰巖含水層。通過鉆孔資料分析，單孔涌水量0.1～5 m3/h，含水層最高水位-373.1 m，水溫25.5～39.5 ℃，單孔最大注漿量23.4 t。綜合分析認為，該區域附近山伏青灰巖含水層水位較低，巖層裂隙不發育，含水層富水性弱，注漿后富水性進一步弱化。

（2）大青灰巖含水層。通過鉆孔資料分析，單孔涌水量0.1～20 m3/h，含水層最高水位-158 m，水溫34～41.8 ℃，單孔最大注漿量19.26 t。本地區域治理施工的大青順層鉆孔，在斷層附近100 m 范圍未發生明顯漏失（泥漿消耗量均小于5 m3/h），巖層裂隙不發育，富水性較弱，僅局部裂隙發育較為富水，富水不均一，注漿后富水性進一步弱化。

（3）奧灰含水層。原注17 孔在F702-10 斷層兩盤的奧灰層位施工了15 個區域治理鉆孔，在斷層帶附近發生9 次漏失，單點最大注水泥683.6 t，通過注漿封堵了奧灰裂隙，弱化了富水性。注17 孔補充設計又施工了12 個鉆孔，對斷層下盤奧灰一定范圍進行了探查和注漿改造，漏失4 次，注漿量473.9 t，證實通過原注17 鉆孔注漿改造，達到了治理效果，弱化了奧灰的富水性。

（4）斷層帶。原注17 孔施工的奧灰分支孔和注17 補充設計鉆孔，揭露斷層帶前后，鉆孔未發生塌孔，泥漿未出現明顯消耗（均小于5 m3/h），證實斷層帶附近裂隙不發育，不富水。在鉆孔終孔后，均進行了壓水試驗，重新測試了巖層吸水率，并通過高壓注漿進一步封堵了地層裂隙，提高了隔水層完整性和阻水能力。

（5）按照《煤礦防治水細則》 有關要求，F702-10 斷層治理完成后，按突水系數0.1 計算防隔水煤（巖）柱，則工作面不需留設防隔水煤巖柱，由于工作面傾角較大，回采難度較大，故將工作面采寬由留煤柱前的110 m 調整為180 m，可多回收15.6 萬t 優質煤炭資源。

該工作面已安全回采接近停采線，涌水量正常，未發現F702-10 斷層附件有明顯微震異常事件。

3 結 語

峰峰礦區水文地質條件極其復雜，工作面地面區域超前治理等工作開展時，一定需要做好層位的判別工作，必要時須調整鉆孔軌跡，揭露更多的層位，從而達到控制地質構造的作用；其次工作面掘進過程中須隨時根據掌握的資料進行綜合分析，查找影響工作面安全開采可能存在隱患；根據工作面極復雜水文地質條件，采用井上下立體多層次的探查治理技術，對斷層及其附近受威脅含水層進行加固治理，將工作面底板由破碎塊段改造為完整塊段，可確保工作面安全開采。