防治水技術在解放斷層防水煤柱資源中的應用

王丹

（河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

1 概況

邢臺礦F15 斷層為一高角度正斷層，在邢臺礦7700 采區2 號煤層落差為78～120 m，走向近0、傾向近90°、傾角70°～80°。該斷層在7700 采區由8302、1901、1902、9801 等鉆孔控制，井下-210 大巷、西翼三軌道、十一采區進風斜坡、十一采區回風斜坡、十一采區運輸石門、十一采區運矸聯絡巷等地區均對其揭露，控制程度較高。2016年F15 斷層留設了防水煤柱，寬度為86 m。

為探明F15 斷層在7700 采區的導（含） 水性，并進一步控制其走向，在全面分析已有地面勘探鉆孔的基礎上，針對F15 斷層又施工了2 個地面補勘孔（1901 孔、1902 孔），根據探查成果，F15 斷層向7722 工作面方向移動約19 m，以此為依據，對F15 斷層走向進行了修正，為下一步探查治理精準布孔提供依據。同時根據7700 采區、51100 采區已有的關于探查及揭露F15 斷層的水文地質情況綜合證實，F15 斷層在7700 采區范圍內不導（含）水。F15 斷層與7722 工作面位置關系平面圖如圖1所示。

圖1 F15 斷層與7722 工作面位置關系平面圖Fig.1 The plane of location relationship between No.F15 fault and No.7722 face

2 斷層煤柱解放條件分析及方案研究

經礦井前期勘探成果及井下揭露情況分析，F15 斷層在開采2 號煤的7722 工作面區域落差較大，H=78～120 m，2 號煤與下盤大青灰巖較近，而邢臺礦大青灰巖富水性極不均一，局部受奧灰含水層直接補給，7722 工作面沿F15 斷層布置，突水風險系數較高且預計突水量較大。因此，若要安全開采該區域煤炭資源，就必須要對斷層進行有效注漿治理，切斷含水層與開采煤層之間的水力聯系。此外，斷層附近裂隙發育，如何合理布孔，確保留足鉆探安全距離，做到鉆孔出水可控也是需要考慮的問題。

在綜合考慮上述問題影響基礎上，確定優先施工2 個地面孔，對斷層產狀進行精確控制，并以此為基礎，優化巷道布置，優先施工距離斷層較遠的運料巷，保證鉆探安全距離，同時制定井下物、鉆探相結合的斷層探查加固方案，在運料巷掘進過程中，每隔60～120 m 施工1 個鉆窩，在鉆窩內施工鉆孔對F15 斷層進行探查注漿加固，鉆孔按平面終孔間距30 m 布置，垂向上分2 層布置，第一層施工至斷層面，控制深度滿足注漿治理后，奧灰含水層突水系數不超過0.1 MPa/m，第二層終孔至斷層下盤大青灰巖層位，一是探明大青灰巖在該區域的富水性，二是直接對大青灰巖進行注漿加固，切斷其與開采煤層間的水力聯系。注漿加固鉆孔結束后，采用多角度瞬變電磁手段對斷層加固效果進行檢驗，對物探異常進行補強加固，確保加固工程安全可靠。

3 F15 斷層探查加固工程

7722 工作面巷道底板標高為-210—-250 m，由于近年來奧灰含水層水位上升較快，因此，選用邢臺礦奧灰含水層歷史最高水位+50.64 m 計算探查加固鉆孔固管試壓、終孔注漿等關鍵環節的終壓，終壓確定為4.4 MPa（即1.5 倍的奧灰水壓）。此外，在綜合分析7722 工作面區域內F15 斷層展布狀態基礎上，為留足鉆探安全距離，選擇優先施工運料巷，該巷道距離F15 斷層80～90 m，斷層探查加固孔設計套管深度30 m，且保證在揭露斷層面前完成套管的固管試壓工作，同時安裝閥門，確保一旦發生出水，水量可控。

針對F15 斷層注漿加固，具體分為斷層整體探查、注漿加固效果鉆探驗證及補強加固、物探驗證3 個階段，各階段情況分述如下。

3.1 F15 斷層整體探查注漿治理階段

該階段共計施工斷層及斷層下盤大青灰巖探查注漿加固孔53 個。其中F15 斷層探查及注漿加固孔26 個，終孔深度均位于2 號煤底板下38～40 m，注漿加固深度滿足突水系數不大于0.1 MPa/m的要求，F15 斷層下盤大青灰巖含水層探查注漿孔27 個，終孔穿過大青灰巖，位于大青灰巖下2 m左右。在所施工的53 個鉆孔探查注漿加固孔中，水量大于20 m3/h 的鉆孔共4 個，水量介于10～20 m3/h 的鉆孔9 個，水量介于5～10 m3/h 的鉆孔8個，小于5 m3/h 的鉆孔28 個，無水鉆孔4 個。

經分析在通過斷層但未揭露大青灰巖情況下，鉆孔均未發生出水現象，所有鉆孔均為揭露斷層下盤大青灰巖發生的出水，直接證明了F15 斷層本身不含（導） 水。

3.2 F15 斷層注漿加固效果鉆探驗證及補強加固階段

通過對上一階段出水鉆孔的數量、水量、密集分布情況等進行統計分析可知，鉆孔出水位置均位于F15 斷層下盤大青灰巖層位，且斷層下盤大青灰巖富水性不均一，因此針對鉆孔出水較大、大青灰巖局部富水性較強區域設計施工了22 個注漿效果驗證孔，驗證孔終孔均穿過大青灰巖含水層下部不少于2 m，檢查驗證孔終孔水量均小于5 m3/h，說明第一階段的探查加固注漿效果良好，大量充水通道得到了有效封堵，為下一步7722 工作面安全開采打下堅實基礎。

3.3 物探驗證階段

注漿加固及效果驗證階段結束后，為進一步探明注漿加固工程效果，利用多角度瞬變電磁探測技術對工作面運料巷西側120 m 水平范圍內、底板下80 m以淺垂向范圍內富水異常區進行探查，共計探測9個角度，均未發現水文異常區，證實F15 斷層及斷層下盤大青灰巖含水層注漿效果良好。7722 工作面F15斷層瞬變電磁物探成果示意圖如圖2所示。

圖2 7722 工作面F15 斷層瞬變電磁物探成果示意Fig.2 Transient electromagnetic geophysical exploration results of No.F15 fault in No.7722 face

4 F15 斷層及下盤大青灰巖含水層治理成果分析

此次探查治理工程主要采用井下物探與鉆探相結合的綜合防治水措施，在工作面運料巷中，選擇合適的鉆探位置施工定向探查鉆孔對F15 斷層及斷層下盤大青灰巖含水層進行探查及注漿加固，鉆孔終孔水平間距30 m，治理范圍為工作面下方38～40 m，工作面外圍60 m。同時井下建立注漿站，確保注漿加固效果，此次注漿加固工程共注漿342.95 t。通過對F15 斷層進行的井下探查注漿加固工程，進一步查清了F15 斷層的位置、性質及斷層下盤大青灰巖的富水性，同時對斷層構造裂隙帶及斷層下盤大青灰巖含水層進行了有效注漿加固治理，現根據探查注漿治理過程分析如下。

4.1 探查成果分析

針對F15 斷層及斷層下盤大青灰巖含水層，先后通過3 次探查治理加固工程，共施工鉆孔76 個，總工程量6 369.5 m，累計注漿342.95 t。結合鉆孔成果分析，F15 斷層在7722 工作面附近已基本控制清楚，穿過F15 斷層帶時鉆孔均未出水，且鉆孔揭露斷層面時由粘泥充填，膠結密實，進一步驗證了F15 斷層為不導（含） 水斷層。

同時，經探查驗證7722 工作面F15 斷層落差在78～125 m，局部塊段落差比原預計有所增大，斷層（上盤斷煤交線） 整體向7722 工作面發生偏移，最大偏移量19 m，特別是7722 探巷附近塊段因F15 斷層落差比預計增大導致下盤大青灰巖含水層與上盤2 號煤層間距為7722 工作面最小。

另外，統計分析所有探查注漿孔及檢查驗證孔成果資料可知，除砂巖層位出水外，出水鉆孔出水位置均在F15 斷層下盤大青灰巖層位，從鉆孔出水量及數量分析，大青含水層含水性不均一，整體富水性較弱。

4.2 加固成果分析

4.2.1 F15 斷層加固

通過2 次探查治理工程鉆孔出水量對比分析，F15 斷層得到了有效的注漿加固，同時，通過加固治理工程所有鉆孔出水層位分析，未發現垂向導含水通道。

4.2.2 大青灰巖含水層加固

此次探查治理工程中所有大青灰巖探查注漿孔均揭露大青灰巖，其中除4 個孔無水，4 個孔在大青位置未出水外，其他鉆孔均在大青灰巖含水層出水，出水水量1.5～30 m3/h，水壓1.4～2.2 MPa。經分析所有出水鉆孔水量及出水位置可知，F15 斷層下盤大青灰巖富水性不一，整體富水性較差。針對鉆孔出水較大、大青富水性較強的區域施工了23 個鉆孔，進行了注漿效果檢查驗證及補強注漿加固，檢查驗證孔累計注漿量110.6 t，驗證孔揭露大青灰巖出水均不大于5 m3/h，因此通過此次探查治理工程，對7722 工作面F15 斷層下盤的大青灰巖含水層進行了有效的注漿加固，治理效果明顯。

4.3 解放煤炭資源分析

利用地面補勘、井下物、鉆探相結合的防治水技術方案，精準控制了F15 斷層在7722 工作面附近的發育范圍及產狀，通過對斷層的探查注漿加固，在工作面不留煤柱緊靠斷層上盤斷煤交線布置的情況下，消除了工作面采掘突水的威脅，順利解放斷層煤柱資源38 萬t。

5 結論

（1） 針對斷層構造發育、地質條件復雜區域，確定了地面勘探孔精準控制斷層產狀，井下物、鉆探綜合探查治理方案合理。

（2） 由于斷層落差較大，且附近裂隙發育，對斷層分層探查加固，第一層施工至斷層面，控制深度滿足突水系數不超過0.1 MPa/m，第二層終孔至斷層下盤大青灰巖層位，對大青灰巖進行注漿加固。同時，優先施工運料巷，確保鉆探安全距離，大大提高了井下施工安全系數。

（3） 鉆探施工過程中制定了合理有效的安全技術措施，鉆孔安裝有閥門，實現了斷層出水水量可控，同時，完善的排水系統配置也確保了出水可及時排出，保證了治理工程安全性。

（4） F15 斷層煤柱的安全解放,為煤炭儲量枯竭、呆滯煤炭資源量大的礦井長遠發展提供了一條新的思路。