云南威信李子埂煤矿突水治理方案分析

虞 慧，莫美仙，陈海宁，杨光亮

(1.云南省地质工程勘察总公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650031)

1 矿区地质概况

1.1 地形地貌

威信县李子埂煤矿区域上位于四川盆地南部边缘，地貌类型属构造剥蚀中低山地貌区，区域总体地势西高东低，南高北低，由西向东近呈阶梯状降低。地层走向近南北向，倾向东，本区地形走向与构造走向基本一致，受构造侵蚀剥蚀作用强烈，地形切割强烈，沟谷纵横。

1.2 地层岩性

区域内地层由老到新出露有寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、侏罗系及第四系地层，缺失上古生界泥盆系及石炭系，下古生界各系地层不全。其中寒武系至奥陶系的各组地层分布在背斜核部。向斜核部分布地层有侏罗系，二叠系及三叠系地层分布在背斜向斜两翼，第四系地层零星分布于山间凹地及沟谷两侧。

矿区范围内出露地层有二叠系下统茅口组(P1m)、二叠系上统峨嵋山玄武岩组(P2β)，龙潭组及长兴组(P2l+c)，三叠系下统卡以头组(T1k)及飞仙关组(T1f)；第四系(Q)。

1.3 地质构造

本区位于杨子板块南部，川滇古陆核东南缘。大地构造单元属杨子准地台，滇东台褶带、滇东北台褶束。滇东北台褶束范围南西以小江断裂(南北向)及会泽断裂(北东向)为界；北部与东部分别延伸入四川省及贵州省境内。威信县以北东褶皱构造的背斜紧密向斜宽缓，除新庄向斜外，其它的背斜向斜均为短轴褶皱，除褶皱构造外，北东向的断裂构造也比较发育，此外还有少量东西走向及南北走向的断裂构造。

2 矿区水文地质特征

2.1 地下水类型

根据矿区地下水赋存形式及地下水活动特征，将矿区地下水类型划分为孔隙水、裂隙水、岩溶水三种类型。其中，孔隙水、裂隙水富水性弱，在本区的水文地质意义不大。

本区岩溶裂隙水赋存于二叠系下统茅口组(P1m)灰岩的岩溶裂隙中。该含水层紧邻矿区，地层倾向东，倾角在30°左右，这样的情况使矿区玄武岩、碎屑岩下伏茅口组(P1m)灰岩，该灰岩发育溶蚀裂隙，富含岩溶裂隙水，在矿区及附近其富水性强弱以龙洞坝泉(48.38L/s)为典型值，亦即富水性强。

该岩溶水接受矿区西南部、南部广大裸露岩溶山区的补给，从海拔较高的补给区逐步向地势较低、宽缓的龙洞坝、顺河村方向径流、排泄。在李子埂、龙洞坝一带，这一补给、径流、排泄过程受到P1m含水层上覆玄武岩、碎屑岩的阻挡，水头升高，形成承压型岩溶水。

2.2 断层、裂隙、破碎带富水性

在井下巷道调查过程中发现C9煤层顶板细砂岩、粉砂岩有淋水点13处，均为层面裂隙含水。水量均比较小0.04～0.42L/s。井下最低淋水点标高+495.8m，流量0.31L/s，矿井初见水位标高+592m，流量0.071L/s，井下淋水最大处(Ls-13)标高+586.7m，流量0.421L/s，该淋水点巷道总长约15m，可能与上部存在C9老窑采空区有关，属上部C9小窑采空裂隙水。除此之外，矿井未发现破碎带含水情况，虽然地面罗布河离煤层比较近，目前尚未发现矿井水与该地表水体的水力联系情况。

2.3 矿井充水特征

李子埂煤矿为平硐+暗斜井开拓，主平硐井口坐标X=3095738.266；Y=35501703.195；H=592.625，入井方位角约237°，开凿地层是二迭系龙潭组地层，岩巷长约455m，标高+597m见C9煤层，回风井坐标X=3096079.171；Y=35501601.450；H=584.913，石门方位275°[2]。在采空区下方发现有少量淋水，流量0.04～0.23L/s。井下煤岩巷道地质调查编录结果，矿井初见水位标高(LS-01)+592m，地下水出露于长兴组地层上段，煤层顶板砂岩裂隙含水层少量淋水，气温5℃，水温8℃，流量0.07L/s，此外在矿井主平硐中还有2处出水，一处是LS-02长兴组中下部，细砂岩裂隙含水层少量裂隙水，气温5℃，水温8℃，流量0.08L/s；另一处是在主平硐卡以头地层下部砂岩裂隙水SH-1，流量0.86L/s，气温5℃，水温12℃，在+548m标高的C9煤层南运输巷500m巷道中仅发现顶板砂岩裂隙含水层4处淋水；LS-03流量0.15L/s，LS-04流量0.09L/s，LS-05流量0.23L/s，LS-06流量0.13L/s，气温7℃，水温10℃。以上4处淋水与C9煤层上部采空区裂隙水有关。在该巷道南段未采动地段巷道中未发现有顶板滴水现象。另外在C9最低水平+500m平巷中有一处淋水CLS-07裂隙水流量0.31L/s，气温8℃，水温13℃。在矿井北段回风石门中见6处含水层裂隙水出水点，出水标高为+584m，LS-08流量0.05L/s，气温6℃，水温8℃，出水地层为T1k细砂岩，LS-09流量0.08L/s，淋水出露位置卡以头地层底部细砂岩裂隙水。LS-10出水点位于长兴组(P2c)顶部粉砂岩裂隙水，流量0.12L/s，气温6℃，水温8℃，LS-11-12出水点位于龙潭组(P2l)上部细砂岩裂隙水，气温6℃，水温8℃，水量分别是0.15L/s，0.04L/s；LS-13淋水点位于C9煤层顶板细砂岩裂隙水，气温6℃，水温8℃，水量0.41L/s与上部老窑采空区裂隙水有关。

暗斜井(标高+592.62m)一般涌水量450.14m3/d，雨季最大涌水量为756.24m3/d，矿井单位面积，单位降深涌水量5.8×10-6m3/d·m2·m～9.8×10-6m3/d·m2·m。矿井水一般主要来自C5、C9煤层采空区上方弱含水层裂隙水，主要接受大气降水补给。

3 突水原因分析

3.1 矿井突水来源分析

突水处地层为龙潭煤系地层P2l，上覆地层为长兴组P2c碎屑岩地层、卡以头组T1k碎屑岩地层，煤矿上部碎屑岩突水，主要是煤层采动导致其岩层力学性质的变化，碎屑岩裂隙水涌人巷道，导致突水，此种突水由于突水水源富水性较差，并且赋存在裂隙中，但连通性差，所以一般水量较小，容易疏干，对煤矿构不成严重的威胁。

而煤矿的下部突水，当采煤巷道或工作面离灰岩较近时，由于采动导致隔水岩层破坏，产生裂隙，进而在水压的作用下，底板水突破隔水层，产生底板突水[3]。P1m含水层赋存的碳酸盐岩岩溶水要在矿井中形成突水还需要具备两个条件，一是在突水处一定区域内岩溶水水压较高，其水(头)位至少要高于突水处裂缝海拔高程493.70m才可能形成突水；二是必须有裂隙通道与突水井巷勾通，两个条件缺一不可，才可能形成突水。

通过对区域水文地质条件的分析可以看出，P1m含水层为区域上的主要含水层，矿区南部、西南部的广大岩溶山区接受大气降水的补给，在岩溶含水层中由高处向低处径流，即由南、西南向北、北东方向径流，在顺河村以北区域排泄。在这个补给、径流、排泄系统中，补给—径流区岩溶含水层中的岩溶水形成的水头海拔高程是比较高的，因为这些地方是较高的山区，而矿区位于龙洞坝村南侧，其下伏P1m岩溶含水层处于这个补给、径流、排泄系统的径流—排泄带，上覆玄武岩相对隔水层和碎屑岩弱含水层，对下伏P1m岩溶含水层中的岩溶水具有阻隔作用，使岩溶水具有形成较高水位的条件。井巷突水后的稳定水位582.70～574.65m(海拔高程)，即为下伏P1m岩溶含水层中的岩溶水在煤矿突水区域的承压水头高程。

另外，巷道揭露的小断层也可能成为充水通道，使小断层活化，勾通巷道和灰岩水的联系而引发突水[4]。矿区地表未发现有明显的断裂形迹，本次突水前挖掘中发现的15cm宽裂缝和充填物特征分析，该裂缝是一条断距为15cm的小规模断裂，该断裂的破裂面延展穿过了玄武岩P2β进入P1m岩溶含水层中，或者说发育于P1m地层的断裂破裂面延展穿过了玄武岩P2β进入煤层。断裂破碎带碎屑和泥化物对P1m岩溶地下水有一定程度的阻隔，但断裂破碎带为软弱带，具有一定程度的透水能力，当巷道揭露该小断裂后，水头压力高达89.7m，断裂带随即产生滴水，逐步被岩溶水压力冲开，形成股状流和高压急流，突水也就形成了。

总之，煤矿的突水是由多种原因造成的，只是每次突水时，都会有一种或数种因素在起作用，断层的存在是煤矿突水中不可忽视的原因之一。本矿井突水来源为煤层下伏茅口组P1m岩溶含水层中赋含的岩溶水，其突水途径为小断裂，突水的水动力条件为矿区煤层下伏茅口组P1m岩溶水具有承压高水头。

3.2 矿井突水和龙洞坝泉的关系

矿井突水水源和龙洞坝泉均为茅口组P1m岩溶含水层中的岩溶水。从区域水文地质图中可以看出，它们具有共同的补给、径流、排泄系统，其中矿井突水处位于径流区，龙洞坝泉处于排泄区，两地距离仅500m。

当从补给区向径流—排泄区运移的岩溶水以突水的方式进入位于径流区的井巷后，原有的径流、排泄过程发生变化，岩溶水首先要对井巷充水而不向龙洞坝泉供水，只有当井巷的水头上升到与原来径流区的水头持平后，也就是补给、径流、排泄系统恢复为未突水前的状态时，径流区才会向排泄区恢复供水。这就是为什么突水发生后龙洞坝泉水断流，而当井巷突水水位升高并稳定后，龙洞坝泉涌水量逐步恢复的原因。

4 矿井突水治理方案分析

4.1 矿井突水治理方案分析

首先要解决的是龙洞坝泉涌水不受本次突水影响的问题。要解决这个问题，就必须封堵导水断裂，而要封堵该导水断裂，就必须找到该断裂的具体位置，然后用砼等材料封堵。其次要解决的是继续采煤的问题。要解决这个问题，同样要封堵该导水断裂，把突水抽走，查清经过突水长期侵蚀后硐体稳定性，是否诱发了其它导水裂隙，并采取治理措施后才能继续采煤。

从以上分析可知，封堵导水断裂是解决以上两个问题的前提，因此本次突水治理方案的重点是封堵导水断裂。下面对封堵导水断裂方案进行分析：

(1)采用大泵量抽水方法，即将突水抽干并边抽边进行封堵施工。采用该法的优点是：封堵直接，效果一目了然。施工可能出现的情况是：①水量太大，难以抽干；②水压过大，封堵不成功；③高水头、大泵量降水，施工过程中会导致龙洞坝泉干枯，同时，岩溶水的补给、径流、排泄系统可能发生质变，即便封堵成功，龙洞坝泉是否恢复涌水是个问题。

(2)地表钻孔注砼法，即不考虑抽水，采用物探方法在突水处的地表寻找接近突水部位的井巷，用钻机钻孔到突水井巷内，将砼等封堵材料从钻孔内送下去填堵、灌浆。采用该法的优点是：受突水水量大小、突水压力的影响较小，封堵成功后将使龙洞坝泉涌水的补给、径流、排泄系统恢复到突水前的状态。

4.2 矿井突水治理方案设计

(1)物探工作

①根据现有突水段井巷资料，在地表初判有井巷的位置布置3条间隔15m，长度分别为60m，垂直井巷的物探剖面线，间隔30m的南侧再布置一条对比物探剖面线，采用电测深法进行物探工作，得出电测深物探剖面，找出井巷可能的3处位置和深度；

②连接3处位置中点的线即为井巷走向，将该线向南、北作适当延长，取长度60m作井巷的物探剖面线，采用电测深法进行物探工作，得出电测深物探剖面，找出井巷南侧端部和端部深度；

③为验证上述电测深法测出的井巷位置的准确性，可考虑再采用一种甚至多种物探方法对其校验，综合确定井巷的空间分布位置。

(2)钻孔布置

根据矿山提供的井巷突水资料，结合物探资料得出的突水井巷的空间分布，在距离井巷南侧端部5m的井巷中点布置1号钻孔、15m处布置2号钻孔，1、2号钻孔的中间点布置3号钻孔作加密灌浆孔。

(3)钻孔设计

图1 李子埂煤矿突水井巷治理方案工程布置简图

图2 突水井巷5-5′地质剖面图

钻孔设计见图1和图2。钻孔深度为地面高程至突水井巷底板5m以下，钻孔的孔深分别为ZK1为212.71m，ZK2为213.54m，ZK3为212.99m。设计需严格控制钻孔垂直度，测斜应采用高精度钻孔测斜仪，测斜间接不宜超过30m，终孔孔斜不得超过0.25°，并考虑采用无岩芯钻进工艺，在距离井巷5m时采用取芯钻进。

(4)钻孔施工

钻孔施工需严格按设计施工，应采用Y-4钻机或更大的机型钻井，需充分考虑到施工过程中的各种困难，带齐施工工具，护壁井管等材料。

(5)注砼

①砼的强度等级采用，加早强减水剂，使其24小时砼强度达到4MPa。

②砼的级配：每立方米混凝土材料用量(kg/m3)为：水泥385kg、水184kg、砂775kg、圆砾1050kg，其中，水泥采用普通硅酸盐水泥425或525早强水泥，砂采用河沙，圆砾采用直径不大于2.5cm，不小于1.0cm的公分石。根据现场砂石料条件进行试配确定，具体配比参照上述配合比。

③砼的坍落度 采用5～10cm，灌注时加入流化剂使其达到18～22cm。

④灌注

在钻孔中下入￠100～150带逆止阀的高强度PVC管或橡胶管，确保输料管中无水，以防止增大灌入砼的水灰比；

根据钻孔施工揭露井巷情况、物探资料、地质资料等计算需灌注的井巷体积，计算砼的灌注量；

灌注时需确保连续性、均匀性，一次性将准备好的砼料全部灌完；

检查钻孔中混凝土高度，推算井巷中的封堵长度；

(6)压水实验和灌浆

注砼结束48小时后在钻孔中钻进，钻穿井巷底板2～3m，冲孔换浆，确保孔底沉渣小于0.20m。然后在底板和砼之间、顶板和砼之间分段进行压水实验，透水率应小于 5Lu。

根据压水实验资料分析注砼效果，然后分段进行高压灌浆(灌注纯水泥浆，由稀到浓灌注，按灌浆规程执行)。

根据压水和灌浆资料分析封堵效果，研究是否需要采取更进一步补强措施，并实施。

(7)2号、3号钻孔的实施

①2号孔的实施要求与上述要求相同。

②3号孔的实施则根据1号、2号孔的封堵效果确定是否施工。如果1、2号孔的封堵效果都比较好则可以考虑暂缓3号孔的施工。一般情况下需按1号、2号孔的施工顺序和要求施工。

(8)效果验证

在上述工作完成10日，砼及灌入水泥强度基本满足要求后进行效果验证。验证方法是：

在风井中用水泵降水，首先将降深控制为1m，然后观测恢复情况，如果很快就恢复到原来的水位，则可断定本次封堵治理不成功，此时需分析原因，研究补救办法和采取补救措施。如果水位升高较小，或不能完全恢复到原来突水稳定位置，说明本次封堵治理可能有效果(水位有一定程度的恢复是由于井巷浅表岩体裂隙充水后释水)。可在进行更大降深的验证，即再降水，将降深控制为10m，观测其恢复情况，如果恢复依然很小，则可按降深30m、70m至抽干的顺序进行恢复水位的观测。如果封堵治理有一定效果，但还有微裂隙与导水断裂有联系，则水位会恢复较慢，但能够基本恢复至突水后稳定时的水位，此时需分析原因，研究补救办法和采取补救措施。如果封堵成功，那硐体淋水会逐步减少并慢慢恢复到突水前的状况。

(9)钻孔不能揭露井巷的治理办法

钻孔施工到设计深度，没有碰到井巷。这种情况原因较复杂，可能是物探工作未能准确控制井巷，也可能是孔斜造成，甚至还可能有其它原因。

首先要对孔斜进行准确测量，如果孔斜度满足设计要求，那说明不是由孔斜造成的，可能是由于物探确定的井巷位置不准确造成的，反之则有可能是由孔斜过大造成的，但不能排除物探位置的准确性。此时，各方技术人员应集中进行分析、讨论，确定原因。

如果确定是由物探位置不准确造成，则应对物探进行校勘，补充工作，必要时利用已有井，采用井内物探等方法，最终确定井巷位置后，在井巷中线距离南端部5m处布置钻孔施工。

如果确定是由孔斜过大造成的，则应根据测斜得到的倾斜方向和倾斜角，分析和计算拟布补充钻孔的偏移方向和位移，并布置钻孔施工。如果是由于井巷垮塌原因，则应考虑改变封堵办法，如孔位前移、灌浆等，应根据岩芯等施工现场的情况进行判断，确定封堵办法。如果上述原因均不能确定突水井巷的位置，只有采取帷幕灌浆的办法进行处理。帷幕灌浆需要布置的孔数较多，因而成本较高。

5 结 论

(1)、本矿井突水来源为煤层下伏茅口组P1m岩溶含水层中赋含的岩溶水，其突水途径为小断裂，突水的水动力条件为矿区煤层下伏茅口组P1m岩溶水具有承压高水头。

(2)矿井突水水源和龙洞坝泉均为茅口组P1m岩溶含水层中的岩溶水。它们具有共同的补给、径流、排泄系统，其中矿井突水处位于径流区，龙洞坝泉处于排泄区，当补给区向径流—排泄区运移的岩溶水以突水的方式进入位于径流区的井巷后，原有的径流、排泄过程发生变化，岩溶水首先要对井巷充水而不向龙洞坝泉供水，只有当井巷的水头上升到与原来径流区的水头持平后，也就是补给、径流、排泄系统恢复为未突水前的状态时，径流区才会向排泄区恢复供水。

(3)突水治理方案：采用物探方法寻找突水井巷，用“地表钻孔注砼法”封堵突水段井巷。该方案能彻底封堵本次突水的导水断裂和龙洞坝泉的水力联系，使龙洞坝泉涌水不会再受本次突水影响，同时，也能解除煤矿受本次突水的危害，为煤矿下一步的恢复工作奠定基础。该方案较为科学合理，但技术要求高，精度要求高，施工难度大。

参 考 文 献

[1]潘国营，聂新良，王长文.焦作矿区底板岩溶突水特征与预测[J].焦作工学院学报，1999，18(2)：89～92.

[2]云南省煤田地质局.云南省威信县旭新有限责任公司李子埂煤矿矿井生产地质报告 [R].2009.

[3]施龙青，韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

[4]董荣伟.河南义煤集团石壕煤矿突水原因分析[J].湖南环境生物职业技术学院学报，2009，15(2)：38～41.