孙疃煤矿灰岩水补给通道分析及封堵实践

蔡学斌, 王大设，朱传峰

(1.安徽煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000；2.淮北矿业股份有限公司，安徽 淮北 235006)



孙疃煤矿灰岩水补给通道分析及封堵实践

蔡学斌1, 王大设2，朱传峰2

(1.安徽煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000；2.淮北矿业股份有限公司，安徽 淮北 235006)

孙疃煤矿采区划分多以大断层为界，水文地质分区特征明显。矿区10煤层开采受底板太灰水威胁。太灰水具有高承压、弱富水、不均一的特征。针对此特点，10煤层开采主要采取区域疏降治理措施。101采区疏降初期太灰水位出现大幅下降，但随后出现了回升现象，100d内累计回升超过50 m。在整理前期水文地质资料的基础上，结合水位、水质变化，分析了太灰水位上升原因。研究认为，奥灰水参与了补给，补给通道位于采区浅部煤层露头附近。据此进行了通道堵漏。注浆堵漏期间，太灰观测孔14-观1、15-观3的水位变化趋势为初期回升、治理期间波动、治理后下降；奥灰观测孔15-观2水位呈现初期下降、治理期间回升、治理后稳定的趋势，说明太灰与奥灰水位两者间联动性较好，治理效果明显，确保了疏降成果。

区域疏降；水位上升；补给通道；灰岩含水层；注浆封堵

孙疃煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，距宿州市23 km。矿井处在淮北煤田临涣矿区东部，矿井南部以界沟断层为界与任楼矿接壤，北部以杨柳断层为界与杨柳矿毗邻，南北长10 km，东西宽3～5 km，面积44 km2。矿井采用立井石门开拓方式，水平标高-545m，采用上、下山开采。矿井设计能力1.80 Mt/a，2008年6月投产，核定生产能力3.00 Mt/a。

矿井采区划分多以大断层为界，水文地质分区特征明显，自北向南被断层分割为104、102、101和103四个采区，分别为相对独立的次级水文地质单元，采区间太灰水力联系弱。太灰水具有高水压、弱富水、不均一的特征，浅部露头外富水性相对较强，向深部富水性逐渐减弱，垂向分带性明显。针对此特点，以采区为单元采取区域疏降措施治理10煤层底板太灰岩溶水害。

101采区疏降初期太灰水位出现大幅下降，地面太灰观测孔(14观1)最低水位-183.94 m，井下101放水巷观测水位为-420 m。2016年5月28日，101采区总放水量保持110 m3/h没有变化的情况下，14观1孔太灰水位出现回升，100 d内累计回升超过50 m。

本文在整理前期水文地质资料的基础上，结合奥灰水位、水质变化，分析了太灰水位上升原因，确定了补给水源、可能的补给通道，并据此设计施工2个注浆钻孔对补给通道进行封堵。

1 矿井地质及水文地质条件

1.1 矿井地质

矿区地层由老至新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、新近系、第四系。主要含煤地层为二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组。可采煤层有31、51、72、82、10等5层，主采煤层为72、82、10煤层，平均总煤厚6.39 m，煤种以1/3焦煤为主，矿井资源储量2.55亿t，可采储量1.20亿t。

矿井位于童亭背斜东翼，总体构造形态为一走向近南北、倾向东、倾角10°～20°且沿走向略有扭曲的单斜。构造复杂程度为中等类型。矿井断层较发育(图1)，落差10 m以上的断层130余条，且全为正断层，其中落差大于100 m的断层9条，50～100 m的断层16条；20～50 m的断层43条，10～20 m的断层62条。10m以下断层特别发育。

图1 矿井构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Suntuan coalmine

矿井内岩浆岩不发育，72、82煤层局部受岩浆岩影响，10煤层未受到岩浆侵蚀。

1.2 水文地质条件

矿井内地势平坦，地表水对开采没有影响。童亭背斜为灰岩隐伏裸露区，北高南低，为矿井灰岩水的主要补给区域。

1.2.1 含水层

矿井为松散层覆盖下的全隐蔽矿床，对煤层开采有影响的含水层为“四含”、煤系砂岩含水层、太灰含水层、奥灰含水层。

①“四含”受古地形控制，厚度0～18.40 m，平均5 m，主要由粘土质砂、中细砂、砂砾等组成，泥质含量大，多数为残坡积物，分布不稳定，北部多数钻孔“四含”缺失。“四含”富水性弱，补给水源不足，q=0.002 7～0.029 L/(s·m)，k=0.040～0.089 m/d。

②煤系砂岩含水层，主要由砂岩、粉砂岩等组成，砂岩裂隙一般不发育，含水性较弱，q=0.001 9～0.009 31 L/(s·m)，k=0.006 56～0.086 05 m/d。

③太灰含水层，矿井内26-3和30-14两孔穿过太原组，太原组总厚131.52 m，有灰岩12层，灰岩总厚度69.53 m，占太原组厚度的52.87%，灰岩单层厚度0.15～16.85 m，其中第3、4、12层灰岩厚度较大，对10煤层开采影响的主要是3、4灰。太灰含水层富水不均一，浅部露头外富水性中等。向深部逐渐减弱，1～4灰含水层(段)抽水试验成果：q=0.005 2～1.576 L/(s·m)，k=0.026～4.61 m/d。

④奥灰含水层，总厚度500 m左右，富水性强，q=0.020～3.16 L/(s·m)，k=0.015～8.69 m/d。由于远离煤层，对开采无影响。

1.2.2 隔水层

对矿井有影响的隔水层主要有两个，一是松散层中的第三隔水层(简称“三隔”)，二是10煤至太原组1灰之间的隔水层。

1“三隔”分布稳定，厚32.00～44.63 m，主要由灰绿色、棕黄色粘土及砂质黏土夹薄砂层组成，中下部部分地段见有泥灰岩及钙质黏土，可塑性好，膨胀性强，为良好的隔水层。“三隔”使以上的地表水和含水层与“四含”和煤系水失去水力联系。

②10煤至太原组1灰之间的隔水层，岩性主要为泥岩和粉砂岩，部分地带有砂泥岩互层，致密。10煤层至太原组一灰间距47.97～80.28 m，平均58.83 m，在一般情况下开采10煤时该层能起到隔水作用。

2 水源分析及通道探查

2.1 太灰水区域疏降情况

针对采区间太灰水力联系弱、可疏性较好的特点，以采区为单元采用井下密集穿层钻孔、直揭灰岩专用放水巷、顺层灰岩大口径放水钻孔等措施进行太灰水区域疏降，经过多年疏降，效果显著，102、104、101采区太灰水位分别降至-500 m、-213 m、-183 m以下。

2.1.1 疏降工程

①钻孔工程。2014年5月至2015年4月，101采区共完成放水孔45个，终孔层位为4灰。

②巷道工程。2015年10月至2015年12月，101采区施工专用灰岩放水巷，断面3.2 m×3.2 m，采用锚网支护。巷道拨门于10煤层底板下16 m，终止于4灰底板下1 m，全长225.5 m，其中揭露灰岩段88.3 m。

③大口径放水孔。2015年12月至2016年3月，在专用放水巷4灰段施工13个大口径灰岩顺层放水孔，工程量1 470.4 m。

2.1.2 疏降效果

101采区总放水量110 m3/h，其中放水孔水量65 m3/h,101灰岩放水巷水量45 m3/h。

疏降工程实施以来，地面太灰观测孔14观1水位从+1.22 m下降至-183.94 m，累计下降185.16 m，最大日降幅2.4m(图2)。地面太灰15-2水文补勘孔水位-438.7m，实现了疏降开采的目标。

图2 14观1水位疏降曲线Figure 2 Water level draining down curve in observation borehole No.14-G1

2.2 太灰水位变化分析

2.2.1 太灰水位变化情况

2007年施工的07-观3太灰观测孔，实测太灰原始水位+18.39 m，受102采区疏降影响，101采区太灰水位下降了17 m。2014年9月开始对101

采区疏降太灰水，水位出现大幅下降，101采区地面太灰观测孔14观1最低水位-183.94 m(2016年5月28日)，井下101放水巷观测水位-420 m， 15水2孔观测水位-438.7 m。

2016年5月28日下午，101采区总放水量110 m3/h没有发生变化的情况下，14观1孔太灰水位出现回升，累计回升超过50 m(图3)，与此同时，15-观1孔奥灰水位+9.9～9.7 m，11观1孔“四含”水位-140m左右，均未出现异常变化。

图3 14观1水位回升曲线Figure 3 Water level rising up curve in observation borehole No.14-G1

2.2.2 水质分析

14观1孔水位出现回升后， 2016年6月2日、6月13日、 8月10日、 9月6日分别对1017机巷和101采区放水巷取水样进行水质分析，并与之前水样进行对比(表1)。通过对比发现Ca2+、Mg2+、HCO3-、全硬度和溶解固形物(TDS)值均上升，且明显有向奥灰水质靠近趋势。

2.2.3 补给水源分析

101采区露头附近施工的09水3、11观1、注2孔和11水1孔均对”四含”进行取心和抽(注)水试验表明：“四含”不发育，富水性弱(表2)。

表1 101采区灰岩水质分析对比

表2 101采区浅部“四含”钻孔统计

根据井下放水孔水质分析对比，Ca2+、Mg2+、HCO3-、全硬度和溶解固形物(TDS)数值均上升，且明显向奥灰水质靠近，奥灰水位与太灰水位差值较大，且呈下降趋势，11观1孔“四含”水位稳定在-140 m左右，变化不明显。因此，可判定奥灰水参与补给，“四含”很少或没有参与补给。

2.2.4 补给通道分析

通过对井下太灰疏放水量、水质化验及地面钻探资料分析，可以确定奥灰水参与补给。根据以往疏降水位下降曲线及本次回升幅度，估算奥灰补给水量约为50 m3/h，补给通道位于采区浅部煤层露头附近。

①矿井三维地震勘探面积达65.48 km2，全面开展了矿井隐蔽致灾因素普查，未发现岩溶陷落柱及疑似陷落柱。101采区的钻探及物探工程也没发现岩溶陷落柱及其他地质异常体，可以确定区域内不存在陷落柱垂向导水通道。

②通过灰岩水区域疏降，太灰水位大幅下降，14观1孔最低水位达-183.94 m，累计下降180 m之多，奥灰水位基本稳定+7.5 m附近，太灰与奥灰含水层间压差达到1.9 MPa，15观2孔附近由于断层存在，太灰与奥灰间距缩短，断层裂隙发育，在断层破碎带、裂隙发育等薄弱区域，由于两个含水层压差较大，通过压力传递，含水层间形成水力联系，由高水位向低水位补给。

③浅部露头区施工的15观2、注1和注2孔均揭露断层。2015年5月1日15观2孔在300～350 m段注浆处理断层带时， 孙疃观1(奥灰)水位4 d回升了62.4 m，而14观1孔太灰水位仍保持下降(原先两孔水位升降趋势一致)，说明孙疃观1与14观1孔之间有联系通道，该区域断层或裂隙导通太灰和奥灰，导水通道位于该区域的可能性大(图4、图5)。

图4 101采区浅部钻孔分布Figure 4 Winning district No.101 shallow part boreholes distribution

图5 101采区浅部地质剖面Figure 5 Winning district No.101 shallow part geological section

3 补给通道封堵

3.1 工程设计方案

①钻探工程。通过以上分析，在15观2孔两侧50 m附近，沿煤层走向设计施工2个探查注浆孔(注1、注2)(图4)，探查、注浆封堵导水裂隙，切断奥灰水源补给通道。

②注浆工程。原则是探注结合，下行注浆。浆液密度1.5 g/cm3，有消耗就注浆，无消耗时10～20 m为一注浆段。

矿区太灰正常水位-140 m左右，煤层底板标高-250～-500 m，则太灰静水压力1.1～3.6 MPa，结合注浆设备耐压能力，本次根据经验数据，选取注浆终压3～4 MPa，加上250～300 m浆柱压力约4MPa，总压力可达7～8 MPa。

注浆结束标准，孔口压力3～4 MPa，终量不大于80 L/min且稳定30 min。

3.2 工程实施情况

2016年6月28日，钻机施工注1孔，7月23日钻进272 m至4灰层位，钻井液漏失严重，观测水位-156 m，与14观1孔水位基本一致，注浆期间有吸浆现象，注浆后扫孔至304 m返浆。因为塌孔，265～270 m段钻进困难，期间受下雨天气影响，水泥供应不上，影响注浆效果。

2016年8月17日调整施工方案，一是建设地面注浆系统，加大注浆量；二是加快注2孔施工。

注2孔钻进至268 m(3、4灰层位)出现全漏。2016年9月21日地面注浆站开始注浆，浆液密度1.5 g/cm3，注水泥200 t/d以下。12月9日浆液密度调整为1.6 g/cm3，注水泥量超过200 t/d，注浆量逐渐增加，12月15日以后注入水泥量基本维持在500 t/d，直至工程结束。

4 工程效果

4.1 钻探成果

①对比分析注1、注2与15-观2孔资料，可以看出，整体上该区域地层相对稳定，层位清楚，对比可靠。

②注1、注2孔所揭露的断层破碎带，可能与15-观2孔所揭露破碎带(314.27～333.76 m)为同一断层构造，或者与其之间有一定的关联。

③钻进过程中所揭露破碎带，特别是注1孔268.00～270.00 m段，可能为直接导水通道或与导水通道关联密切。

4.2 水文地质成果

①据太灰段注浆前后注2孔注水试验资料：静止水位标高-85.94～-138.40 m，单位涌水量0.0382～0.133 L/(s·m)，渗透系数0.106～0.662 m/d，属弱-中等富水性含水层。对比同采区14-观1孔太灰含水层水文参数，单位涌水量0.32 L/(s·m)，渗透系数4.30 m/d，不难看出，注浆后注水试验参数远远小于14-观1孔。注2孔注浆前太灰压水试验段透水率为6.325 Lu，注浆结束后太灰压水试验段透水率仅为0.888 Lu，注浆后水文参数相比注浆前更小，说明注浆堵水改造了太灰岩溶裂隙，使其富水性大大降低。

②钻进中，注2孔在揭露奥灰段前后，分不同的含水层段分别对孔内水位进行观测(表3)。

表3 注2孔孔深与水位观测统计

从表3中可以看出，奥灰水位标高+8.00 m，太灰段3灰、4灰水位标高-116.03～-122.24 m，两者差值明显；太灰下段八灰、九灰水位-21.35～-25.15 m，水位较高，与奥灰之间有水力联系，奥灰对太灰下段影响明显。

③注1孔破碎带位置孔内水位异常下降，可能与井下放水有关。井下放水，导致太灰水位以放水点为中心形成漏斗区，破碎带形成的导水通道连接着放水漏斗区。在钻孔揭露破碎带后，即相当于钻孔直接连接于漏斗内深水位点，从而导致钻孔内水位较低，更接近井下观测孔水位。

4.3 注浆效果

注浆严格按照设计要求实施，分段下行对太灰及破碎带进行注浆，遇漏失段提钻注浆，确保对太灰段裂隙全覆盖注浆加固。

施工阶段，累计注浆15次，注水泥23 802.90 t，终孔压力3.0～4.2 MPa，最大达6.0 MPa，对太灰含水层溶隙裂隙以及断层破碎带进行了有效充填。

注2孔注浆量较小，注1孔注浆量较大，反映出区域内溶隙裂隙发育不均一的特征。从分段注浆情况看，太灰中1灰至4灰及破碎带注浆量达22 294.50 t，说明富水性中等以上，吃浆量大。

①单位注浆量。经统计计算，平均单位长度注浆量39.56 t/m，平均单位治理面积注浆量1.52 t/m2，说明治理区域太灰溶隙裂隙较发育，断层带原始充填胶结较差。

②注浆扩散距离。根据注浆前压水试验成果，该区域无论是太灰还是断层带溶隙裂隙均较发育。注1孔注浆量大，以充填溶隙裂隙为主，扩散距离较远，经分析可达70～80 m；而注2孔施工较晚，扩散距离受注1孔注浆影响，扩散距离相对较近。

4.4 水位观测成果

地面注浆堵水工程施工阶段，持续对太灰孔14-观1、15-观3和奥灰孔15-观2水位进行观测。

注浆期间，太灰观测孔14-观1、15-观3的水位变化趋势为初期回升、治理期间波动、治理后下降；奥灰观测孔15-观2水位呈现初期下降、治理期间回升、治理后稳定的趋势，太灰与奥灰水位两者间联动性较好(表4)。

表4 注浆期间灰岩水位观测统计

2016年12月9日以后浆液密度调整为1.6 g/cm3，注水泥量逐渐增加，最大达605 t/d，12月18日开始，太灰水位出现快速下降，最大日降幅6.18 m(12月21日)，并呈逐渐递减趋势；12月29日，注2孔注浆处理塌孔，太灰水位回升，出现波动。截至2017年2月20日，14观1太灰水位从回升最高点-107.43 m下降至-150.23 m，累计下降了42.8 m，奥灰观测孔水位稳定在+6m左右。

5 结论

工程自2016年6月28日开始至2017年1月24日结束，历时205 d，共完成2个注浆孔，钻探进尺681.76 m，累计注水泥23802.90 t，注浆孔口终压3.0～4.2 MPa，单孔结束单位吸水率小于0.01L/MPa·m·min，达到了设计要求。

①注1、注2两孔揭露的断层破碎带，进一步验证15-观2揭露的断层破碎带分布特征，断层落差24～32 m，分析其为太灰、奥灰水力联系通道。

2钻探过程中，钻井液在“四含”段无明显漏失，在太灰及奥灰段漏失明显，根据压(注)水试验成果，“四含”属弱富水性含水层；太灰、奥灰溶隙裂隙较发育，富水性中等-强。

③注浆前太灰与奥灰之间水力联系密切，奥灰对太灰直接补给。注浆后，太灰段溶隙裂隙及破碎带得到充分加固，太灰与奥灰间直接水力联系被切断，奥灰对太灰补给关系由直接补给变为间接越流补给。

④从注浆材料消耗情况分析，注1孔注浆量大，扩散距离较远，注浆中起压缓慢，钻孔附近形成注浆体较大；注2孔注浆量相对较小，注浆中起压较快，扩散距离相对较近。

⑤采用下行分段注浆，分段达到注浆标准，单液水泥浆密度控制在1.5～1.6 g/cm3，形成结石体水解可能性不大，注浆堵水效果可长期有效。

⑥注浆治理后，奥灰水位趋于平稳，太灰水位在井下放水量不变的情况下逐日下降并接近原水位，2017年1月21日至1月26日日降幅0.45 m，1月26日12时水位已降至标高-158.08 m。

⑦生产中应加强对太灰与奥灰水位、井下放水量观测和井下放水水质测试，确定合理放水量，稳定太灰水位，确保奥灰与太灰水位差在安全范围内。

本次注浆虽有效封堵了太灰奥灰水力联系通道，但随着井下放水时间延续，奥灰与太灰间水位差逐渐增大，注浆体承压不断增加，加之奥灰与太灰间可能有其它薄弱区域存在，不排除再次导通的可能。

[1]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2]国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定释义[M].江苏徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[3] 柴登榜．矿井地质工作手册[M].北京：煤炭工业出版社，1986.

[4]姚多喜，鲁海峰．安徽省煤矿水文地质及水害防治技术[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2016.

[5] 虎维岳．矿山水害防治理论与方法[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[6] 武强．煤矿防治水手册[M].北京：煤炭工业出版社， 2013.

[7] 张正浩．煤矿水害防治技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[8] 桂和荣，陈陆望．矿区地下水水文地球化学演化与识别[M].北京：地质出版社，2007.

[9] 王大设．孙疃煤矿1028工作面底板灰岩突水原因分析与认识[J]，安徽建筑工业学院学报，2010，(6).

[10] 朱传峰．孙疃煤矿10煤层底板灰岩水富水性特点与防治对策[J]，安徽煤炭，2011.

[11]孙疃煤矿.孙疃煤矿生产地质报告[R].安徽淮北：孙疃煤矿，2016.

[12]孙疃煤矿.孙疃煤矿矿井水文地质类型划分报告[R].安徽淮北：孙疃煤矿，2016.

Limestone Water Recharge Channel Analysis and Plugging Practice in Suntuan Coalmine

Cai Xuebin1, Wang Dashe2and Zhu Chuanfeng2

(1. The Third Exploration Team, Anhui Bureau of Coal Geological Exploration, Suzhou, Anhui 234000;2. Huaibei Mining Industry (Group) Co. Ltd., Huaibei, Anhui 235006)

The winning district partitioning in the Suntuan coalmine is mostly taken the major fault as the boundary with clear hydrogeological characteristics. The extraction of coal No.10 in the mine area is threatened by the floor Taiyuan Formation limestone water. The Taiyuan Formation limestone aquifer has characteristics of high confining pressure, weak water yield property and inhomogeneity. In allusion to the features, the regional draining control measures have been mainly adopted in extraction of coal No.10. During the initial drainage in the winning district No.101, the Taiyuan limestone water level has been dramatically dropped, but risen soon afterwards, cumulative recovery over 50m within 100 days. Based on previous hydrogeological data sorting out, combined with water level, water quality variation, analyzed Taiyuan limestone water level rising causation. The study has considered that the Ordovician limestone water has taken part in recharge, and the channel is near the shallow part coal seam outcrop, accordingly carried out the channel plugging. During the grouting plugging, the water level variation in Ordovician limestone water observation boreholes Nos.14-G1, 15-G3 has a trend of initially rising up, fluctuation during the control, then lowering down after control; water level in observation borehole No.15-G2 has a trend of initially lowering down, rising up during the control, then stabilizing after control. Those have explained the good linkage between Taiyuan limestone and Ordovician limestone water levels, and control effect is apparent, thus ensured drainage results.

regional drainage; water level rising up; recharge channel; limestone aquifer; grouting plugging

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.09

1674-1803(2017)06-0048-07

蔡学斌(1968—)， 男， 汉族，安徽无为人 ，高级工程师 ，从事地质及矿井水文地质工作。

2017-03-28

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责任编辑：樊小舟