五沟煤矿F16断层井下钻探及压水试验

郭晓亮，胡荣杰，吴俊松

(1.皖北煤电集团公司, 安徽 宿州 234000； 2.安徽恒源煤电公司五沟煤矿，安徽 淮北 235131)

应用研究·煤矿·

五沟煤矿F16断层井下钻探及压水试验

郭晓亮1，胡荣杰1，吴俊松2

(1.皖北煤电集团公司, 安徽 宿州 234000； 2.安徽恒源煤电公司五沟煤矿，安徽 淮北 235131)

五沟煤矿F16断层位于矿井西北部，大型正断层，落差30～150m，在矿井内走向长度约2.24km。1031工作面风巷靠近F16正断层，沿断层上盘断防煤柱线掘进，由于受F16正断层影响，上盘10煤层与下盘太灰间距进一步缩短，受采动影响，存在一定的太灰水突水威胁。通过井下钻探及压水试验进一步探测F16断层位置、落差及赋导水性，取得了F16断层的透水率及渗透系数等水文地质参数，为合理留设F16断层断防煤柱提供了关键依据。

断层； 压水试验； 水文参数

1 F16断层概况

F16断层位于五沟矿井西北部，1031工作面北部，为大型正断层。地面三维地震控制：错断5煤至奥灰，走向NEE，倾向SSW，在矿区内走向长度为2.24km，倾角70°，落差30～150m，东端与五沟断层相交，有J1- 6、J1- 4、补22钻孔控制。地面补22钻孔揭露 F16断层，断层带位置在孔深355.10m，落差80m左右，进行了抽水试验，渗透系数分别为0.833 3、0.956 2、1.055 4m/d。

该断层与1031工作面走向基本平行，距工作面风巷84～141m，暂无实揭资料。工作面在该断层的上盘(下降盘)，10煤层底板与一灰间的有效隔水层厚度进一步缩小，甚至对接。

为进一步控制F16断层的位置、落差、赋导水性，在1031工作面风巷TZ3钻场设计2组探查钻孔对F16断层进行探查及压水试验，为1031工作面的安全回采提供地质依据。

2 施工段地质及水文地质

2.1 施工段地质及煤层情况

施工段位于1031风巷TZ3钻场，靠近F16正断层的上盘，断层附近次生断层及裂隙可能较为发育。10煤位于山西组中部，上距下石盒子组铝质泥岩42.95～60.99m，下距太原组一灰33.15～51.55m，煤厚2.44～5.47m。10煤层直接顶板为粉砂岩渐变为细砂岩。老顶为浅灰色细砂岩，与深灰色泥岩形成互层，成水平层理，层理面含炭质成分。10煤层直接底板为粉砂岩，深灰色，粉砂质结构为主，夹有浅灰色细砂质线条状。老底为砂泥岩互层。10煤下约12～24m为11煤层位，煤厚0.5m。

2.2 施工段水文地质

施工段主要受到10煤层顶、底板砂岩裂隙含水层及底板灰岩含水层的影响。砂岩含水层(段)砂岩裂隙不发育，含水性较弱。由于F16断层落差较大，导致对盘灰岩与本盘煤层对接，钻孔穿过F16断层时进入对盘灰岩含水层，可能出现涌水现象。根据水6孔(太灰长观孔)的实时水位(-39.21m)，计算出试验段灰岩水最大水压为3.45MPa。预计钻孔的单孔最大涌水量为50m3/h。

3 F16断层井下钻探

钻探地点为1031风巷TZ3钻场，见压水试验平面图图1。实际施工6个探查孔，合计工程量769m。其中T6#孔：方位328°倾角11°孔深95m， 85.5～91m见破碎带，宽度5m，91～95m见下盘灰岩，终孔出水5m3/h，T6#孔同时作为压水试验孔；T7#孔：方位28°倾角17°孔深133m， 106.7～112.8m见下盘11煤；T8#孔：方位28°倾角0°孔深99m， 97～99m见下盘灰岩，终孔出水10m3/h；T9#孔：方位28°倾角-5°孔深107m， 101.5～107m见下盘灰岩，终孔出水0.5m3/h。

图1 压水试验平面图

钻探综合分析：F16断层倾角67°～80°、落差75m，风巷距上盘断煤交线77～95m，断层带宽度4～5m，断层不含水不导水，见探查F16断层剖面图图2。

图2 探查F16断层剖面图

4 F16断层压水试验

4.1 试验目的

压水试验是用高压方式把水压入钻孔，根据岩体吸水量计算了解岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验。压水试验是用专门的止水设备把一定长度的钻孔试验段隔离出来，然后用固定的水头向这一段钻孔压水，水通过孔壁周围的裂隙向岩体内渗透，最终渗透的水量会趋于一个稳定值。根据压水水头、试验段长度和稳定渗入水量，可以判定岩体透水性的强弱[1]。

本次高压压水试验重点针对断层带进行，试验段长度根据实际钻探探查断层带宽度确定，高压压水试验尽量从空间上模拟太灰水沿断层带出现涌水与突水情况。

4.2 试验步骤

考虑到地面压水试验工期较长、花费巨大，井下压水试验效果与地面压水试验效果基本一致，故决定在井下1031风巷TZ3钻场T6#钻孔内75～83m细砂岩段对F16断层进行高压压水试验。

4.2.1 试验水压确定

根据水6孔(太灰)实时水位(-39.21m)，计算得出试验段所在层位的灰岩水水压为3.45MPa。为了真实模拟该点灰岩水的情况，综合利用现有设备的情况下选取高压压水试验水压为4MPa。采用1.0→2.0→3.0→4.0→3.0→2.0→1.0MPa等7个压力阶段，加压方式采用中速法加压，每级压力时间持续30min。

4.2.2 试验流程

钻进→下套管→取芯→注浆→扫孔→洗孔→压水管路连接→压水试验阶段进行压力、压入水量观测→现场进行资料整理与曲线验证。

(1)采用正循环法洗孔，洗孔钻具应下到孔底，流量应达到水泵的最大出力。岩粉堵塞严重的孔段宜采用活塞抽吸法洗孔。洗孔结束的标准是孔口回水清洁，孔底沉淀物厚度小于0.2m。

(2)将试验压力调整到预定值并保持稳定，开始进行压力和流量观测。

(3)压力流量观测时间间隔为1min或2min，当压力保持不变，流量无持续增大趋势，且5次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本阶段试验即可结束，取最终值作为计算值。

(4)按预定的压力阶段及相应的压力值重复上述试验过程，直至完成该试段的试验。

(5)在降压阶段，如出现回流现象，应记录回流情况，待回流停止，流量达到(3)规定的标准，方可结束本阶段试验。

(6)在试验过程中，应对试验孔附近的钻孔涌水情况观测。

(7)待试验结束后，绘制P—Q曲线，以检验试验成果的正确性。

4.3 设备安装及注意事项

4.3.1 设备安装

高压压水试验设备安装示意图如图3所示。

图3 钻孔压水试验设备安装示意图

4.3.2 试验注意事项

(1)试验设备、仪表要满足规范要求。水泵需双缸以上，压力稳定，在注水加压时不小于120L/min，出水均匀；压力计、水位计反应灵敏，工作压力保持在极限压力值的1/3～3/4范围内。

(2)所有接头处密封要好，否则会由于漏水导致数据失真，曲线变形。

(3)洗孔要干净，否则容易出现E型曲线，且透水率偏小。

(4)T6#孔第二次注浆时压力不能太大，以保证不使断层带被堵死，影响压水试验效果。

(5)地层条件允许时优先使用金刚石钻头，以使孔壁光滑，确保止水效果良好。

(6)压水试验期间孔口及高压管附近不宜久留，闲杂人员严禁靠近，以防发生意外。

4.4 试验资料整理

4.4.1 高压压水试验压力损失计算

本次钻孔压水试验注浆段作为工作管路，其内径统一为φ75mm，在压水试验过程中，试验设备及水源与试验段不再同一标高位置(高差为15m)，故需要考虑水柱压力损失：PS=ρgh=15×1.0×103×10Pa=0.15MPa。

4.4.2 资料整理

本次试验共获取35组数据，经过分析校核综合考虑注浆对压水试验的影响并扣除压力损失后选用每个压力段5组数据中的第三组数据，如表1所示。

表1 压水试验数据表

绘制高压压水试验P—Q曲线，如图4所示。

图4 高压压水试验流量与压力曲线图

4.5 渗透性分析

(1)透水率。试验段长度为8m，其透水率采用最大压力阶段(第四阶段)的压力值(P4)和流量值(Q4)按式(1)计算[1]：

(1)

式中：q——试验段的透水率，Lu；

L——试验段长度，8m；

Q4——第四阶段的计算流量，77.36L/min；

P4——第四阶段的试验段压力，3.85MPa。

试验段透水率取两位有效数字，所得试验段透水率为2.51Lu。

(2)渗透系数。根据《水利水电工程钻孔压水试验规程》，当透水率较小(小于10Lu)裂隙岩体压水段渗透系数采用最高压力段数据，按公式(2)计算：

(2)

式中：K——岩体渗透系数，m/d；

H——试验水头(385m)；

Q——压入流量(111.4m3/d)；

L——试验长度(8m)；

r0——钻孔半径(0.037 5m)。

所得试验段渗透系数为3.1×10-2m/d。

4.6 高压压水试验结果分析

由高压压水试验P—Q曲线图可以看出，升压曲线为通过原点的直线，降压曲线与升压曲线基本重合(升压降压同压力下流量值绝对差不大于1L/min认为基本重合)，可以得出试验细砂岩段在整个压水试验过程中渗流状态为层流，裂隙基本没有发生变化；由透水率及渗透系数综合分析该岩体渗透性等级为弱渗透性，细砂岩段岩体完整性较好。

5 结语

根据地震勘探资料及地面、井下钻探资料，进一步确定了F16断层的倾角在70°左右，落差30～150m；根据地面补22钻孔抽水试验，渗透系数分别为0.833 3、0.956 2、1.055 4m/d；通过压水试验测得试验段透水率为2.51Lu、试验段渗透系数为3.1×10-2m/d，由透水率及渗透系数综合分析该岩体渗透性等级为弱渗透性，细砂岩段岩体完整性较好。F16断层的透水率及渗透系数等水文地质参数为合理留设F16断层断防煤柱提供了关键依据。

[1] 范 波，罗平平.钻孔压水试验理论研究现状及展望[J].煤炭工程，2010，(1).

[2] 吴玉华，等.矿井水害综合防治技术研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

Underground drilling exploration and water pressure test of F16 fault in Wugou Coal Mine

F16 fault in mine northwest of Wugou Coal Mine is a large normal fault, and the fall is 30～150m, and the strike length in mine is about 2.24km. The air gateway of 1031 working face is near F16 fault, and the driving is along the hanging fault waterproof pillar line. Because of the influence of F16 fault the spacing between hanging 10 seam and footwall Taiyuan limestone shortened, and there is Taiyuan limestone water bursting threat due to the mining influence. Through further detecting the position, the fall and water conductivity of F16 fault by underground drilling exploration and water pressure test, the permeability rate and permeability coefficient were got, which provided key basis for the reasonable setting of fault waterproof pillar of F16 fault.

fault; water pressure test; hydrologic parameters

TD163+.1

A

2017-- 05-- 16

郭晓亮(1982-)，男，安徽淮北人，工程师，主要从事矿井地质资源开发与技术管理工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0030-- 04