石炭二叠系特厚煤层奥灰水害地面区域探测及治理技术研究

勾永全

（太原理工大学 山西太原 030024）

塔山矿石炭系3-5#特厚煤层8228工作面位于二盘区西南部，工作面所处区域构造简单，呈NE走向、SE倾斜的一个大型的单斜构造为东南高、北西低的单斜构造，小型正断层较为发育，落差0.4 m～10.1 m之间。工作面周边及上覆为实体地层，无采空区及其它较大含水体。工作面设计长度3 101 m，倾向230.5 m。煤层厚度14.29 m～24.38 m，平均19.18 m，煤层倾角1-3°。巷道掘进区域标高973 m，奥灰水初始水位1 074.25 m，位于带压开采区，底板隔水层厚度80 m，底板突水系数为0.02 Mpa∕m。

5228巷在掘进至2 062 m处、2228巷在掘进至2 060 m，巷道均出现不同程度的顶板淋水、煤壁渗水、底板涌水等现象，且随着巷道的掘进逐渐增大，至2016年10月31日，5228巷增大至107.6 m3∕h，2228巷已增至最大270 m3∕h左右，水温28℃～30℃，巷道部分被淹，工作面被迫停掘排水，工作面剩余1 040 m无法掘进，截止2017年12月，累计排水140万m3。

1 井下物探研究

直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场变化规律，从而确定岩、矿体物性(如贫、富水区域)的颁布规律或地质构造(如断层、裂隙发育区)的特征。

瑞雷波是一种面波，它在介质的自由界面附近传播，其形成和传播与介质的物理特性有关，瑞雷波法是利用瑞雷波的运动学特征和动力性特征来进行工程地质检测的物探方法。

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

音频电透视是利用地下各种岩（矿）石之间存在的导电差异观测人工场源的分布规律来解决地质问题的方法[1-4]。

针对2228、5228巷道奥灰水涌水区域，塔山矿利用直流电法、瑞雷波和瞬变电磁法对5228顺槽前方段进行了井下探测；并利用音频电透视和直流电测深对工作面300 m区段进行了探测。

探测结果显示：8228工作面底板下两层段均发现2处低阻异常区域：2228巷1号异常区域位于2228巷里程2 200 m～2 080 m，异常形态呈倾斜状，沿掘进方向向深部延伸；5228巷1号异常区域位于5228巷里程2 240 m～2 140 m，异常向掘进方向延伸，见图1。

图1 2228、5228巷工作面直流电测深法探测成果

2 地面三维地震探查研究

三维地震是在地面上布置一条条的测线，沿各条测线进行地震勘探施工，采集地下地层反射回地面的地震波信息，然后经过电子计算机处理得出一张张地震剖面图的探测方法。

为下一步治理奥灰水提供地质依据，塔山矿针对涌水区域进行了地面三维地震探测，探测结果如下：

2228巷道和5228巷道迎头前方构造复杂，3-5#和8#煤层反射波变化明显，经过分析可能存在DF1、DF2、DF3三条断层和1个疑似陷落柱的构造交汇区，如图2所示。

图2 地震时间剖面图（DF1、DF2、XLZ交汇区）

①DF1：正断层，走向北东，倾向北西，倾角变化范围为8°～21°，在区内错断3-5#煤、8#煤，落差0～35 m，区内延展长度分别为1 345 m、1 345 m。

②DF2：逆断层，走向北东，倾向北西，倾角变化范围为6°～10°，在区内错断3-5煤、8煤，落差0～15m，区内延展长度分别为1055m、1055m，延伸至区外。

③DF3：逆断层，走向北西，倾向南西，倾角变化范围为4°～8°，在区内错断3-5#煤、8#煤，落差0～25 m，区内延展长度分别为840 m、840 m，延伸至区外。

3 地面注浆治理

采用地面钻孔在治理目标层施工定向水平钻孔进行注浆堵水截源，同时利用地面骨料孔对陷落柱顶部进行充填和加固处理，根据探查和治理效果分析，再对奥灰顶部、8#煤层底板隔水层下部进行注浆加固，并对注浆堵水的效果进行检验，最终实现陷落柱的治理和工作面顺利回采。

本项目共布置4个地面定向钻孔，钻孔分别为XG1、XG2、XZ1和XZ2，其中XG1、XG2为骨料孔，并兼作探查和煤层顶底板加固；XZ1和XZ2为注浆堵水及隔水层加固钻孔。XZ1和XZ2注浆孔布置三层水平钻孔，层间距20 m。第一层（底层）布置于奥灰顶面下30 m，共设计10个水平钻孔，间距40 m；第二层布置于奥灰顶面下10m，设计3个水平钻孔，孔间距80 m；第三层布置于奥灰顶面上10 m，设计水平钻孔2个，孔间距80m。共设计15个水平分支孔，其中XZ1设计8个水平分支孔；XZ2设计7个水平分支孔。预计钻探总进尺10 043.18 m，其中直孔段2 262.59 m，造斜和水平段7 780.59 m，注浆量约为101 300 m3。参考其他矿井注浆情况，水泥用量约为6万吨。钻孔地面布置位置如图3所示：

图3 地面定向钻孔布置示意图

图3 钻孔布置

4 井下辅助治理

井下辅助工程主要是由于8228工作面顺槽存在约200m底板渗水段，在疑似导水陷落柱注浆治理过程中有可能发生底板跑浆的现象，因此，为了防止治理过程中发生跑浆现象，达到良好的治理效果，在2228顺槽巷里程2 039 m～2 044 m、5228顺槽巷里程2 005 m～2 010 m构筑密闭墙。如图4所示。密闭墙设计厚度为5 m，结构：0.5 m砖墙+4 m混凝土+0.5 m砖墙。

图4 8228工作面两顺槽密闭墙构筑位置

5228巷墙体上设置3趟6寸泄水管，1趟2寸观察管。墙体外设置9.2 m×4.8 m临时水仓作为排水点。

2228巷密闭墙体设置3趟6寸泄水管，2趟6寸软管，1个观察管。墙体外设置11 m×5.6 m临时水仓作为排水点。

8228高抽巷工作面迎头探孔涌水，通过泄水孔排入5228巷密闭墙外排水点。

5 治理效果及经济社会效益

目前井下密闭墙及排水设施已经施工完成，地面奥灰水治理工程2个骨料孔已完成并封孔，2个注浆孔主孔已完成，分支孔已完成4个，其余还在施工中，累计进尺5 520.45 m，累计注浆9.9万吨。经过治理，奥灰水位下降至1010 m～1020 m之间，水位趋于稳定；2228、5228巷涌水量明显减小，两巷排水量从270 m3∕h减小至100 m3∕h。为确保安全生产，把切眼位置确定在里程2 045 m处，现工作面已经顺利回采至采位180 m，未见奥灰水涌水现象。

塔山矿石炭系特厚煤层奥灰水害地面区域治理技术为国内先进，同煤集团首家开展该项目的单位，影响深远，意义重大。该技术主要应用于煤矿井下出现奥灰水异常涌水区域及可能存在奥灰水异常突水危险区域，对煤矿安全生产有重要指导意义，对其他出现类似情况的矿井也有较高的参考价值。