F36断层底板出水机理分析及注浆治理措施的应用

李柬谷

(阳泉煤业(集团)有限责任公司, 山西 阳泉 045000)

1 矿井基本情况

堡子矿为资源整合矿井，井田面积7.718 4 km2，批采2#—9#煤层，生产规模为90万t/a. 矿井采用斜井开拓方式，共设计主斜井、副斜井和回风斜井3个井筒。目前，该矿采掘工程集中到二采区，即采区水仓西北部分区域。

2 2#煤地质、水文地质条件

2.1 地质条件

井田位于山西省沁水煤田晋城矿区西南部，发现褶曲1个，断层57条，最大落差100 m，此前均未发生断层出水现象，未发现陷落柱。

2#煤层位于山西组中部，为该矿主要可采煤层之一，煤层厚度平均4.5 m，顶板以泥岩为主，粉砂岩次之，底板以粉砂岩为主，泥岩次之。

2.2 水文地质条件

2#煤层底板标高+720～+920 m，太灰水混合水位标高为+932.05～+971.93 m，存在底板太灰水带压开采问题。2#煤层至K2灰岩含水层厚度43.33～57.83 m，平均厚度54 m，太灰(主要为K2)含水层水属弱-中等富水性含水层。2#煤层距离奥陶系灰岩含水层厚度54.63～106.04 m，平均厚度84 m，奥灰水位标高在+943.55～+946.22 m，渗透系数0.004 04～10.74 m/d，单位涌水量0.10～0.256 L/s·m，为弱-中等富水性含水层。二采区2202工作面位于奥灰水中等富水性区域内(图1).

图1 奥陶系灰岩含水层富水性分区图

矿井2#煤层底板距奥灰顶界面平均厚度84 m，2#煤层底板奥灰水带压值为0～2.18 MPa，突水系数为0.010～0.039 MPa/m，属于相对安全区。

3 出水经过及探放水情况

3.1 出水情况

二采区在采掘过程中，先后分别在二采区回风大巷、2203切巷以北的探巷等9处均揭露F36断层，其中只有两处出水，一处2203回风顺槽，揭露F36断层涌水量为1～2 m3/h，一处二采区回风大巷在揭露F36断层时有淋头水(图2). F38断层位于F36断层东侧，2201进风巷、2202进风巷等6处均揭露F38断层，无出水情况。

本次出水地点为2202工作面探巷。初始预计涌水量为90 m3/h，后期涌水量基本稳定在140～150 m3/h.

图2 F36断层揭露及出水点位置示意图

3.2 物探、钻探情况

3.2.1物探情况

对2202切巷进行了两次瞬变电磁物探，覆盖了2202探巷，两次物探成果见图3. 第一次物探成果显示，在2202工作面切巷探测位置右帮30～80 m，前方0～50 m处底板15°方向存在明显低阻异常区；第二次物探成果显示，在2202工作面切巷探测位置左帮70～100 m，前方0～80 m处底板15°方向存在明显低阻异常区。因此，2202工作面探巷水点位置有明显低阻异常区。

图3 2202切巷第一、第二次物探成果图

3.2.2钻探情况

2202探巷掘进之前编制专项的“有掘必探”钻探设计，共设计钻孔6个，4个煤层孔(因煤厚超过3 m，垂向增加1个孔)，2个煤层底板孔。实际施工了3个煤层孔，分别是1、2、3. 总共钻探了2次，每次施工3个钻孔，钻孔长度65 m. 在第二次钻探时，钻探了65 m，其中5 m进入岩石，通过此次钻探确定了F36正断层位置，第二次钻探结束后巷道又掘进了35 m后停掘。“有掘必探”各钻孔均未发现出水情况。

4 出水机理分析

该断层使得出水点煤层底板与断层下盘K2灰岩垂距为17 m左右，距离断层下盘奥灰垂距为47 m；探巷出水点底板标高约+815 m，奥灰水位标高+944 m，出水点奥灰水带压约1.3 MPa(图4，5).

图4 F36断层出水机理分析示意图

图5 采动矿压对底板的破坏深度示意图

由于F36断层的影响，断层附近岩层破碎裂隙发育，抗压强度降低，底板承受不住奥灰水压，奥灰水沿断层通过裂隙带涌入巷道。2202探巷出水后，2203工作面回风顺槽出水点水量逐步衰减，说明两处出水点由于F36断层及破碎带的存在，存在水力联系。经初步分析，认为本次出水机理为：

1) 受F36正断层影响，中奥陶统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层和上石炭统太原组(K2、K3、K4石灰岩)相互导通，是出水水源。

2) 2202探巷附近F36和F38附近及交汇处，地应力集中，顶、底板岩石受地应力作用，节理裂隙比较发育，形成的节理裂隙密集带(应力集中带)是出水通道。

5 断层注浆治理

5.1 钻探工程设计

根据出水情况设计钻场2个，2202切巷(Z1)和2203切巷(Z2).布置钻孔16个，K2灰岩探查孔1个，5个检查孔。钻孔落点进入F36断层下盘K2灰岩含水层(二采区平均厚度11 m)，终孔距离K2灰岩顶板5 m；奥灰注浆孔15个，落点水平间距20 m，目标层为F36断层下盘奥灰含水层，其中10个孔穿过断层进入下盘奥灰，终孔距离奥灰顶界面20 m；其余5个孔揭露断层上盘K2灰岩后，穿过断层进入下盘奥灰垂直距离20 m.F36断层注浆孔剖面示意图见图6.

图6 F36断层注浆孔剖面示意图

5.2 注浆孔施工顺序

先期施工Z1-X2(奥灰孔)和K2-1(K2灰岩孔)，钻探完成后做连通试验，进一步确定出水水源，同时进行注浆封堵(K2-1).其余钻孔，间隔交叉施工。同时进行注浆加固奥灰顶部，切断奥灰水通过F36断层段进入巷道的通道，并对封堵效果检查加固。

5.3 止水套管设计

根据工作面底板标高、钻场位置标高及水位标高，最大水压为1.82 MPa；同时考虑注浆孔注浆结束时孔口压力应达标准约2.8 MPa，根据《煤矿防治水细则》中止水套管长度相关要求，应大于15 m，出于安全考虑，设计止水套管长度最小为18 m.

5.4 连通试验

将示踪剂溶解于水中压入钻孔，同时用一定水量将其压入目标含水层(裂隙)，使其随地下水流动；在2202工作面探巷出水点及2203工作面切巷附近取样检测，试剂投放后每1 h取样一次，送交临时化验室分析，当出现异常后，加密至半小时取样一次。经过试验分析，结合水质化验分析报告，认为两处出水点之间是连通的。

5.5 注浆工程设计

水泥采用32.5#普通硅酸盐水泥，从地面至井下，敷设注浆管路至Z1和Z2钻场。每次注浆前，均要进行压水，主要目的是疏通注浆管路及孔内岩石裂隙、测定单位受注层段吸水率；采用q=Q/(P·L)计算，根据压水试验结果，确定浆液类型及其浓度；每次注浆结束后均要向孔内压水，压水量为管路与孔内体积之和的两倍；对压水试验及注浆过程进行记录，及时汇总注浆量资料、注浆前后压水试验资料，分析注浆效果。

5.6 注浆量预计

注浆量按式估算：

V=S·δ·ξ·η·H

式中：

S—注浆范围，km2，F36断层注浆段长400 m，断层面两侧外扩35 m；

H—受注层段厚度，m，垂距取67；

η—注浆段孔隙率，%，取0.2；

ξ—充填率，%，取80；

δ—流失系数，考虑断层注浆，取值1.5.

经计算：F36断层注浆量为4 503 m3，每立方浆(取水灰比1∶1)水泥量按0.75 t计算，水泥需要3 377 t.

5.7 单孔注浆结束标准

注浆总压应为受注含水层最大静水压力的1.5倍，即当孔口压力达到约2.8 MPa时，即可认为受注层段注浆已达到压力结束标准。

当注浆压力达到结束标准后，进行压水试验，测得单位吸水率q小于0.005 L/min·m·m(相当于粉砂岩的透水性)时，即可认为受注层段注浆达到注浆结束的标准。

5.8 止浆墙设计及应用效果

止浆墙位于2202探巷下口向里18 m；墙体厚度不低于3.5 m，打墙材料为红砖加水泥砂浆，红砖选用普通红砖，水泥选用P.O32.5普通硅酸盐水泥；砂子采用中粗砂；水为洁净水。止浆墙总长3.5 m，砌墙时预埋壁后注浆管，墙砌好3天后对止浆墙硐室壁后进行充填加固注浆。水灰比2∶1，预计注浆300 t即可完成对止浆墙内初次注浆。候凝72 h后，再进行止浆墙内2次注浆。经过对止浆墙围岩及巷道接合处的观测，均未发现渗水现象，进行F36断层注浆治理的其他注浆加固工作。

6 注浆堵水效果评价

1) 随着F36断层注浆治理工程进展，井下出水点的涌水量逐渐减小，到工程结束时，出水点不再出水，说明对出水机理的判断和分析是正确的。

2) 注浆孔完成后，再次对F36断层注浆段进行了物探，并施工3个注浆效果检查孔。经过验证，确定F36断层注浆治理取得明显的堵水效果，2202探巷出水点和2203回风顺槽密闭墙出水点经过注浆治理后目前已无水。

7 结 语

通过对堡子矿F36断层的出水及治理，得出独立掘进工作面没有进行独立的物探，也没有参考以往物探资料进行钻探验证；钻探施工不到位，设计的底板孔未施工，这都是导致事故发生的原因，且注浆堵水工程及注浆效果检验，确定了该次注浆堵水的效果达到了安全开采的目的。