淮南矿区潘二煤矿地面区域探查治理技术应用分析

杨玲飞 安徽省煤田地质局第三勘探队

一、区域地质概述

两淮煤田位于中国煤矿的6 大水害分区的1 分区东南隅，属华北石炭-二叠纪煤田岩溶-裂隙水水害区。华北型煤田与岩溶水系统相重叠，煤系基底发育着600 米左右的巨厚碳酸盐岩含水层，分布范围广，富水性强，煤层底板水压大，对安全开采造成严重威胁，是岩溶突水事故的根源。区内煤田均为深井开采，平均开采深度达710m，随着开采向深部拓展，底板灰岩水害威胁日益严峻。

淮南矿区煤层底板奥灰含水层水害威胁特征为煤层底板隔水层不完整，存在隐伏导水构造垂向导水通道，属于“厚层非完整隔水层灰岩水害”类矿井，煤层底板主要充水水源为奥灰+寒灰含水层，奥灰+寒灰多以隐伏陷落柱+裂隙带复合体对矿井安全生产构成了直接水害威胁。

二、治理层位选择

潘二煤矿A 组煤距离太原组灰岩较近，其安全开采受底板灰岩岩溶水的威胁严重[1]，利用地面区域探查治理技术解放东一A 组煤采区东翼11313 工作面。

（一）煤层与含水层间距

11313 工作面A 组煤的煤层结构简单，赋存较稳定，其中3 煤厚1.6～13.8m，平均5.3m；3 煤与下伏1 煤层间距平均为1.5m，夹矸为泥岩，1 煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，直接底板为平均4.5m 厚的砂质泥岩或粉砂岩。1煤底距C3Ⅰ组灰岩顶（顶）平均距离约为15m，距C3Ⅱ组灰岩顶（顶）平均距离约为60m，距C3Ⅲ组灰岩顶（顶）平均距离约为80m，距奥灰含水层顶面平均距离约为150m。

（二）隔水层厚度

突水系数即单位隔水层厚度所承受的水压，而临界突水系数则为单位隔水层厚度所能承受的最大水压。用突水系数法预测煤层底板突水，能反映底板突水因素的综合作用。主要影响因素有水压和隔水层厚度，其数学表达式如下：

其中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的实际水头值，MPa；

M——底板有效隔水层厚度，m。

1）底板隔水层承受的水压：周边水二1、VIO2、Ⅵ西O2奥水水位标高分别-49.46m、-35.83m、-37.31m，取最高水位为-35.83m。工作面底板最低标高为-540m，有效隔水层底界面标高为-627m～-625m，则底板隔水层承受的最大水压为5.91MPa。

2）隔水层厚度：若工作面底板的断层、垂向导水构造裂隙等通过注水泥浆液充填加固，即已将受构造破坏块段改造成了正常块段。根据《煤矿防治水细则》[3]相关要求，正常块段的突水系数小于0.1Mpa/m，根据突水系数公式计算，工作面隔水层最小厚度为5.91÷0.1=59.1m

三、治理工程

本次工程采用布置地面多分支近水平定向钻孔[2]，从工作面外侧进入1 煤底板80m深度或沿灰岩顺层钻进，探查是否存在隐伏陷落柱或导水通道等地质异常体，分段、分序次连续高压注浆封堵，达到有效充填加固灰岩含水层及垂向导水通道的目的（见表1）。

四、探查成果分析

（一）漏失分析

区内由于受挤压性的褶曲影响，小断层较为发育，多为3-5m 以下的小断层，大断层主要分布在北部边界和南部边界。11313工作面发育的主要断层为F10 正断层，走向东西，倾向北，倾角65°，落差0～25m，区内延展长度1030m。

本次工程共计钻井液漏失4 次，漏失量1.2～2.4m3/h，漏失量较小，靠近F10 断层，表明F10 断层裂隙较为发育，但裂隙连通性差。F10 断层裂隙带影响范围外均未发现漏失现象。

（二）压水试验

本次工程共计压水试验13 次，吸水率范围为0.00023～0.0016L/min.m.m，均小于0.01L/min.m.m，表明工作面内灰岩岩溶裂隙不甚发育，未发现隐伏陷落柱或垂向导水通道等异常体。

表1 潘二煤矿地面区域探查治理工程成果一览表

五、注浆效果分析

（一）注浆量分析

本次工程共计注浆13 次，注浆量在110.63t～2001.33t 之间，终压为9.0Mpa～13.2Mpa，注浆比重为1.20～1.37g/cm3。整体来看，总体注浆量不大，表明工作面内灰岩岩溶裂隙发育较差。

（二）单位注浆量分析

单位注浆量是指裸孔段平均每米消耗的水泥吨数，客观反映了裂隙的发育程度。单位注浆量越大，反映了地层裂隙越发育。本次工程平均单位注浆量为1.83t/m，最大4.12t/m，最小0.63t/m。从单位注浆量大小来看，总体反映探查区域内煤层底板灰岩岩溶裂隙发育较差，未探查到较大隐伏导水构造等异常体的存在，单位注浆量3.0t/m以上均为各分支钻孔钻探揭露F10 断层注浆段，表明F10 断层裂隙带较为发育。

（三）注浆压力分析

通过对东一采区（东翼）注浆压力分析发现，随着注浆压力的变化，可以分为三个阶段。

第一阶段，0～4.0MPa，注浆充填阶段。主要对灰岩地层中的天然裂隙（断层、破碎带）进行充填。

第二阶段，4.0～8.0Mpa，压实扩散裂隙阶段。在该阶段，随着压力的不断提升，浆液不断压实断层、破碎带裂隙中的充填物，填充空间，并且扩散距离逐渐增大。由于压力不大，灰岩溶裂隙发育差，注浆量不大。

第三阶段，8.0Mpa 以上，劈裂扩展及填实裂隙阶段。随着压力的持续上升，灰岩地层薄弱部位的应力与抗拉强度被克服，发生劈裂形成充填裂缝，原先微小裂隙也不断被扩展变大，随着浆液的填充，灰岩地层被进一步加固，此为注浆的主要阶段，持续时间较长，注浆半径增大，浆液扩散较远，因而消耗的水泥量最多。

本次工程主要集中在高压注浆阶段，总体反映探工作面内A 组煤底板灰岩岩溶裂隙发育较差，排除存在较大隐伏导水构造等异常体的可能性，通过高压注浆治理，对揭露的F10 断层及其破碎带、灰岩裂隙进行了水泥充填加固，完成了地面区域探查治理的任务目标。

六、效果分析与评价

（一）效果分析

（二）奥灰水害危险程度分析

工作面突水系数为5.91÷80（最小隔水层厚度）=0.074MPa/m，根据《煤矿防治水细则》相关要求，小于正常块段的突水系数0.1Mpa/m，工作面达到安全回采级别。

七、建议

建议潘二煤矿在工作面巷道掘进和回采过程中，采用井下钻探及物探循环掩护前探，对异常区进行钻探验证。