极复杂水文地质条件工作面安全开采技术

靳子栋

（冀中能源峰峰集团 科技发展部，河北 邯郸 056107）

0 引 言

冀中能源峰峰集团是我国重要煤炭企业之一，主要生产矿井位于河北省邯郸市峰峰矿区，峰峰矿区位于邯邢水文地质单元的南单位，属于我国典型的大水矿区，地质与水文地质条件极其复杂，底板水害问题具有多样性和复杂性的特点，是受底板水害威胁程度最严峻的地区之一。近年来，峰峰矿区随着开采深度的不断加大，主力生产矿井如梧桐庄矿、九龙矿、羊东矿等开采深度不断加大，采深普遍超过800 m，工作面煤层底板隔水层承受的奥灰水压接近11 MPa，矿井开采受奥灰含水层威胁逐渐增大。工作面采掘过程中，在高地压、高矿压、高水压的联合作用下，工作面底板破坏严重，实际隔水层厚度大幅减少。特别是在断层发育地段，由于断层两盘煤岩层产状变化较大等因素影响，会导致断层落差在深部层位变大，即缩小了煤层底板与受威胁含水层之间的安全距离，对煤层开采构成严重威胁。本文以梧桐庄矿182706 工作面为研究背景，通过开展井上下立体多层次的探查治理技术研究，对断层及其附近受威胁含水层进行加固治理，为工作面安全开采提供保障。

1 研究背景

梧桐庄矿182706 工作面开采煤层为二叠系山西组2 号煤层，工作面基本沿地层走向布置，设计走向长度604.5 m，倾向长度约260 m，工作面底板标高为-691.2—-481 m。煤层厚度3.2～3.6 m，平均煤厚3.5 m，煤层比较稳定，结构简单。

工作面掘进前，地面区域治理工程共施工3个主孔，18 个奥灰水平分支孔，完成钻探工程量17 826 m，漏失注浆45 次，注水泥15 614.1 t。单点注浆量在1 000 t 以上的共有3 处，主要集中在F702-5 和F702-10 断层破碎带附近，说明断层对地层的破坏起到主导作用，断层附近奥灰顶面岩溶裂隙发育良好，富水性强，如图1 所示。

图1 182706 工作面前期治理平面Fig.1 Early governance plane of No.182706 Face

为验证区域治理效果，地面施工了大青水平分支孔对断层带附近治理情况进行探查验证；井下在工作面内及周边共施工了17 个效果检验钻孔，其中15 个伏青灰岩孔，2 个大青灰岩孔。结果发现受工作面外侧F702-10 断层附近多条断层影响，断层上盘煤岩层倾角变缓、下盘煤岩层倾角变陡，F702-10 断层落差在2 号煤层位6～47 m、大青至奥灰层位增大为110 m 左右，导致下盘奥灰距工作面最近距离为85 m，由于断层下盘奥灰治理层位较深，在高水压作用下极易发生水害事故，按照《煤矿防治水细则》等有关规定要求，需对该断层按突水系数0.06 留设防隔水煤（岩）柱，则工作面采宽需由原来的260 m 缩短至110 m 左右，严重影响矿井乃至集团公司采掘衔接，如图2 所示。

图2 182706 工作面前期B-B'剖面Fig.2 Early B-B'section of No.182706 Face

2 极复杂水文地质条件工作面安全开采技术

2.1 安全开采技术方案

为解决梧桐庄矿182706 工作面极复杂水文地质条件下安全开采技术难题，认真收集了该地区掘进地质资料和已有钻探工程等资料，对断层等构造发育情况进行了综合分析。制定了井上下立体多层次的探查治理技术方案。

（1）鉴于地面继续施工奥灰水平分支孔判层存在一定的难度，无法准确判定断层产状及落差，设计施工水平分支孔沿大青灰岩层位进行钻探，通过确定断层下盘大青灰岩位置及上盘煤系地层层位对断层位置及落差进行精准控制。

（2）为验证地面施工大青分支孔的准确性，井下利用原182706 回风顺槽施工钻孔，穿过断层进入下盘地层，对地面水平分支孔的效果进行验证。

（3）待探明F702-10 断层产状及落差后，地面施工次级分支水平孔对断层下盘奥灰顶面以下30 m 左右层位及断层带进行补强加固，将工作面底板由破碎块段改造为完整块段，并按照有关规定重新留设断层防隔水煤岩柱，在确保安全的前提下，增加工作面的开采宽度。

（4）鉴于工作面底板山伏青灰岩含水层与F702-10 断层下盘奥灰含水层对接，为防止工作面开采受山伏青灰岩含水层威胁，设计施工井下钻孔对断层上盘山伏青灰岩含水性进行探查，发现异常治理。

2.2 实施情况

2.2.1 地面补充探查、治理工程

地面补充探查、治理工程，共施工1 个主孔，15 个大青水平分支孔（含次级奥灰补强孔），完成钻探工程量5 372 m，漏失4 次，注浆量473.9 t。

（1）F702-10 断层探查情况。

共完成了9 组15 个区域治理探查孔，钻孔在平面上呈扇形布置，每组钻孔不同密度地揭露了断层下盘的大青、铝土、奥灰等地层，钻孔穿过断层带后，又揭露了断层上盘的山伏青、小青、大青、铝土、奥灰等地层，钻孔对断层的产状进行了可靠地控制。各分支孔探查结果见表1 和图3、图4。

表1 F702-10 断层探查、验证成果Table 1 Results of exploration and verification of F702-10 Fault

（2）F702-10 断层下盘加固情况。

探查范围共有4 个漏失点，累计注浆473.9 t，通过漏失情况分析，说明F702-10 断层下盘奥灰顶部岩溶裂隙整体发育较差，断层及其附近裂隙发育较差。通过注浆加固，达到了封堵断层下盘奥灰顶部岩溶裂隙，使断层带趋于完整的目的。

2.2.2 井下断层补充验证钻孔

利用原182706 回风顺槽H1、H3、H4 号钻场施工钻孔对F702-10 断层发育情况进行验证，共施工钻孔10 个，钻探进尺1 099.5 m，所有钻孔均进行了全孔段测斜，保证钻孔准确度。验证结果见表1、图3、图4。综合分析H1-1、H1-2、H1-3孔，断层落差为112 m；综合分析H3-1、H3-2、H3-3 孔，断层落差为69 m；综合分析H4-1、H4-2、H4-3、H4-4 孔，断层落差为49 m。

图3 182706 工作面治理成果平面Fig.3 Governance results plane of No.182706 Face

图4 182706 工作面治理B-B'剖面Fig.4 Governance B-B'section of No.182706 Face

2.2.3 断层上盘底板注浆加固

利用原182706 回风顺槽H1、H3、H4 号钻场，706 回风联巷H5 号钻场施工底板注浆加固钻孔，对断层上盘山伏青灰岩进行探查治理加固，兼顾断层带附近隔水层裂隙探查治理，工程共计施工钻孔11 个，钻探进尺1 568 m，总注浆量21.97 t。

野青灰岩单孔涌水量0～0.8 m3/h，山伏青灰岩单孔涌水量0～2.0 m3/h，单孔注浆量0～2.29 t。通过单孔涌水量及注浆量分析，说明F702-10 断层上盘山伏青灰岩岩溶裂隙整体发育较差，隔水层垂向裂隙不发育。通过注浆加固，达到了封堵断层上盘隔水层裂隙，使断层带趋于完整的目的，如图5所示。

图5 182706 工作面井下治理钻孔成果Fig.5 Underground drilling governance results of No.182706 Face

2.2.4 工作面综合物探

工作面回采前进行了瞬变电磁、电测深、并行电法及槽波地震工作，结果显示工作面回采范围内煤岩层含水性整体较弱。瞬变电磁探测发现的2 处水文异常区，分析为野青灰岩下至山伏青附近局部的岩层破碎含水反应，含水性较弱；并行电法探测发现的1 处水文异常区YC1，分析为岩层裂隙发育，与下方野青灰岩水有一定的水力联系。结合井下施工钻孔资料均排除了异常。

2.3 实施效果

通过对工作面开展井上下立体多层次的探查治理，改造了工作面底板含水层水文地质条件、对断层带附近进行了补强加固，将工作面底板由破碎块段改造为完整块段，取得的效果如下。

（1）山伏青灰岩含水层。通过钻孔资料分析，单孔涌水量0.1～5 m3/h，含水层最高水位-373.1 m，水温25.5～39.5 ℃，单孔最大注浆量23.4 t。综合分析认为，该区域附近山伏青灰岩含水层水位较低，岩层裂隙不发育，含水层富水性弱，注浆后富水性进一步弱化。

（2）大青灰岩含水层。通过钻孔资料分析，单孔涌水量0.1～20 m3/h，含水层最高水位-158 m，水温34～41.8 ℃，单孔最大注浆量19.26 t。本地区域治理施工的大青顺层钻孔，在断层附近100 m 范围未发生明显漏失（泥浆消耗量均小于5 m3/h），岩层裂隙不发育，富水性较弱，仅局部裂隙发育较为富水，富水不均一，注浆后富水性进一步弱化。

（3）奥灰含水层。原注17 孔在F702-10 断层两盘的奥灰层位施工了15 个区域治理钻孔，在断层带附近发生9 次漏失，单点最大注水泥683.6 t，通过注浆封堵了奥灰裂隙，弱化了富水性。注17 孔补充设计又施工了12 个钻孔，对断层下盘奥灰一定范围进行了探查和注浆改造，漏失4 次，注浆量473.9 t，证实通过原注17 钻孔注浆改造，达到了治理效果，弱化了奥灰的富水性。

（4）断层带。原注17 孔施工的奥灰分支孔和注17 补充设计钻孔，揭露断层带前后，钻孔未发生塌孔，泥浆未出现明显消耗（均小于5 m3/h），证实断层带附近裂隙不发育，不富水。在钻孔终孔后，均进行了压水试验，重新测试了岩层吸水率，并通过高压注浆进一步封堵了地层裂隙，提高了隔水层完整性和阻水能力。

（5）按照《煤矿防治水细则》 有关要求，F702-10 断层治理完成后，按突水系数0.1 计算防隔水煤（岩）柱，则工作面不需留设防隔水煤岩柱，由于工作面倾角较大，回采难度较大，故将工作面采宽由留煤柱前的110 m 调整为180 m，可多回收15.6 万t 优质煤炭资源。

该工作面已安全回采接近停采线，涌水量正常，未发现F702-10 断层附件有明显微震异常事件。

3 结 语

峰峰矿区水文地质条件极其复杂，工作面地面区域超前治理等工作开展时，一定需要做好层位的判别工作，必要时须调整钻孔轨迹，揭露更多的层位，从而达到控制地质构造的作用；其次工作面掘进过程中须随时根据掌握的资料进行综合分析，查找影响工作面安全开采可能存在隐患；根据工作面极复杂水文地质条件，采用井上下立体多层次的探查治理技术，对断层及其附近受威胁含水层进行加固治理，将工作面底板由破碎块段改造为完整块段，可确保工作面安全开采。