侧向高位积水矿井边界断层煤柱水害预防技术体系研究

董苏苏 苏占林

（1.新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016200；2.山东能源新矿集团，山东 新泰 271200）

孙村井田位于新汶煤田中部，与华源矿业以F6（∠64°，H=46 m）断层为界。两矿在F6 断层两侧均进行了开采，开采煤层包括2、3、4、6、11、13、15 煤。孙村煤矿计划停止华源煤矿老空区积水的抽排工作，停止排水后，水淹区积水水位最大将恢复至+175 m，造成目前+30 m 水平以下深部边界煤柱水头压力增加1.45 MPa，在深部边界煤岩柱薄弱区段可能存在渗水、漏水或失稳等情况。如图1。

图1 F6 断层两侧地层对接关系示意图

老空积水停排后华源矿井一侧形成高位侧向积水，开展必要的探查和加固工程是十分必要的。

1 煤层重复采动下断层煤柱残缺区精细化探查

1.1 宽线二维地震勘探工程

宽线二维地震勘探工程共完成宽线二维地震测线12 条，获取到宽线二维地震CDP 剖面4 条，剖面合计长度858 m，总计炮检点4032 个。宽线二维地震数据经过处理后，形成地质成果从构造和采空区分布范围两方面进行了解释。

1.1.1 构造探查结果

依据叠前偏移剖面，结合钻孔和测井资料，共解释断层3 个（F1、F2、F6），全部切穿11 号、13 号、15 号煤层，总体落差变化约为3～33 m，倾角变化约为68°～84°。

1.1.2 采空区探查结果

根据采空区在时间偏移剖面上的表现特征，对采空区位置进行了推断。解释结果表明采空区以11煤、13 煤、15 煤为主。

1.2 F6 断层煤柱残缺区跨孔电磁波CT 探测

本次跨孔电磁波CT 工作采用设备为JW-6 型无线电测试仪，方案设计中跨孔电磁波CT 利用钻孔32 个，布置CT 剖面60 个。但在实际数据采集过程中，个别钻孔出现塌孔，实际共完成剖面数50 个。

本次勘探钻孔呈两排分布，编号分别为Z1-1～Z1-16 和Z2-1～Z2-16，利用第一、二排钻孔的勘探剖面经过数据连接，分别形成L1、L2 长剖面（2-6、2-7）。通过对所测50 个剖面异常统计，总体表现为南部采空面积大，中部次之，北部采空面积浅层相对少。通过数据整合形成平行于第一排孔和第二排孔的长剖面，地质解析之后L1 异常面积为1250 m2，L2 异常面积为1012 m2，L1 和L2 两等效测线平行，间隔约10 m。按照不规则图形的体积计算方法估算L1 和L2 测线之间空腔体积为11 000 m3，占勘探体积的13%。

1.3 综合物探探测成果分析

宽线二维地震依据介质波阻抗和波速属性对采空区分布范围进行探测，跨孔电磁波CT 以介质电磁波衰减系数为基础对采空区进行了探测。

宽线二维地震中DZ3-4 线与L2 跨孔电磁波CT长剖面位置基本一致，选择二者进行叠合，在电磁波CT 跨孔剖面解释时参考宽线二维地震解释的采空区宏观分布特征，再依据衰减系数等值线对采空区精细化定位。同时，宽线二维地震剖面最终解释时充分参考了跨孔电磁波同步测量曲线对采空区定性推断，二者结果在解释上相辅相成，相互参考。

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2 断层煤柱薄弱区注浆加固工程

2.1 注浆钻孔设计

围绕孙村井田东部F6 断层防隔水煤柱薄弱区开展注浆加固工程。本工程布置东、西2 排注浆孔，排间距10 m，钻孔间距10 m，两排钻孔呈交错梅花状布置，设计注浆孔共计32 个。两排注浆孔之间布置注浆检查孔兼补充注浆孔12 个。注浆钻孔设计平面图如图2。

图2 注浆钻孔实际布置平面图

2.2 工程施工

2.2.1 注浆钻孔施工

注浆钻孔无芯钻进至基岩以下3 m 左右，扩孔下入Φ180 mm 套管，壁后注浆，待水泥凝固后无芯钻进至终孔层位。注浆钻孔终孔层位为15 煤层底板以下10 m，个别终孔至17 煤层。注浆采用自下至上方式注入，注浆深度到15煤层底板以下10 m，注浆范围从边界煤柱可靠区至煤层露头附近，注浆标高从+30～+170 m。累计注入水泥6 618.66 t，矸石骨料158.4 t，工业盐2.64 t，水玻璃19.72 t。

2.2.2 取芯钻孔施工

取芯验证孔无芯钻进至30 m 左右，扩孔下入180 mm 套管30 m，壁后注浆，待水泥凝固后，取芯钻进至15 煤层底板以下10 m 终孔。根据钻孔条件，在1-4、1-5 等23 个钻孔进行了测井工作。通过测井曲线分析，仅在取4、取9 孔揭露9 煤层采空区；11 煤层采空区在试验注浆段及其以南区域存在范围较广；1-4、1-5、1-7、2-4、2-7、取1、取2、取3、取11、取12 钻孔均揭露11 煤层采空区。因此，采空区集中在试验注浆段及其以南区域，且为浅部9 煤层、11 煤层采空区，深部13、15、16 煤层未见有异常区域，试验注浆段以北区域全煤层赋存情况完好。

3 注浆加固效果检测及评价

跨孔电磁波CT 探查技术全区注浆效果进行验证相结合的综合方式对本次注浆效果进行评价。

3.1 跨孔电磁波CT 注浆效果检测

跨孔电磁波CT 检测以注浆施工记录和前期采空区探测工作为基础，在重点部位进行跨孔电磁波CT 探测。检测区域分为南区和北区，剖面的选择尽量集中在注浆大的区域。按照此要求，本次共设检测剖面29 个，剖面编号为QP01～QP29，如图3。

图3 注浆质量检测剖面布置平面图

通过注浆前后跨孔电磁波CT 同步测量曲线以及衰减系数剖面对比，以Z2-4 和Z2-5 钻孔为例，注浆后钻孔间介质均匀程度变好，注浆效果理想。

3.2 取芯检查孔注浆效果检测

1）取1 孔：孔深104.23 m，孔底位于16 煤层底板处。通过岩芯分析，9 煤层取出水泥块样；11煤层顶板三处裂隙内存有水泥充填体；11 煤层底板两处裂隙处有水泥充填体。

2）取2 孔：孔深106.92 m，孔底位于15 煤层底板断层处。通过岩芯分析可知，11 煤层老空区见注浆水泥充填体。

3）取3 孔：孔深108.76 m，孔底位于15 煤层底板断层处。通过岩芯分析11 煤层老空区，11 煤层下部见注浆水泥。

4）取4 孔：孔深108.11 m，钻孔岩芯37.96 m见有水泥充填体。

5）取5 孔：终孔深度107.03 m，钻孔岩芯33.5 m 见有水泥充填体。

6）取6 孔：终孔深度113.89 m，钻孔岩芯42.6 m 见有水泥充填体。

7）取7 孔：终孔深度122.60 m，钻孔岩芯37.1 m 见有水泥充填体。

8）取8 孔：终孔深度128.97 m。分析为遇边界F6 断层导致煤层缺失。

9）取9 孔：终孔深度93.24 m，钻孔岩芯35.2 m 处见有水泥充填体。

10）取10 孔：终孔深度91.24 m，钻孔岩芯32.9 m 见有水泥充填体。

11）取11 孔：终孔深度101.55 m，在11 煤层底板孔深37.86 m 处岩芯裂隙处有水泥充填体。

12）取12 孔：终孔深度107.84 m，钻孔岩芯35.85 m 处见有水泥充填体。

3.3 注浆加固结果综合评价

综合应用钻孔取芯、综合测井、跨孔电磁波同步测量法和跨孔电磁波CT 法对孙村煤矿东边界F6断层煤柱缺失区注浆工程进行了抽检，获得结论：

1）通过钻孔抽芯和综合测井检查，表明注浆区采空区充填情况良好，裂隙带充填情况良好，采空区内采取岩芯呈短柱状，密实度好，具有隔水能力；11 煤以下地层受采掘扰动小，13 煤、15 煤、16 煤赋存完整。

2）跨孔电磁波CT 剖面抽查结果表明，9 煤、11 煤采空区注浆效果理想，采掘扰动造成的地层裂隙带充填完整，注浆后孔间介质均匀性增强，孔隙度变小，剖面检测区具有隔水能力；11 煤之下地层未受采掘扰动，13 煤、15 煤、16 煤赋存完整。

4 结语

针对孙村-华源煤矿矿界断层煤柱可靠性评价及断层边界采空区探测、注浆和效果评价等技术难题，利用宽线二维地震及跨孔电磁波CT 勘探对采空区进行精细化探查。探测成果推测该区采空区大面积发育，对F6 断层防隔水煤柱残缺区实施了注浆加固工程，综合应用钻孔抽芯、综合测井、跨孔电磁波同步测量法和跨孔电磁波CT 法对注浆加固效果进行抽检评价。基于以上成果，形成了集矿界断层煤柱薄弱区探测、可靠性评价、注浆加固过程控制与注浆效果定量检测于一体的侧向高位积水复杂空区矿井煤柱水害预防技术体系，为类似矿井水害防治奠定了基础。