煤矿井下过导水断层关键技术研究.pdf

1402020 年第 8 期 煤矿井下过导水断层关键技术研究 王克军 石开进 （徐州矿务集团新疆天山矿业有限责任公司，新疆 库车市 842000） 摘 要 针对俄霍布拉克煤矿五采区 F6 断层具有导水性，围岩松散破碎、粘结力差、支护困难、涌水量大、溃水溃沙等 问题，通过超前探放水、施工放水联络巷、巷道围岩注浆固化三项关键技术的应用，使巷道安全顺利穿过断层带区域，同 时断层涌水量明显减少，为矿井安全生产提供了技术保障，对于类似条件下过导水断层具有借鉴意义。 关键词 煤矿 水文地质条件 探放水 导水断层 注浆固化 中图分类号 TD745 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.047 Study on the Key Technology of Over-conducting Water Fault in Coal Mine Wang Ke-jun Shi Kai-jin Xuzhou Mining Group Xinjiang Tianshan Mining Co., Ltd., Xinjiang Kuqau 842000 Abstract Aiming at the problems of water conductivity, loose breakage of surrounding rock, poor adhesion, difficulty of supporting, large water inflow and sand break in F6 fault in the five mining area of Ohoblak Coal Mine, the safe and smooth passage of roadway through the fault zone is made through three key technologies, such as water exploration and discharge work ahead of time, construction water discharge connection roadway and grouting solidification of roadway surrounding rock. It can make the tunnel pass through the fault zone safely and smoothly, at the same time, the water inflow of the fault is obviously reduced, which provides the technical guarantee for the safety production of the mine, and has reference significance for the over-conducting fault under similar conditions. Key words coal mine hydrogeological condition water exploration water diversion fault grouting solidification 收稿日期 2020-05-29 作者简介 王克军（1974-），男，汉族，青海乐都人，毕业于西安 矿业学院采矿工程专业，高级工程师，现任徐州矿务集团天山矿业 有限责任公司总工程师。 俄矿五采区 F6 断层附近围岩严重破碎，而且 涌水量和水压较大，带有大量的泥沙，给巷道的正 常施工带来极大的困难，多次尝试要穿过 F6 断层， 但均未成功。目前俄矿主要采掘活动布置在矿井东 翼采区，而东翼采区下1煤即将采完，下5煤层东 翼采区单翼布置因受对采对掘影响产能受限，严重 制约矿井正常生产及接续。五采区可采储量 1.6 亿 t （包括下1、下5、下7-2、下8），若矿井及早两翼 布置开采，不仅能避免对采对掘的影响，最大限度 发挥矿井产能，也有利于矿井接续合理，生产组织 更加从容，促进企业的可持续发展。 为此，本文在全矿井和 F6 断层所在五采区水 文地质条件研究的基础上，通过超前探放水、施工 放水联络巷和巷道围岩注浆固化三项关键技术应 用，保证了五采区的开拓和矿井的接续，同时为类 似条件下过导水断层提供了工程实践。 1 水文地质背景 俄霍布拉克矿井五采区位于矿井西南部 F5、 F6 断层之间，F5 断层落差 0150m，F6 断层落差 050m，水文地质条件复杂。五采区准备巷道布置 需穿过 F6 断层，通过以往水文地质工作，初步探 明五采区水文地质充水水源、导水通道及其补给和 排泄条件。经过分析研究，矿井西翼五采区主要充 水因素为第四系冲积层潜流水、 顶板砂岩裂隙水 （侏 罗系 J21 标准砂岩含水层）和断层水（F6 断层水）。 第四系冲积层潜流水的补给源主要来自于大气 降水补给和矿井北部 7km 处阿格村三小队居民灌溉 水和矿井东北部 7.5km 处卡果尔河及天山山脉雪融 化水。该区域第四系含水层具强富水性并覆盖面积 较大、厚度较厚，也为 F6 断层的直接主要补给源， 补给源充沛。 顶板砂岩裂隙水 （侏罗系J21标准砂岩含水层） ， 虽然覆盖面积大，但由于该含水层岩性主要以细砂 1412020 年第 8 期 岩、泥岩和砂质泥岩为主，裂隙不发育，岩层整体 性较好，渗透系数较小，补给源不充沛，因此，不 会对巷道施工造成威胁，一般在巷道施工过程中以 淋水、滴水形式排泄。 根据以往的几个采掘工作面开采过程中所揭露 的水文地质及地质情况可知，F6 断层落差较大，断 层面风化严重，伴有水和泥沙，透水性强，是个导 水断层，对巷道顶板管理和防治水工作影响较大。 为确保施工巷道安全顺利通过 F6 断层，需对断层 产状、导水性、富水条件、围岩性质、施工方案进 行研究和分析。 2 分析研究五采区地质及水文地质条件 2.1 探明 F6 断层产状及其性质 为确保下1煤五采区集中回风巷安全顺利穿过 F6 断层，采取两种方法一是地面做综合物探（三 维地震）；二是根据地面三维地震报告结果，该巷 道快要掘进到报告圈定位置前 20m，对巷道迎头超 前进行钻探，探明断层产状和其导水性。具体情况 如表 1、图 1、图 2 和图 3 所示。 图 1 三维地震勘探构造发育示意图 表 1 探查钻孔参数及出水量统计表 孔号 设计深 度 /m 设计 角度 设计方 位角 实际孔 深 /m 实际 角度 实际方 位角 出水量 （m/h） 130-2526224.5-252620 250-1526231-152620 375326278326213 450826245826218 52510262241026219 图 2 探查断层产状和性质钻孔布置断面示意图 图 3 探查断层产状和性质钻孔布置剖面示意图 由图和表可见，F6 断层在此处为落差 9.5m 的 正断层，属导水断层，断层涌水量较大，涌水量约 50m/h，断层面风化、松软、破碎，且存有大量的 充填物和带有大量泥沙。 2.2 查明水文地质条件 为查明该区内第四系松散的冲洪积卵砾石层和 下1、下5煤层之间含水层的富水情况，划分、圈定 富水区范围，为五采区的开拓提供精确可靠的技术 数据，地面做了物探（电法）工作。如图 4 所示。 图 4 地面电法 - 第四系含水层富水区分布图 井下采用井下瞬变电磁，分别在巷道迎头上倾 45方向、上倾 30方向、顺层及下倾 30方向 进行探测，如图 5 所示。井下瞬变电磁成果，如图 6 顺变电磁成果物探三维图所示。 1422020 年第 8 期 图 5 瞬变电磁超前探测成果图 图 6 顺变电磁成果物探三维图 经以上地面物探及井下瞬变电磁超前探测方法 可知，该巷道正上方第四系含水层富水性较强，且 该巷道前方存在地质异常带就是构造裂隙带，推测 该异常为煤岩层裂隙较为发育并赋水所致。 2.3 断层水水源分析 经井下打钻（见表 1 和图 3）及对钻孔出水量、 水压、水色等参数的长期观测，基本可判断该断层 水为第四系强含水层补给的 F6 断层水。 3 关键技术研究 3.1 井下两探 根据五采区地质资料和物探成果基本确定和控 制 F6 断层的走向方向及相对位置，巷道在接近 F6 断层时按照煤矿防治水细则要求，严格执行“井 下两探”。巷道每 100m 进行一组瞬变电磁超前探 测（其中一组物探见图 5、图 6），钻探每 100m 施 工一组， 超前距离不小于20m， 并对出水水质、 水温、 水压等动态观测，进一步查清前方断层带水文地质 条件，提前查明及疏放断层水。 3.2 施工放水联络巷 由于巷道迎头水量大，岩性为风化的中粗粒砂 岩，且经钻探所揭露的岩性可以判断，前面 F6 断 层面因受水的长期侵蚀作用，断层两盘岩性松软易 呈泥化，易冒落，过断层过程中可能会出现大面积 冒顶等事故。为确保巷道安全顺利通过该断层带， 经研究决定，巷道上帮施工一条与该巷道基本平行 的联络巷（简称放水联络巷），目的是为了将断层 水在断层面上段、水流上游截流切断水流，控制水 流方向，将水引入放水联络巷，为 1 煤五采区集中 回风巷的安全施工提供有力的保障。如图 7 所示。 图 7 放水联络巷平面示意图 3.3 巷道断层带围岩注浆固化 由于断层带较破碎，断层面风化严重，岩性已 呈泥化，易冒顶，为安全顺利过断层，决定对断层 带进行注浆，固化巷道围岩。 巷道迎头砌止泥墙，厚度 5m，宽 6m（巷道宽 5m，墙两侧分别插入巷道两帮各 0.5m），顶底部 按 13掏槽，掏槽深度不小于 500mm（底板掏至 实地）。止泥墙均以 C30 混凝土浇筑而成。然后按 不同方位、角度和深度布置注浆孔进行注浆。注浆 孔布置方式和参数如下（1）注浆分三段注浆，水 平距离 10m、20m、30m（图 8）。（2）注浆范围 为开挖轮廓线外 8m。（3）开孔孔径 133mm，套管 直径 DN108 地质管，长度 6m，终孔直径 94mm。 （4）注浆材料先选用水泥水玻璃双液浆液，水灰 比 WC10.81，浆液比，CS131。（5）注浆 终压 57MPa。 （a） 前方 10m 注浆孔布置图 1432020 年第 8 期 （b）前方 20m 注浆孔布置图 （c）前方 30m 注浆孔布置图 图 8 注浆孔布置图 3.4 效果分析 经钻探施工，共三个孔出水（见表 1），总出 水量 50m/h。经三个月的观测，水量基本处于稳定， 探明了 F6 断层的性质，是为导水断层，为 1 煤五 采区集中回风巷过断层期间防治水工作的顺利开展 提供了准确的技术依据。 经施工放水联络巷，将大部分 F6 断层水截流， 放水联络巷出水量 38m/h，为 1 煤五采区集中回风 巷安全顺利过断层，提供了良好的安全保障。 本次共注水泥 58.4t、水玻璃 14.5t，固化了破 碎带巷道围岩，巷道迎头淋水明显变小，为 1 煤五 采区集中回风巷过断层之间支护参数的选用及施工 过程中的顶板管理，提供了一定的技术依据和安全 保障。 截至发稿前，1 煤五采区集中回风巷安全顺利 穿过了 F6 断层，已向前掘进 498m，断层带区域目 前涌水量 15m/h。 4 结论 本文基于水文地质条件探查和研究，发现 F6 断层为导水断层，其充水水源为第四系强富水含水 层。通过物探和钻探查明了其充水水源、富水异常 区，提出了超前探放水、施工放水联络巷和巷道围 岩注浆固化三项关键技术。经实施，断层带区域的 涌水量由施工前的 50m/h 减小为 15m/h，基本达 到了断层水的控制，固化了破碎带巷道围岩，防止 了冒顶事故的发生，从而达到了安全顺利穿过 F6 断层的目的，为类似矿井井下过导水断层提供一定 的借鉴经验。 【参考书目】 ［1］ 朱传峰 . 童亭煤矿 F_10 断层导水性能的研究 [J]. 煤炭技术，2003（09）106-107. ［2］ 西安煤科工研究院 . 俄霍布拉克煤五采区物探工 程报告 [R].2017. ［3］ 田海峰，王俊峰 . 三锚联合支护技术在深井掘 进过断层带施工中的应用 [J]. 西部探矿工程， 2018，30（02）171-173. 如背斜、 向斜、 压扭性断层、 煤层倾角及走向变化处、 煤层扭曲带、构造煤厚变化处等。 4 结论 （1）长期以来华北板块和印支板块南北的挤压 及太平洋、菲律宾板块与藏滇板块东西向推挤，决 定了湖南省区域构造的演化特征及区域构造格局。 （2）区域构造演化控制了煤层瓦斯分布特征。 印支期及燕山期的强烈构造运动基本控制了湖南省 的构造形迹，瓦斯赋存条件较好的高瓦斯区域基本分 布在印支期及燕山早期以塑性变形为主的强挤压带。 （3）印支燕山期的强烈构造运动，强烈破坏 了煤层结构，松软高突煤层普遍发育。这一方面使 得煤层微孔隙多、闭合度好、连通性差，瓦斯不易 散逸，对保存瓦斯有利；另一方面使煤层的△ P 值 比较大，易发生突出。 （4）依据区域构造、围岩性质、煤层赋存、 瓦斯分布等情况将全省含煤区域划分为两个高突瓦 斯带、一个高瓦斯带和五个低瓦斯带。 【参考文献】 ［1］ 张子敏，张玉贵 . 瓦斯地质与瓦斯防治进展 [M]. 北京煤炭工业出版社，2007. ［2］ 张子敏，吴吟 . 中国煤矿瓦斯地质图编制 [C]// 中 国地质学会学术年会 .2013. ［3］ 张子敏 . 瓦斯地质学 [M]. 徐州中国矿业大学出 版社，2009. ［4］ 张子敏，吴吟 . 中国煤矿瓦斯赋存构造逐级控制 规律与分区划分 [J]，地学前缘，2013，20（02） 237-245. ［5］ 袁崇孚 . 构造煤和煤与瓦斯突出 [J]. 瓦斯地质， 1986（01）45-52. （上接第 139 页）