基于靶面帷幕注浆的导水断层治理技术.pdf

第32卷5期 中 国 煤 炭 地 质 Vol. 32 No. 5 2020 年 5 月 COAL GEOLOGY OF CHINA________________________________May. 2020 doi 10. 3969/j. issn. 1674-1803. 2020. 05. 11 文章编号1674-1803 202005-0049-04 基于靶面帷幕注浆的导水断层治理技术 薛建坤K2 1 .中煤科工集团西安研究院有限公司， 西 安710054; 2 .陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 西 安710054 摘 要断层水害是煤矿水害的一种主要类型。针对断层水害探查及治理的复杂性， 以准格尔煤田深部矿区龙王 沟煤矿巷道掘进过断层为研究对象， 在综合利用物探、 钻 探 、 化探等手段的基础上， 确定龙王沟煤矿DF21断层为导 通底板灰岩水的导水断层。针对断层附近巷道底板承受灰岩水压低、 隔水层厚度大的特点， 提出利用井下靶面帷 幕注浆技术治理断层水害， 并最终实现了巷道安全掘进，研究成果可为准格尔煤田其他矿区同类型断层水害治理 提供借鉴。 关键词 靶面帷幕注浆； 水害探查；导水断层； 水害治理；准格尔煤田 中图分类号TD12 文献标识码A Water ConductedFault Control Technology Based on Target Face Curtain Grouting Xue Jiankun1 1. Xian Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xian, Shaanxi 710054； 2. Shaanxi Key Laboratory of Coalmine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xian, Shaanxi 710054 Abstract Fault water hazard is a main type of coalmine water hazard. In allusion to the complexity of fault water hazard exploration and control, taking a heading across fault in the Longwanggou coalmine, Jungar coal field deep pari mine area as a subject investigated, on the basis of integrated geophysical, drilling, geochemical prospecting means have confirmed the fault DF21 in Longwanggou coalmine as a water conducting fault has conducted floor limestone water. Aimed at low limestone water pressure and large aquifuge thic kness fea tures of fault nearby roadway floors, have suggested using underground target face curtain grouting technology to control fault water haz ard , and realized roadway safe heading finally. The studied results can provide reference for similar fault water hazard control in Jungar coalfield other mine areas. KeywordsTarget face curtain grouting； water hazard exploration； water conducted fault； water hazard control； Jungar coalfield 中国作为世界上第一采煤大国， 煤炭资源十分 丰富且地域分布辽阔， 但煤矿床水文地质条件复杂， 是世界上矿山水害最严重的国家之一3]， “ 十二 五” 期间， 共发生水害事故17起 、 死亡229人 41。断 裂构造是导致煤矿突水的主要因素， 其中以断层构 造为甚， 据统计,80的突水事故与断层有关[5]。 目前， 关于断层水害的研究较多， 主要集中在断 层突水机理[ 6 _7]、 断层活化机理[ 8 -w]、 断层突水预 测 1“]、 断层水害防治[〜13]等。其中断层水害的治 理以注浆为主， 分为井下常规钻探注浆、 井下定向钻 探注浆、 地面定向钻探注浆及地面径向射流注浆 基金项目 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目（ 2018 -TD-MS069;天地科技股份有限公司科技创新创业资金 专项项目（20丨8-TD-QN052 作者简介薛建坤（ 1987） ， 男， 山西运城人， 硕士， 助理研究员， 主要 从事水文地质及矿井水害防治工作。 收稿日期2019-丨0-29 责任编辑 樊小舟 等[ 1 〜6]。随着定向钻探技术在煤矿行业的应用， 断 层水害注浆治理工程在安全、 效率及效果上有了较 大提高， 极大地推动了我国矿山水害防治水平[17]。 然而， 利用定向钻探注浆也存在造价高、 工程量大的 问题。 靶面帷幕注浆是利用帷幕钻孔对掌子面围岩进 行注浆加固形成环状帷幕封堵体， 保证掌子面安全 掘 进 的 技 术 。该技术多用于隧道掘进灾害治理， 在煤矿巷道掘进水害治理方面也开展了一些相应的 研究[M]， 取得了较好的效果。 为此， 本文以准格尔煤田深部矿区龙王沟煤矿 巷道掘进过断层为研究对象， 提出利用靶面帷幕注 浆技术治理断层水害， 研究成果可为准格尔煤田同 类型断层水害治理提供借鉴。 1研究区概况 龙王沟井田位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗东 部 ， 为石炭一 二叠纪煤田。主采煤层为石炭系太原 组的6 、 9号 煤 ， 6 号煤厚平均18. 3m,埋 深 400m左 5050 中国煤炭地质 第 3 2 卷第 3 2 卷 图1龙 王 沟 井 田 水 文 地 质 柱 状 Figure 1 Longwanggou minefield hydrogeological column 井田构造发育， 勘探结果显示井田范围内有2 个较大的挠曲带、 落差大于5m的断层2 8 条 、 10个 陷落柱异常区。巷道掘进面临过断层及挠曲带的问 题（ 前方40m即为第一挠曲及DF2 1 断层复合构造 带） 。地层倾角由3变 为 13,影响宽度900m左右， 两翼高差最大可达138m。DF21断层位于挠曲带轴 部 ， 断层倾角78。 82。 ， 落 差 // 022m图 2。该 处巷道底板标高 801m， 井田灰岩水位标尚 870m, 巷道底板承受奥灰水压0. 69MPa。 右， 为区内埋深较大的井田。主要含水层为煤层顶 板第四系松散层、 二叠系山西组砂岩水， 底板石炭系 太原组砂岩水， 奥陶系、 寒武系灰岩水。 井田内主要充水含水层为顶板山西组含水层及 底板灰岩含水层， 山西组含水层富水性弱， 灰岩含水 层为煤层开采主要威胁含水层， 单 位 涌 水 量 _ 式 中 为 围 岩 塑 性 带 半 径 ，为巷道半径 道宽度为5m时， 取 2 5m;7Q为原岩应力， 取 16MN/i 为内摩擦角， 取 35;C为黏聚力， 取 6MPa;P,为 护阻力， 本次计算不考虑支护条件,P,为 0。 DF2 丨 新 层 37517600 37517700 a. 迕流电法探汽结果 图3物探探查结果剖面图3物探探查结果剖面 Figure 3 Geophysical prospecting result sections DF2 丨断层 37517600 37517700 b. 瞬 变 电 磁 探 忾 结 果 钻孔 a. 钻 探 探 汽f 面 阁b. 钻 探 探 汽 剖 面 图 图 4钻探探查结果图 4钻探探查结果 Figure 4 Drilling results 5 期5 期薛建坤 基于靶面帷幕注浆的导水断层治理技术薛建坤 基于靶面帷幕注浆的导水断层治理技术 5151 D 0 S 1 3 5252中国煤炭地质 第 3 2 卷第 3 2 卷 经计算， 5.64m, 2.69m,两者之和为 8. 33m;巷道半径为2. 5m。三者之和为帷幕圈半径 为 10. 83m,从偏安全角度考虑取1 lm。 3. 2注 浆 孔 设 计 设计三个钻孔序次。第一序次（ 图 7 中D3-1- 孔 ） 设计5 个孔， 探查孔兼注浆钻孔;第二序次（ 图 7 中D3-2-L设计8 个注浆孔;第三序次设计10个 注浆孔（ 图 7 中D3-3-孔） ， 各孔终孔位置为穿过断 层 10m图 7。钻孔钻探施工中如遇破碎带或孔中 出水（ 水量大于5m3/h即可提钻， 进行注浆。注浆 48h后重新钻进， 直至设计孔深。注浆压力根据经 验公式（ 3确定， 为 4. 69MPa,从偏安全角度考虑， 取值5MPa。注浆材料采用水泥浆， 低压、 慢渗注浆 方式,水灰比控制在30.8。 P 4 P0 3 式 中 P为 注 浆 终 压 ，MPa; P。为 涌 水 压 力 ， 取 0. 69MPa0 3. 3治 理 效 果 第 1序次按设计施工钻孔， 探查、 注浆完成后， 第 2、 3序次钻孔水量小于lmVh,证明第1序次注浆效果 较好， 满足复掘条件。在后续的巷道掘进过程中， 断层 所在位置最大涌水量为3mVh,注浆治理效果显著。 b.靶a帷*注 浆 孔 剖iWfliHRi 图 7靶面帷幕注浆孔布置图 7靶面帷幕注浆孔布置 Figure 7 Target face curtain grouting boreholes layout 4结 论 1 利用直流电法、 瞬变电磁两种物探方法探查 到DF2 1 断层有导水可能， 利用钻探技术验证了 DF2 1 为导水断层， 最后利用放水试验、 水化学分析 等手段， 确 定DF21断层导通底板灰岩水； 2 针对巷道底板承受灰岩水压低、 隔水层厚度 较大的特点， 提出利用靶面帷幕注浆技术治理断层 水害， 巷道掘进后断层所在位置最大涌水量为3m3/ h， 治理效果明显。 3 研究成果可为准格尔煤田其他矿区同类型 断层水害治理提供借鉴。 参 考 文 献 [1] 武强， 崔芳鹏， 赵苏启， 等.矿井水害类型划分及主要特征分析 [J] 煤炭学报，2013,3804 561-565. [2] 董书宁， 虎维岳.中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素[J]. 煤田地质与勘探，200705 34-38. [3 ]虎维岳， 田干.我同煤矿水害类型及其防治对策[J ].煤炭科学技 术，201001 92-96. [4 ]靳德武.我国煤矿水害防治技术新进展及其方法论思考[ J ] .煤 炭科学技术，201705 141-147. [5 ]宋振骐， 郝建， 汤建泉， 等.断层突水预测控制理论研究[J].煤炭 学报，201309 151 卜 1515. [6]李青锋， 王卫军， 朱川曲， 等.基于隔水关键层原理的断层突水机 理分析[ J ] .采矿与安全工程学报，200901 87-90. [7] 黄存桿.采动断层突水机理研究[D ].长沙中南大学，2010. [8] 姜耀东， 王涛， 赵毅鑫， 等.采动影响下断层活化规律的数值模拟 研究[J].中国矿业大学学报，2013,4201 1-5. [9] 蒋金泉， 武泉林， 曲华.硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层 活化特征[ 1].煤炭学报，2015,4002267-277. [10] 许进鹏， 张福成， 桂辉， 等.采动断层活化导水特征分析与实验 研究[J]中国矿业大学学报,201203 415-419. [11] 孙建， 王连国.基于微震信号突变分析的底板断层突水预测 [J .煤炭学报，2013,3808 1404-1410. [12] 张志龙， 高延法， 武强， 等.浅谈矿井水害立体防治技术体系 [J].煤炭学报，2013,3803 378-383. [13] 翟明华， 刘人太， 沙飞， 等.深汴T. 作面断层滞后突水机制与防 治关键技术[J].煤炭科学技术，2017,4508 25-31. [14] 李泉新.煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术[J].煤炭科 学技术， 2014,4201 138-142. [15] 王宇航， 张结如， 石志远， 等.地面定向钻孔在治理煤层底板断 层带突水中的应用[J].能源与环保，201703 77-81. [16] 胡宝玉.径向射流孔对断层的注浆加固作用研究[J].煤炭技 7,2018,3705 187-189. [17] 赵庆彪.奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用[】 ].煤炭 学报，2014,3906 1112-1117. [丨8]张庆， 郞正盛， 李利峰.雪峰山2号隧道帷幕注浆加固技术[J]. 煤炭工程，201205 42-44. [19] 张文忠， 朱明诚.华蓥山煤田溶蚀裂隙治理技术研究[J].辽宁 工程技术大学学报（ 自然科学版） ，20丨5,3409 1016-1020. [20] 邵东梅.带压开采矿井导水断层探查与治理技术[J].煤矿安 全，2015,4606 133-135.