云南威信李子埂煤礦突水治理方案分析

虞 慧，莫美仙，陳海寧，楊光亮

(1.云南省地質(zhì)工程勘察總公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650031)

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

威信縣李子埂煤礦區(qū)域上位于四川盆地南部邊緣，地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，區(qū)域總體地勢西高東低，南高北低，由西向東近呈階梯狀降低。地層走向近南北向，傾向東，本區(qū)地形走向與構(gòu)造走向基本一致，受構(gòu)造侵蝕剝蝕作用強烈，地形切割強烈，溝谷縱橫。

1.2 地層巖性

區(qū)域內(nèi)地層由老到新出露有寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、侏羅系及第四系地層，缺失上古生界泥盆系及石炭系，下古生界各系地層不全。其中寒武系至奧陶系的各組地層分布在背斜核部。向斜核部分布地層有侏羅系，二疊系及三疊系地層分布在背斜向斜兩翼，第四系地層零星分布于山間凹地及溝谷兩側(cè)。

礦區(qū)范圍內(nèi)出露地層有二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、二疊系上統(tǒng)峨嵋山玄武巖組(P2β)，龍?zhí)督M及長興組(P2l+c)，三疊系下統(tǒng)卡以頭組(T1k)及飛仙關(guān)組(T1f)；第四系(Q)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)位于楊子板塊南部，川滇古陸核東南緣。大地構(gòu)造單元屬楊子準地臺，滇東臺褶帶、滇東北臺褶束。滇東北臺褶束范圍南西以小江斷裂(南北向)及會澤斷裂(北東向)為界；北部與東部分別延伸入四川省及貴州省境內(nèi)。威信縣以北東褶皺構(gòu)造的背斜緊密向斜寬緩，除新莊向斜外，其它的背斜向斜均為短軸褶皺，除褶皺構(gòu)造外，北東向的斷裂構(gòu)造也比較發(fā)育，此外還有少量東西走向及南北走向的斷裂構(gòu)造。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 地下水類型

根據(jù)礦區(qū)地下水賦存形式及地下水活動特征，將礦區(qū)地下水類型劃分為孔隙水、裂隙水、巖溶水三種類型。其中，孔隙水、裂隙水富水性弱，在本區(qū)的水文地質(zhì)意義不大。

本區(qū)巖溶裂隙水賦存于二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r的巖溶裂隙中。該含水層緊鄰礦區(qū)，地層傾向東，傾角在30°左右，這樣的情況使礦區(qū)玄武巖、碎屑巖下伏茅口組(P1m)灰?guī)r，該灰?guī)r發(fā)育溶蝕裂隙，富含巖溶裂隙水，在礦區(qū)及附近其富水性強弱以龍洞壩泉(48.38L/s)為典型值，亦即富水性強。

該巖溶水接受礦區(qū)西南部、南部廣大裸露巖溶山區(qū)的補給，從海拔較高的補給區(qū)逐步向地勢較低、寬緩的龍洞壩、順河村方向徑流、排泄。在李子埂、龍洞壩一帶，這一補給、徑流、排泄過程受到P1m含水層上覆玄武巖、碎屑巖的阻擋，水頭升高，形成承壓型巖溶水。

2.2 斷層、裂隙、破碎帶富水性

在井下巷道調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)C9煤層頂板細砂巖、粉砂巖有淋水點13處，均為層面裂隙含水。水量均比較小0.04～0.42L/s。井下最低淋水點標(biāo)高+495.8m，流量0.31L/s，礦井初見水位標(biāo)高+592m，流量0.071L/s，井下淋水最大處(Ls-13)標(biāo)高+586.7m，流量0.421L/s，該淋水點巷道總長約15m，可能與上部存在C9老窯采空區(qū)有關(guān)，屬上部C9小窯采空裂隙水。除此之外，礦井未發(fā)現(xiàn)破碎帶含水情況，雖然地面羅布河離煤層比較近，目前尚未發(fā)現(xiàn)礦井水與該地表水體的水力聯(lián)系情況。

2.3 礦井充水特征

李子埂煤礦為平硐+暗斜井開拓，主平硐井口坐標(biāo)X=3095738.266；Y=35501703.195；H=592.625，入井方位角約237°，開鑿地層是二迭系龍?zhí)督M地層，巖巷長約455m，標(biāo)高+597m見C9煤層，回風(fēng)井坐標(biāo)X=3096079.171；Y=35501601.450；H=584.913，石門方位275°[2]。在采空區(qū)下方發(fā)現(xiàn)有少量淋水，流量0.04～0.23L/s。井下煤巖巷道地質(zhì)調(diào)查編錄結(jié)果，礦井初見水位標(biāo)高(LS-01)+592m，地下水出露于長興組地層上段，煤層頂板砂巖裂隙含水層少量淋水，氣溫5℃，水溫8℃，流量0.07L/s，此外在礦井主平硐中還有2處出水，一處是LS-02長興組中下部，細砂巖裂隙含水層少量裂隙水，氣溫5℃，水溫8℃，流量0.08L/s；另一處是在主平硐卡以頭地層下部砂巖裂隙水SH-1，流量0.86L/s，氣溫5℃，水溫12℃，在+548m標(biāo)高的C9煤層南運輸巷500m巷道中僅發(fā)現(xiàn)頂板砂巖裂隙含水層4處淋水；LS-03流量0.15L/s，LS-04流量0.09L/s，LS-05流量0.23L/s，LS-06流量0.13L/s，氣溫7℃，水溫10℃。以上4處淋水與C9煤層上部采空區(qū)裂隙水有關(guān)。在該巷道南段未采動地段巷道中未發(fā)現(xiàn)有頂板滴水現(xiàn)象。另外在C9最低水平+500m平巷中有一處淋水CLS-07裂隙水流量0.31L/s，氣溫8℃，水溫13℃。在礦井北段回風(fēng)石門中見6處含水層裂隙水出水點，出水標(biāo)高為+584m，LS-08流量0.05L/s，氣溫6℃，水溫8℃，出水地層為T1k細砂巖，LS-09流量0.08L/s，淋水出露位置卡以頭地層底部細砂巖裂隙水。LS-10出水點位于長興組(P2c)頂部粉砂巖裂隙水，流量0.12L/s，氣溫6℃，水溫8℃，LS-11-12出水點位于龍?zhí)督M(P2l)上部細砂巖裂隙水，氣溫6℃，水溫8℃，水量分別是0.15L/s，0.04L/s；LS-13淋水點位于C9煤層頂板細砂巖裂隙水，氣溫6℃，水溫8℃，水量0.41L/s與上部老窯采空區(qū)裂隙水有關(guān)。

暗斜井(標(biāo)高+592.62m)一般涌水量450.14m3/d，雨季最大涌水量為756.24m3/d，礦井單位面積，單位降深涌水量5.8×10-6m3/d·m2·m～9.8×10-6m3/d·m2·m。礦井水一般主要來自C5、C9煤層采空區(qū)上方弱含水層裂隙水，主要接受大氣降水補給。

3 突水原因分析

3.1 礦井突水來源分析

突水處地層為龍?zhí)睹合档貙覲2l，上覆地層為長興組P2c碎屑巖地層、卡以頭組T1k碎屑巖地層，煤礦上部碎屑巖突水，主要是煤層采動導(dǎo)致其巖層力學(xué)性質(zhì)的變化，碎屑巖裂隙水涌人巷道，導(dǎo)致突水，此種突水由于突水水源富水性較差，并且賦存在裂隙中，但連通性差，所以一般水量較小，容易疏干，對煤礦構(gòu)不成嚴重的威脅。

而煤礦的下部突水，當(dāng)采煤巷道或工作面離灰?guī)r較近時，由于采動導(dǎo)致隔水巖層破壞，產(chǎn)生裂隙，進而在水壓的作用下，底板水突破隔水層，產(chǎn)生底板突水[3]。P1m含水層賦存的碳酸鹽巖巖溶水要在礦井中形成突水還需要具備兩個條件，一是在突水處一定區(qū)域內(nèi)巖溶水水壓較高，其水(頭)位至少要高于突水處裂縫海拔高程493.70m才可能形成突水；二是必須有裂隙通道與突水井巷勾通，兩個條件缺一不可，才可能形成突水。

通過對區(qū)域水文地質(zhì)條件的分析可以看出，P1m含水層為區(qū)域上的主要含水層，礦區(qū)南部、西南部的廣大巖溶山區(qū)接受大氣降水的補給，在巖溶含水層中由高處向低處徑流，即由南、西南向北、北東方向徑流，在順河村以北區(qū)域排泄。在這個補給、徑流、排泄系統(tǒng)中，補給—徑流區(qū)巖溶含水層中的巖溶水形成的水頭海拔高程是比較高的，因為這些地方是較高的山區(qū)，而礦區(qū)位于龍洞壩村南側(cè)，其下伏P1m巖溶含水層處于這個補給、徑流、排泄系統(tǒng)的徑流—排泄帶，上覆玄武巖相對隔水層和碎屑巖弱含水層，對下伏P1m巖溶含水層中的巖溶水具有阻隔作用，使巖溶水具有形成較高水位的條件。井巷突水后的穩(wěn)定水位582.70～574.65m(海拔高程)，即為下伏P1m巖溶含水層中的巖溶水在煤礦突水區(qū)域的承壓水頭高程。

另外，巷道揭露的小斷層也可能成為充水通道，使小斷層活化，勾通巷道和灰?guī)r水的聯(lián)系而引發(fā)突水[4]。礦區(qū)地表未發(fā)現(xiàn)有明顯的斷裂形跡，本次突水前挖掘中發(fā)現(xiàn)的15cm寬裂縫和充填物特征分析，該裂縫是一條斷距為15cm的小規(guī)模斷裂，該斷裂的破裂面延展穿過了玄武巖P2β進入P1m巖溶含水層中，或者說發(fā)育于P1m地層的斷裂破裂面延展穿過了玄武巖P2β進入煤層。斷裂破碎帶碎屑和泥化物對P1m巖溶地下水有一定程度的阻隔，但斷裂破碎帶為軟弱帶，具有一定程度的透水能力，當(dāng)巷道揭露該小斷裂后，水頭壓力高達89.7m，斷裂帶隨即產(chǎn)生滴水，逐步被巖溶水壓力沖開，形成股狀流和高壓急流，突水也就形成了。

總之，煤礦的突水是由多種原因造成的，只是每次突水時，都會有一種或數(shù)種因素在起作用，斷層的存在是煤礦突水中不可忽視的原因之一。本礦井突水來源為煤層下伏茅口組P1m巖溶含水層中賦含的巖溶水，其突水途徑為小斷裂，突水的水動力條件為礦區(qū)煤層下伏茅口組P1m巖溶水具有承壓高水頭。

3.2 礦井突水和龍洞壩泉的關(guān)系

礦井突水水源和龍洞壩泉均為茅口組P1m巖溶含水層中的巖溶水。從區(qū)域水文地質(zhì)圖中可以看出，它們具有共同的補給、徑流、排泄系統(tǒng)，其中礦井突水處位于徑流區(qū)，龍洞壩泉處于排泄區(qū)，兩地距離僅500m。

當(dāng)從補給區(qū)向徑流—排泄區(qū)運移的巖溶水以突水的方式進入位于徑流區(qū)的井巷后，原有的徑流、排泄過程發(fā)生變化，巖溶水首先要對井巷充水而不向龍洞壩泉供水，只有當(dāng)井巷的水頭上升到與原來徑流區(qū)的水頭持平后，也就是補給、徑流、排泄系統(tǒng)恢復(fù)為未突水前的狀態(tài)時，徑流區(qū)才會向排泄區(qū)恢復(fù)供水。這就是為什么突水發(fā)生后龍洞壩泉水?dāng)嗔?，而?dāng)井巷突水水位升高并穩(wěn)定后，龍洞壩泉涌水量逐步恢復(fù)的原因。

4 礦井突水治理方案分析

4.1 礦井突水治理方案分析

首先要解決的是龍洞壩泉涌水不受本次突水影響的問題。要解決這個問題，就必須封堵導(dǎo)水?dāng)嗔?，而要封堵該?dǎo)水?dāng)嗔?，就必須找到該斷裂的具體位置，然后用砼等材料封堵。其次要解決的是繼續(xù)采煤的問題。要解決這個問題，同樣要封堵該導(dǎo)水?dāng)嗔?，把突水抽走，查清?jīng)過突水長期侵蝕后硐體穩(wěn)定性，是否誘發(fā)了其它導(dǎo)水裂隙，并采取治理措施后才能繼續(xù)采煤。

從以上分析可知，封堵導(dǎo)水?dāng)嗔咽墙鉀Q以上兩個問題的前提，因此本次突水治理方案的重點是封堵導(dǎo)水?dāng)嗔?。下面對封堵?dǎo)水?dāng)嗔逊桨高M行分析：

(1)采用大泵量抽水方法，即將突水抽干并邊抽邊進行封堵施工。采用該法的優(yōu)點是：封堵直接，效果一目了然。施工可能出現(xiàn)的情況是：①水量太大，難以抽干；②水壓過大，封堵不成功；③高水頭、大泵量降水，施工過程中會導(dǎo)致龍洞壩泉干枯，同時，巖溶水的補給、徑流、排泄系統(tǒng)可能發(fā)生質(zhì)變，即便封堵成功，龍洞壩泉是否恢復(fù)涌水是個問題。

(2)地表鉆孔注砼法，即不考慮抽水，采用物探方法在突水處的地表尋找接近突水部位的井巷，用鉆機鉆孔到突水井巷內(nèi)，將砼等封堵材料從鉆孔內(nèi)送下去填堵、灌漿。采用該法的優(yōu)點是：受突水水量大小、突水壓力的影響較小，封堵成功后將使龍洞壩泉涌水的補給、徑流、排泄系統(tǒng)恢復(fù)到突水前的狀態(tài)。

4.2 礦井突水治理方案設(shè)計

(1)物探工作

①根據(jù)現(xiàn)有突水段井巷資料，在地表初判有井巷的位置布置3條間隔15m，長度分別為60m，垂直井巷的物探剖面線，間隔30m的南側(cè)再布置一條對比物探剖面線，采用電測深法進行物探工作，得出電測深物探剖面，找出井巷可能的3處位置和深度；

②連接3處位置中點的線即為井巷走向，將該線向南、北作適當(dāng)延長，取長度60m作井巷的物探剖面線，采用電測深法進行物探工作，得出電測深物探剖面，找出井巷南側(cè)端部和端部深度；

③為驗證上述電測深法測出的井巷位置的準確性，可考慮再采用一種甚至多種物探方法對其校驗，綜合確定井巷的空間分布位置。

(2)鉆孔布置

根據(jù)礦山提供的井巷突水資料，結(jié)合物探資料得出的突水井巷的空間分布，在距離井巷南側(cè)端部5m的井巷中點布置1號鉆孔、15m處布置2號鉆孔，1、2號鉆孔的中間點布置3號鉆孔作加密灌漿孔。

(3)鉆孔設(shè)計

圖1 李子埂煤礦突水井巷治理方案工程布置簡圖

圖2 突水井巷5-5′地質(zhì)剖面圖

鉆孔設(shè)計見圖1和圖2。鉆孔深度為地面高程至突水井巷底板5m以下，鉆孔的孔深分別為ZK1為212.71m，ZK2為213.54m，ZK3為212.99m。設(shè)計需嚴格控制鉆孔垂直度，測斜應(yīng)采用高精度鉆孔測斜儀，測斜間接不宜超過30m，終孔孔斜不得超過0.25°，并考慮采用無巖芯鉆進工藝，在距離井巷5m時采用取芯鉆進。

(4)鉆孔施工

鉆孔施工需嚴格按設(shè)計施工，應(yīng)采用Y-4鉆機或更大的機型鉆井，需充分考慮到施工過程中的各種困難，帶齊施工工具，護壁井管等材料。

(5)注砼

①砼的強度等級采用，加早強減水劑，使其24小時砼強度達到4MPa。

②砼的級配：每立方米混凝土材料用量(kg/m3)為：水泥385kg、水184kg、砂775kg、圓礫1050kg，其中，水泥采用普通硅酸鹽水泥425或525早強水泥，砂采用河沙，圓礫采用直徑不大于2.5cm，不小于1.0cm的公分石。根據(jù)現(xiàn)場砂石料條件進行試配確定，具體配比參照上述配合比。

③砼的坍落度 采用5～10cm，灌注時加入流化劑使其達到18～22cm。

④灌注

在鉆孔中下入￠100～150帶逆止閥的高強度PVC管或橡膠管，確保輸料管中無水，以防止增大灌入砼的水灰比；

根據(jù)鉆孔施工揭露井巷情況、物探資料、地質(zhì)資料等計算需灌注的井巷體積，計算砼的灌注量；

灌注時需確保連續(xù)性、均勻性，一次性將準備好的砼料全部灌完；

檢查鉆孔中混凝土高度，推算井巷中的封堵長度；

(6)壓水實驗和灌漿

注砼結(jié)束48小時后在鉆孔中鉆進，鉆穿井巷底板2～3m，沖孔換漿，確保孔底沉渣小于0.20m。然后在底板和砼之間、頂板和砼之間分段進行壓水實驗，透水率應(yīng)小于 5Lu。

根據(jù)壓水實驗資料分析注砼效果，然后分段進行高壓灌漿(灌注純水泥漿，由稀到濃灌注，按灌漿規(guī)程執(zhí)行)。

根據(jù)壓水和灌漿資料分析封堵效果，研究是否需要采取更進一步補強措施，并實施。

(7)2號、3號鉆孔的實施

①2號孔的實施要求與上述要求相同。

②3號孔的實施則根據(jù)1號、2號孔的封堵效果確定是否施工。如果1、2號孔的封堵效果都比較好則可以考慮暫緩3號孔的施工。一般情況下需按1號、2號孔的施工順序和要求施工。

(8)效果驗證

在上述工作完成10日，砼及灌入水泥強度基本滿足要求后進行效果驗證。驗證方法是：

在風(fēng)井中用水泵降水，首先將降深控制為1m，然后觀測恢復(fù)情況，如果很快就恢復(fù)到原來的水位，則可斷定本次封堵治理不成功，此時需分析原因，研究補救辦法和采取補救措施。如果水位升高較小，或不能完全恢復(fù)到原來突水穩(wěn)定位置，說明本次封堵治理可能有效果(水位有一定程度的恢復(fù)是由于井巷淺表巖體裂隙充水后釋水)。可在進行更大降深的驗證，即再降水，將降深控制為10m，觀測其恢復(fù)情況，如果恢復(fù)依然很小，則可按降深30m、70m至抽干的順序進行恢復(fù)水位的觀測。如果封堵治理有一定效果，但還有微裂隙與導(dǎo)水?dāng)嗔延新?lián)系，則水位會恢復(fù)較慢，但能夠基本恢復(fù)至突水后穩(wěn)定時的水位，此時需分析原因，研究補救辦法和采取補救措施。如果封堵成功，那硐體淋水會逐步減少并慢慢恢復(fù)到突水前的狀況。

(9)鉆孔不能揭露井巷的治理辦法

鉆孔施工到設(shè)計深度，沒有碰到井巷。這種情況原因較復(fù)雜，可能是物探工作未能準確控制井巷，也可能是孔斜造成，甚至還可能有其它原因。

首先要對孔斜進行準確測量，如果孔斜度滿足設(shè)計要求，那說明不是由孔斜造成的，可能是由于物探確定的井巷位置不準確造成的，反之則有可能是由孔斜過大造成的，但不能排除物探位置的準確性。此時，各方技術(shù)人員應(yīng)集中進行分析、討論，確定原因。

如果確定是由物探位置不準確造成，則應(yīng)對物探進行?？?，補充工作，必要時利用已有井，采用井內(nèi)物探等方法，最終確定井巷位置后，在井巷中線距離南端部5m處布置鉆孔施工。

如果確定是由孔斜過大造成的，則應(yīng)根據(jù)測斜得到的傾斜方向和傾斜角，分析和計算擬布補充鉆孔的偏移方向和位移，并布置鉆孔施工。如果是由于井巷垮塌原因，則應(yīng)考慮改變封堵辦法，如孔位前移、灌漿等，應(yīng)根據(jù)巖芯等施工現(xiàn)場的情況進行判斷，確定封堵辦法。如果上述原因均不能確定突水井巷的位置，只有采取帷幕灌漿的辦法進行處理。帷幕灌漿需要布置的孔數(shù)較多，因而成本較高。

5 結(jié) 論

(1)、本礦井突水來源為煤層下伏茅口組P1m巖溶含水層中賦含的巖溶水，其突水途徑為小斷裂，突水的水動力條件為礦區(qū)煤層下伏茅口組P1m巖溶水具有承壓高水頭。

(2)礦井突水水源和龍洞壩泉均為茅口組P1m巖溶含水層中的巖溶水。它們具有共同的補給、徑流、排泄系統(tǒng)，其中礦井突水處位于徑流區(qū)，龍洞壩泉處于排泄區(qū)，當(dāng)補給區(qū)向徑流—排泄區(qū)運移的巖溶水以突水的方式進入位于徑流區(qū)的井巷后，原有的徑流、排泄過程發(fā)生變化，巖溶水首先要對井巷充水而不向龍洞壩泉供水，只有當(dāng)井巷的水頭上升到與原來徑流區(qū)的水頭持平后，也就是補給、徑流、排泄系統(tǒng)恢復(fù)為未突水前的狀態(tài)時，徑流區(qū)才會向排泄區(qū)恢復(fù)供水。

(3)突水治理方案：采用物探方法尋找突水井巷，用“地表鉆孔注砼法”封堵突水段井巷。該方案能徹底封堵本次突水的導(dǎo)水?dāng)嗔押妄埗磯稳乃β?lián)系，使龍洞壩泉涌水不會再受本次突水影響，同時，也能解除煤礦受本次突水的危害，為煤礦下一步的恢復(fù)工作奠定基礎(chǔ)。該方案較為科學(xué)合理，但技術(shù)要求高，精度要求高，施工難度大。

參 考 文 獻

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