五溝煤礦F16斷層井下鉆探及壓水試驗

郭曉亮，胡榮杰，吳俊松

(1.皖北煤電集團(tuán)公司, 安徽 宿州 234000； 2.安徽恒源煤電公司五溝煤礦，安徽 淮北 235131)

應(yīng)用研究·煤礦·

五溝煤礦F16斷層井下鉆探及壓水試驗

郭曉亮1，胡榮杰1，吳俊松2

(1.皖北煤電集團(tuán)公司, 安徽 宿州 234000； 2.安徽恒源煤電公司五溝煤礦，安徽 淮北 235131)

五溝煤礦F16斷層位于礦井西北部，大型正斷層，落差30～150m，在礦井內(nèi)走向長度約2.24km。1031工作面風(fēng)巷靠近F16正斷層，沿斷層上盤斷防煤柱線掘進(jìn)，由于受F16正斷層影響，上盤10煤層與下盤太灰間距進(jìn)一步縮短，受采動影響，存在一定的太灰水突水威脅。通過井下鉆探及壓水試驗進(jìn)一步探測F16斷層位置、落差及賦導(dǎo)水性，取得了F16斷層的透水率及滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，為合理留設(shè)F16斷層斷防煤柱提供了關(guān)鍵依據(jù)。

斷層； 壓水試驗； 水文參數(shù)

1 F16斷層概況

F16斷層位于五溝礦井西北部，1031工作面北部，為大型正斷層。地面三維地震控制：錯斷5煤至奧灰，走向NEE，傾向SSW，在礦區(qū)內(nèi)走向長度為2.24km，傾角70°，落差30～150m，東端與五溝斷層相交，有J1- 6、J1- 4、補(bǔ)22鉆孔控制。地面補(bǔ)22鉆孔揭露 F16斷層，斷層帶位置在孔深355.10m，落差80m左右，進(jìn)行了抽水試驗，滲透系數(shù)分別為0.833 3、0.956 2、1.055 4m/d。

該斷層與1031工作面走向基本平行，距工作面風(fēng)巷84～141m，暫無實揭資料。工作面在該斷層的上盤(下降盤)，10煤層底板與一灰間的有效隔水層厚度進(jìn)一步縮小，甚至對接。

為進(jìn)一步控制F16斷層的位置、落差、賦導(dǎo)水性，在1031工作面風(fēng)巷TZ3鉆場設(shè)計2組探查鉆孔對F16斷層進(jìn)行探查及壓水試驗，為1031工作面的安全回采提供地質(zhì)依據(jù)。

2 施工段地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 施工段地質(zhì)及煤層情況

施工段位于1031風(fēng)巷TZ3鉆場，靠近F16正斷層的上盤，斷層附近次生斷層及裂隙可能較為發(fā)育。10煤位于山西組中部，上距下石盒子組鋁質(zhì)泥巖42.95～60.99m，下距太原組一灰33.15～51.55m，煤厚2.44～5.47m。10煤層直接頂板為粉砂巖漸變?yōu)榧?xì)砂巖。老頂為淺灰色細(xì)砂巖，與深灰色泥巖形成互層，成水平層理，層理面含炭質(zhì)成分。10煤層直接底板為粉砂巖，深灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，夾有淺灰色細(xì)砂質(zhì)線條狀。老底為砂泥巖互層。10煤下約12～24m為11煤層位，煤厚0.5m。

2.2 施工段水文地質(zhì)

施工段主要受到10煤層頂、底板砂巖裂隙含水層及底板灰?guī)r含水層的影響。砂巖含水層(段)砂巖裂隙不發(fā)育，含水性較弱。由于F16斷層落差較大，導(dǎo)致對盤灰?guī)r與本盤煤層對接，鉆孔穿過F16斷層時進(jìn)入對盤灰?guī)r含水層，可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。根據(jù)水6孔(太灰長觀孔)的實時水位(-39.21m)，計算出試驗段灰?guī)r水最大水壓為3.45MPa。預(yù)計鉆孔的單孔最大涌水量為50m3/h。

3 F16斷層井下鉆探

鉆探地點為1031風(fēng)巷TZ3鉆場，見壓水試驗平面圖圖1。實際施工6個探查孔，合計工程量769m。其中T6#孔：方位328°傾角11°孔深95m， 85.5～91m見破碎帶，寬度5m，91～95m見下盤灰?guī)r，終孔出水5m3/h，T6#孔同時作為壓水試驗孔；T7#孔：方位28°傾角17°孔深133m， 106.7～112.8m見下盤11煤；T8#孔：方位28°傾角0°孔深99m， 97～99m見下盤灰?guī)r，終孔出水10m3/h；T9#孔：方位28°傾角-5°孔深107m， 101.5～107m見下盤灰?guī)r，終孔出水0.5m3/h。

圖1 壓水試驗平面圖

鉆探綜合分析：F16斷層傾角67°～80°、落差75m，風(fēng)巷距上盤斷煤交線77～95m，斷層帶寬度4～5m，斷層不含水不導(dǎo)水，見探查F16斷層剖面圖圖2。

圖2 探查F16斷層剖面圖

4 F16斷層壓水試驗

4.1 試驗?zāi)康?/p>

壓水試驗是用高壓方式把水壓入鉆孔，根據(jù)巖體吸水量計算了解巖體裂隙發(fā)育情況和透水性的一種原位試驗。壓水試驗是用專門的止水設(shè)備把一定長度的鉆孔試驗段隔離出來，然后用固定的水頭向這一段鉆孔壓水，水通過孔壁周圍的裂隙向巖體內(nèi)滲透，最終滲透的水量會趨于一個穩(wěn)定值。根據(jù)壓水水頭、試驗段長度和穩(wěn)定滲入水量，可以判定巖體透水性的強(qiáng)弱[1]。

本次高壓壓水試驗重點針對斷層帶進(jìn)行，試驗段長度根據(jù)實際鉆探探查斷層帶寬度確定，高壓壓水試驗盡量從空間上模擬太灰水沿斷層帶出現(xiàn)涌水與突水情況。

4.2 試驗步驟

考慮到地面壓水試驗工期較長、花費巨大，井下壓水試驗效果與地面壓水試驗效果基本一致，故決定在井下1031風(fēng)巷TZ3鉆場T6#鉆孔內(nèi)75～83m細(xì)砂巖段對F16斷層進(jìn)行高壓壓水試驗。

4.2.1 試驗水壓確定

根據(jù)水6孔(太灰)實時水位(-39.21m)，計算得出試驗段所在層位的灰?guī)r水水壓為3.45MPa。為了真實模擬該點灰?guī)r水的情況，綜合利用現(xiàn)有設(shè)備的情況下選取高壓壓水試驗水壓為4MPa。采用1.0→2.0→3.0→4.0→3.0→2.0→1.0MPa等7個壓力階段，加壓方式采用中速法加壓，每級壓力時間持續(xù)30min。

4.2.2 試驗流程

鉆進(jìn)→下套管→取芯→注漿→掃孔→洗孔→壓水管路連接→壓水試驗階段進(jìn)行壓力、壓入水量觀測→現(xiàn)場進(jìn)行資料整理與曲線驗證。

(1)采用正循環(huán)法洗孔，洗孔鉆具應(yīng)下到孔底，流量應(yīng)達(dá)到水泵的最大出力。巖粉堵塞嚴(yán)重的孔段宜采用活塞抽吸法洗孔。洗孔結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)是孔口回水清潔，孔底沉淀物厚度小于0.2m。

(2)將試驗壓力調(diào)整到預(yù)定值并保持穩(wěn)定，開始進(jìn)行壓力和流量觀測。

(3)壓力流量觀測時間間隔為1min或2min，當(dāng)壓力保持不變，流量無持續(xù)增大趨勢，且5次流量讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1L/min時，本階段試驗即可結(jié)束，取最終值作為計算值。

(4)按預(yù)定的壓力階段及相應(yīng)的壓力值重復(fù)上述試驗過程，直至完成該試段的試驗。

(5)在降壓階段，如出現(xiàn)回流現(xiàn)象，應(yīng)記錄回流情況，待回流停止，流量達(dá)到(3)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，方可結(jié)束本階段試驗。

(6)在試驗過程中，應(yīng)對試驗孔附近的鉆孔涌水情況觀測。

(7)待試驗結(jié)束后，繪制P—Q曲線，以檢驗試驗成果的正確性。

4.3 設(shè)備安裝及注意事項

4.3.1 設(shè)備安裝

高壓壓水試驗設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 鉆孔壓水試驗設(shè)備安裝示意圖

4.3.2 試驗注意事項

(1)試驗設(shè)備、儀表要滿足規(guī)范要求。水泵需雙缸以上，壓力穩(wěn)定，在注水加壓時不小于120L/min，出水均勻；壓力計、水位計反應(yīng)靈敏，工作壓力保持在極限壓力值的1/3～3/4范圍內(nèi)。

(2)所有接頭處密封要好，否則會由于漏水導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，曲線變形。

(3)洗孔要干凈，否則容易出現(xiàn)E型曲線，且透水率偏小。

(4)T6#孔第二次注漿時壓力不能太大，以保證不使斷層帶被堵死，影響壓水試驗效果。

(5)地層條件允許時優(yōu)先使用金剛石鉆頭，以使孔壁光滑，確保止水效果良好。

(6)壓水試驗期間孔口及高壓管附近不宜久留，閑雜人員嚴(yán)禁靠近，以防發(fā)生意外。

4.4 試驗資料整理

4.4.1 高壓壓水試驗壓力損失計算

本次鉆孔壓水試驗注漿段作為工作管路，其內(nèi)徑統(tǒng)一為φ75mm，在壓水試驗過程中，試驗設(shè)備及水源與試驗段不再同一標(biāo)高位置(高差為15m)，故需要考慮水柱壓力損失：PS=ρgh=15×1.0×103×10Pa=0.15MPa。

4.4.2 資料整理

本次試驗共獲取35組數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析校核綜合考慮注漿對壓水試驗的影響并扣除壓力損失后選用每個壓力段5組數(shù)據(jù)中的第三組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 壓水試驗數(shù)據(jù)表

繪制高壓壓水試驗P—Q曲線，如圖4所示。

圖4 高壓壓水試驗流量與壓力曲線圖

4.5 滲透性分析

(1)透水率。試驗段長度為8m，其透水率采用最大壓力階段(第四階段)的壓力值(P4)和流量值(Q4)按式(1)計算[1]：

(1)

式中：q——試驗段的透水率，Lu；

L——試驗段長度，8m；

Q4——第四階段的計算流量，77.36L/min；

P4——第四階段的試驗段壓力，3.85MPa。

試驗段透水率取兩位有效數(shù)字，所得試驗段透水率為2.51Lu。

(2)滲透系數(shù)。根據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》，當(dāng)透水率較小(小于10Lu)裂隙巖體壓水段滲透系數(shù)采用最高壓力段數(shù)據(jù)，按公式(2)計算：

(2)

式中：K——巖體滲透系數(shù)，m/d；

H——試驗水頭(385m)；

Q——壓入流量(111.4m3/d)；

L——試驗長度(8m)；

r0——鉆孔半徑(0.037 5m)。

所得試驗段滲透系數(shù)為3.1×10-2m/d。

4.6 高壓壓水試驗結(jié)果分析

由高壓壓水試驗P—Q曲線圖可以看出，升壓曲線為通過原點的直線，降壓曲線與升壓曲線基本重合(升壓降壓同壓力下流量值絕對差不大于1L/min認(rèn)為基本重合)，可以得出試驗細(xì)砂巖段在整個壓水試驗過程中滲流狀態(tài)為層流，裂隙基本沒有發(fā)生變化；由透水率及滲透系數(shù)綜合分析該巖體滲透性等級為弱滲透性，細(xì)砂巖段巖體完整性較好。

5 結(jié)語

根據(jù)地震勘探資料及地面、井下鉆探資料，進(jìn)一步確定了F16斷層的傾角在70°左右，落差30～150m；根據(jù)地面補(bǔ)22鉆孔抽水試驗，滲透系數(shù)分別為0.833 3、0.956 2、1.055 4m/d；通過壓水試驗測得試驗段透水率為2.51Lu、試驗段滲透系數(shù)為3.1×10-2m/d，由透水率及滲透系數(shù)綜合分析該巖體滲透性等級為弱滲透性，細(xì)砂巖段巖體完整性較好。F16斷層的透水率及滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)為合理留設(shè)F16斷層斷防煤柱提供了關(guān)鍵依據(jù)。

[1] 范 波，羅平平.鉆孔壓水試驗理論研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭工程，2010，(1).

[2] 吳玉華，等.礦井水害綜合防治技術(shù)研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

Underground drilling exploration and water pressure test of F16 fault in Wugou Coal Mine

F16 fault in mine northwest of Wugou Coal Mine is a large normal fault, and the fall is 30～150m, and the strike length in mine is about 2.24km. The air gateway of 1031 working face is near F16 fault, and the driving is along the hanging fault waterproof pillar line. Because of the influence of F16 fault the spacing between hanging 10 seam and footwall Taiyuan limestone shortened, and there is Taiyuan limestone water bursting threat due to the mining influence. Through further detecting the position, the fall and water conductivity of F16 fault by underground drilling exploration and water pressure test, the permeability rate and permeability coefficient were got, which provided key basis for the reasonable setting of fault waterproof pillar of F16 fault.

fault; water pressure test; hydrologic parameters

TD163+.1

A

2017-- 05-- 16

郭曉亮(1982-)，男，安徽淮北人，工程師，主要從事礦井地質(zhì)資源開發(fā)與技術(shù)管理工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0030-- 04