F36斷層底板出水機(jī)理分析及注漿治理措施的應(yīng)用

李柬谷

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 山西 陽泉 045000)

1 礦井基本情況

堡子礦為資源整合礦井，井田面積7.718 4 km2，批采2#—9#煤層，生產(chǎn)規(guī)模為90萬t/a. 礦井采用斜井開拓方式，共設(shè)計(jì)主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井3個(gè)井筒。目前，該礦采掘工程集中到二采區(qū)，即采區(qū)水倉西北部分區(qū)域。

2 2#煤地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

井田位于山西省沁水煤田晉城礦區(qū)西南部，發(fā)現(xiàn)褶曲1個(gè)，斷層57條，最大落差100 m，此前均未發(fā)生斷層出水現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)陷落柱。

2#煤層位于山西組中部，為該礦主要可采煤層之一，煤層厚度平均4.5 m，頂板以泥巖為主，粉砂巖次之，底板以粉砂巖為主，泥巖次之。

2.2 水文地質(zhì)條件

2#煤層底板標(biāo)高+720～+920 m，太灰水混合水位標(biāo)高為+932.05～+971.93 m，存在底板太灰水帶壓開采問題。2#煤層至K2灰?guī)r含水層厚度43.33～57.83 m，平均厚度54 m，太灰(主要為K2)含水層水屬弱-中等富水性含水層。2#煤層距離奧陶系灰?guī)r含水層厚度54.63～106.04 m，平均厚度84 m，奧灰水位標(biāo)高在+943.55～+946.22 m，滲透系數(shù)0.004 04～10.74 m/d，單位涌水量0.10～0.256 L/s·m，為弱-中等富水性含水層。二采區(qū)2202工作面位于奧灰水中等富水性區(qū)域內(nèi)(圖1).

圖1 奧陶系灰?guī)r含水層富水性分區(qū)圖

礦井2#煤層底板距奧灰頂界面平均厚度84 m，2#煤層底板奧灰水帶壓值為0～2.18 MPa，突水系數(shù)為0.010～0.039 MPa/m，屬于相對(duì)安全區(qū)。

3 出水經(jīng)過及探放水情況

3.1 出水情況

二采區(qū)在采掘過程中，先后分別在二采區(qū)回風(fēng)大巷、2203切巷以北的探巷等9處均揭露F36斷層，其中只有兩處出水，一處2203回風(fēng)順槽，揭露F36斷層涌水量為1～2 m3/h，一處二采區(qū)回風(fēng)大巷在揭露F36斷層時(shí)有淋頭水(圖2). F38斷層位于F36斷層?xùn)|側(cè)，2201進(jìn)風(fēng)巷、2202進(jìn)風(fēng)巷等6處均揭露F38斷層，無出水情況。

本次出水地點(diǎn)為2202工作面探巷。初始預(yù)計(jì)涌水量為90 m3/h，后期涌水量基本穩(wěn)定在140～150 m3/h.

圖2 F36斷層揭露及出水點(diǎn)位置示意圖

3.2 物探、鉆探情況

3.2.1物探情況

對(duì)2202切巷進(jìn)行了兩次瞬變電磁物探，覆蓋了2202探巷，兩次物探成果見圖3. 第一次物探成果顯示，在2202工作面切巷探測(cè)位置右?guī)?0～80 m，前方0～50 m處底板15°方向存在明顯低阻異常區(qū)；第二次物探成果顯示，在2202工作面切巷探測(cè)位置左幫70～100 m，前方0～80 m處底板15°方向存在明顯低阻異常區(qū)。因此，2202工作面探巷水點(diǎn)位置有明顯低阻異常區(qū)。

圖3 2202切巷第一、第二次物探成果圖

3.2.2鉆探情況

2202探巷掘進(jìn)之前編制專項(xiàng)的“有掘必探”鉆探設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)鉆孔6個(gè)，4個(gè)煤層孔(因煤厚超過3 m，垂向增加1個(gè)孔)，2個(gè)煤層底板孔。實(shí)際施工了3個(gè)煤層孔，分別是1、2、3. 總共鉆探了2次，每次施工3個(gè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度65 m. 在第二次鉆探時(shí)，鉆探了65 m，其中5 m進(jìn)入巖石，通過此次鉆探確定了F36正斷層位置，第二次鉆探結(jié)束后巷道又掘進(jìn)了35 m后停掘?！坝芯虮靥健备縻@孔均未發(fā)現(xiàn)出水情況。

4 出水機(jī)理分析

該斷層使得出水點(diǎn)煤層底板與斷層下盤K2灰?guī)r垂距為17 m左右，距離斷層下盤奧灰垂距為47 m；探巷出水點(diǎn)底板標(biāo)高約+815 m，奧灰水位標(biāo)高+944 m，出水點(diǎn)奧灰水帶壓約1.3 MPa(圖4，5).

圖4 F36斷層出水機(jī)理分析示意圖

圖5 采動(dòng)礦壓對(duì)底板的破壞深度示意圖

由于F36斷層的影響，斷層附近巖層破碎裂隙發(fā)育，抗壓強(qiáng)度降低，底板承受不住奧灰水壓，奧灰水沿?cái)鄬油ㄟ^裂隙帶涌入巷道。2202探巷出水后，2203工作面回風(fēng)順槽出水點(diǎn)水量逐步衰減，說明兩處出水點(diǎn)由于F36斷層及破碎帶的存在，存在水力聯(lián)系。經(jīng)初步分析，認(rèn)為本次出水機(jī)理為：

1) 受F36正斷層影響，中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層和上石炭統(tǒng)太原組(K2、K3、K4石灰?guī)r)相互導(dǎo)通，是出水水源。

2) 2202探巷附近F36和F38附近及交匯處，地應(yīng)力集中，頂、底板巖石受地應(yīng)力作用，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，形成的節(jié)理裂隙密集帶(應(yīng)力集中帶)是出水通道。

5 斷層注漿治理

5.1 鉆探工程設(shè)計(jì)

根據(jù)出水情況設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)2個(gè)，2202切巷(Z1)和2203切巷(Z2).布置鉆孔16個(gè)，K2灰?guī)r探查孔1個(gè)，5個(gè)檢查孔。鉆孔落點(diǎn)進(jìn)入F36斷層下盤K2灰?guī)r含水層(二采區(qū)平均厚度11 m)，終孔距離K2灰?guī)r頂板5 m；奧灰注漿孔15個(gè)，落點(diǎn)水平間距20 m，目標(biāo)層為F36斷層下盤奧灰含水層，其中10個(gè)孔穿過斷層進(jìn)入下盤奧灰，終孔距離奧灰頂界面20 m；其余5個(gè)孔揭露斷層上盤K2灰?guī)r后，穿過斷層進(jìn)入下盤奧灰垂直距離20 m.F36斷層注漿孔剖面示意圖見圖6.

圖6 F36斷層注漿孔剖面示意圖

5.2 注漿孔施工順序

先期施工Z1-X2(奧灰孔)和K2-1(K2灰?guī)r孔)，鉆探完成后做連通試驗(yàn)，進(jìn)一步確定出水水源，同時(shí)進(jìn)行注漿封堵(K2-1).其余鉆孔，間隔交叉施工。同時(shí)進(jìn)行注漿加固奧灰頂部，切斷奧灰水通過F36斷層段進(jìn)入巷道的通道，并對(duì)封堵效果檢查加固。

5.3 止水套管設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面底板標(biāo)高、鉆場(chǎng)位置標(biāo)高及水位標(biāo)高，最大水壓為1.82 MPa；同時(shí)考慮注漿孔注漿結(jié)束時(shí)孔口壓力應(yīng)達(dá)標(biāo)準(zhǔn)約2.8 MPa，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中止水套管長(zhǎng)度相關(guān)要求，應(yīng)大于15 m，出于安全考慮，設(shè)計(jì)止水套管長(zhǎng)度最小為18 m.

5.4 連通試驗(yàn)

將示蹤劑溶解于水中壓入鉆孔，同時(shí)用一定水量將其壓入目標(biāo)含水層(裂隙)，使其隨地下水流動(dòng)；在2202工作面探巷出水點(diǎn)及2203工作面切巷附近取樣檢測(cè)，試劑投放后每1 h取樣一次，送交臨時(shí)化驗(yàn)室分析，當(dāng)出現(xiàn)異常后，加密至半小時(shí)取樣一次。經(jīng)過試驗(yàn)分析，結(jié)合水質(zhì)化驗(yàn)分析報(bào)告，認(rèn)為兩處出水點(diǎn)之間是連通的。

5.5 注漿工程設(shè)計(jì)

水泥采用32.5#普通硅酸鹽水泥，從地面至井下，敷設(shè)注漿管路至Z1和Z2鉆場(chǎng)。每次注漿前，均要進(jìn)行壓水，主要目的是疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙、測(cè)定單位受注層段吸水率；采用q=Q/(P·L)計(jì)算，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定漿液類型及其濃度；每次注漿結(jié)束后均要向孔內(nèi)壓水，壓水量為管路與孔內(nèi)體積之和的兩倍；對(duì)壓水試驗(yàn)及注漿過程進(jìn)行記錄，及時(shí)匯總注漿量資料、注漿前后壓水試驗(yàn)資料，分析注漿效果。

5.6 注漿量預(yù)計(jì)

注漿量按式估算：

V=S·δ·ξ·η·H

式中：

S—注漿范圍，km2，F(xiàn)36斷層注漿段長(zhǎng)400 m，斷層面兩側(cè)外擴(kuò)35 m；

H—受注層段厚度，m，垂距取67；

η—注漿段孔隙率，%，取0.2；

ξ—充填率，%，取80；

δ—流失系數(shù)，考慮斷層注漿，取值1.5.

經(jīng)計(jì)算：F36斷層注漿量為4 503 m3，每立方漿(取水灰比1∶1)水泥量按0.75 t計(jì)算，水泥需要3 377 t.

5.7 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿總壓應(yīng)為受注含水層最大靜水壓力的1.5倍，即當(dāng)孔口壓力達(dá)到約2.8 MPa時(shí)，即可認(rèn)為受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測(cè)得單位吸水率q小于0.005 L/min·m·m(相當(dāng)于粉砂巖的透水性)時(shí)，即可認(rèn)為受注層段注漿達(dá)到注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

5.8 止?jié){墻設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

止?jié){墻位于2202探巷下口向里18 m；墻體厚度不低于3.5 m，打墻材料為紅磚加水泥砂漿，紅磚選用普通紅磚，水泥選用P.O32.5普通硅酸鹽水泥；砂子采用中粗砂；水為潔凈水。止?jié){墻總長(zhǎng)3.5 m，砌墻時(shí)預(yù)埋壁后注漿管，墻砌好3天后對(duì)止?jié){墻硐室壁后進(jìn)行充填加固注漿。水灰比2∶1，預(yù)計(jì)注漿300 t即可完成對(duì)止?jié){墻內(nèi)初次注漿。候凝72 h后，再進(jìn)行止?jié){墻內(nèi)2次注漿。經(jīng)過對(duì)止?jié){墻圍巖及巷道接合處的觀測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，進(jìn)行F36斷層注漿治理的其他注漿加固工作。

6 注漿堵水效果評(píng)價(jià)

1) 隨著F36斷層注漿治理工程進(jìn)展，井下出水點(diǎn)的涌水量逐漸減小，到工程結(jié)束時(shí)，出水點(diǎn)不再出水，說明對(duì)出水機(jī)理的判斷和分析是正確的。

2) 注漿孔完成后，再次對(duì)F36斷層注漿段進(jìn)行了物探，并施工3個(gè)注漿效果檢查孔。經(jīng)過驗(yàn)證，確定F36斷層注漿治理取得明顯的堵水效果，2202探巷出水點(diǎn)和2203回風(fēng)順槽密閉墻出水點(diǎn)經(jīng)過注漿治理后目前已無水。

7 結(jié) 語

通過對(duì)堡子礦F36斷層的出水及治理，得出獨(dú)立掘進(jìn)工作面沒有進(jìn)行獨(dú)立的物探，也沒有參考以往物探資料進(jìn)行鉆探驗(yàn)證；鉆探施工不到位，設(shè)計(jì)的底板孔未施工，這都是導(dǎo)致事故發(fā)生的原因，且注漿堵水工程及注漿效果檢驗(yàn)，確定了該次注漿堵水的效果達(dá)到了安全開采的目的。