淮南礦區(qū)潘二煤礦地面區(qū)域探查治理技術應用分析

楊玲飛 安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊

一、區(qū)域地質(zhì)概述

兩淮煤田位于中國煤礦的6 大水害分區(qū)的1 分區(qū)東南隅，屬華北石炭-二疊紀煤田巖溶-裂隙水水害區(qū)。華北型煤田與巖溶水系統(tǒng)相重疊，煤系基底發(fā)育著600 米左右的巨厚碳酸鹽巖含水層，分布范圍廣，富水性強，煤層底板水壓大，對安全開采造成嚴重威脅，是巖溶突水事故的根源。區(qū)內(nèi)煤田均為深井開采，平均開采深度達710m，隨著開采向深部拓展，底板灰?guī)r水害威脅日益嚴峻。

淮南礦區(qū)煤層底板奧灰含水層水害威脅特征為煤層底板隔水層不完整，存在隱伏導水構(gòu)造垂向?qū)ǖ?，屬于“厚層非完整隔水層灰?guī)r水害”類礦井，煤層底板主要充水水源為奧灰+寒灰含水層，奧灰+寒灰多以隱伏陷落柱+裂隙帶復合體對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成了直接水害威脅。

二、治理層位選擇

潘二煤礦A 組煤距離太原組灰?guī)r較近，其安全開采受底板灰?guī)r巖溶水的威脅嚴重[1]，利用地面區(qū)域探查治理技術解放東一A 組煤采區(qū)東翼11313 工作面。

（一）煤層與含水層間距

11313 工作面A 組煤的煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存較穩(wěn)定，其中3 煤厚1.6～13.8m，平均5.3m；3 煤與下伏1 煤層間距平均為1.5m，夾矸為泥巖，1 煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，直接底板為平均4.5m 厚的砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。1煤底距C3Ⅰ組灰?guī)r頂（頂）平均距離約為15m，距C3Ⅱ組灰?guī)r頂（頂）平均距離約為60m，距C3Ⅲ組灰?guī)r頂（頂）平均距離約為80m，距奧灰含水層頂面平均距離約為150m。

（二）隔水層厚度

突水系數(shù)即單位隔水層厚度所承受的水壓，而臨界突水系數(shù)則為單位隔水層厚度所能承受的最大水壓。用突水系數(shù)法預測煤層底板突水，能反映底板突水因素的綜合作用。主要影響因素有水壓和隔水層厚度，其數(shù)學表達式如下：

其中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；

M——底板有效隔水層厚度，m。

1）底板隔水層承受的水壓：周邊水二1、VIO2、Ⅵ西O2奧水水位標高分別-49.46m、-35.83m、-37.31m，取最高水位為-35.83m。工作面底板最低標高為-540m，有效隔水層底界面標高為-627m～-625m，則底板隔水層承受的最大水壓為5.91MPa。

2）隔水層厚度：若工作面底板的斷層、垂向?qū)畼?gòu)造裂隙等通過注水泥漿液充填加固，即已將受構(gòu)造破壞塊段改造成了正常塊段。根據(jù)《煤礦防治水細則》[3]相關要求，正常塊段的突水系數(shù)小于0.1Mpa/m，根據(jù)突水系數(shù)公式計算，工作面隔水層最小厚度為5.91÷0.1=59.1m

三、治理工程

本次工程采用布置地面多分支近水平定向鉆孔[2]，從工作面外側(cè)進入1 煤底板80m深度或沿灰?guī)r順層鉆進，探查是否存在隱伏陷落柱或?qū)ǖ赖鹊刭|(zhì)異常體，分段、分序次連續(xù)高壓注漿封堵，達到有效充填加固灰?guī)r含水層及垂向?qū)ǖ赖哪康模ㄒ姳?）。

四、探查成果分析

（一）漏失分析

區(qū)內(nèi)由于受擠壓性的褶曲影響，小斷層較為發(fā)育，多為3-5m 以下的小斷層，大斷層主要分布在北部邊界和南部邊界。11313工作面發(fā)育的主要斷層為F10 正斷層，走向東西，傾向北，傾角65°，落差0～25m，區(qū)內(nèi)延展長度1030m。

本次工程共計鉆井液漏失4 次，漏失量1.2～2.4m3/h，漏失量較小，靠近F10 斷層，表明F10 斷層裂隙較為發(fā)育，但裂隙連通性差。F10 斷層裂隙帶影響范圍外均未發(fā)現(xiàn)漏失現(xiàn)象。

（二）壓水試驗

本次工程共計壓水試驗13 次，吸水率范圍為0.00023～0.0016L/min.m.m，均小于0.01L/min.m.m，表明工作面內(nèi)灰?guī)r巖溶裂隙不甚發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)隱伏陷落柱或垂向?qū)ǖ赖犬惓ｓw。

表1 潘二煤礦地面區(qū)域探查治理工程成果一覽表

五、注漿效果分析

（一）注漿量分析

本次工程共計注漿13 次，注漿量在110.63t～2001.33t 之間，終壓為9.0Mpa～13.2Mpa，注漿比重為1.20～1.37g/cm3。整體來看，總體注漿量不大，表明工作面內(nèi)灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育較差。

（二）單位注漿量分析

單位注漿量是指裸孔段平均每米消耗的水泥噸數(shù)，客觀反映了裂隙的發(fā)育程度。單位注漿量越大，反映了地層裂隙越發(fā)育。本次工程平均單位注漿量為1.83t/m，最大4.12t/m，最小0.63t/m。從單位注漿量大小來看，總體反映探查區(qū)域內(nèi)煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育較差，未探查到較大隱伏導水構(gòu)造等異常體的存在，單位注漿量3.0t/m以上均為各分支鉆孔鉆探揭露F10 斷層注漿段，表明F10 斷層裂隙帶較為發(fā)育。

（三）注漿壓力分析

通過對東一采區(qū)（東翼）注漿壓力分析發(fā)現(xiàn)，隨著注漿壓力的變化，可以分為三個階段。

第一階段，0～4.0MPa，注漿充填階段。主要對灰?guī)r地層中的天然裂隙（斷層、破碎帶）進行充填。

第二階段，4.0～8.0Mpa，壓實擴散裂隙階段。在該階段，隨著壓力的不斷提升，漿液不斷壓實斷層、破碎帶裂隙中的充填物，填充空間，并且擴散距離逐漸增大。由于壓力不大，灰?guī)r溶裂隙發(fā)育差，注漿量不大。

第三階段，8.0Mpa 以上，劈裂擴展及填實裂隙階段。隨著壓力的持續(xù)上升，灰?guī)r地層薄弱部位的應力與抗拉強度被克服，發(fā)生劈裂形成充填裂縫，原先微小裂隙也不斷被擴展變大，隨著漿液的填充，灰?guī)r地層被進一步加固，此為注漿的主要階段，持續(xù)時間較長，注漿半徑增大，漿液擴散較遠，因而消耗的水泥量最多。

本次工程主要集中在高壓注漿階段，總體反映探工作面內(nèi)A 組煤底板灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育較差，排除存在較大隱伏導水構(gòu)造等異常體的可能性，通過高壓注漿治理，對揭露的F10 斷層及其破碎帶、灰?guī)r裂隙進行了水泥充填加固，完成了地面區(qū)域探查治理的任務目標。

六、效果分析與評價

（一）效果分析

（二）奧灰水害危險程度分析

工作面突水系數(shù)為5.91÷80（最小隔水層厚度）=0.074MPa/m，根據(jù)《煤礦防治水細則》相關要求，小于正常塊段的突水系數(shù)0.1Mpa/m，工作面達到安全回采級別。

七、建議

建議潘二煤礦在工作面巷道掘進和回采過程中，采用井下鉆探及物探循環(huán)掩護前探，對異常區(qū)進行鉆探驗證。