塔山礦8228 工作面突水區(qū)域井上下綜合物探分析及治理方案

姜宇升

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037001）

1 工程概況

塔山礦8228 工作面位于井田二盤區(qū)中部，工作面設(shè)計(jì)長度3101 m，傾向230.5 m，煤層均厚19.18 m，傾角1～3°。工作面底板標(biāo)高+970～ +1050 m，奧灰水位標(biāo)高介于+1100～ +1130 m 之間，相對(duì)于奧灰含水層大部分為帶壓開采，8 號(hào)煤層距奧灰約45 m，底板突水系數(shù)為0.027 MPa/m。

8228 工作面2228 巷在掘進(jìn)至2060 m、5228 巷掘進(jìn)至2062 m 處，巷道開始出現(xiàn)底板涌水、煤壁滲水及頂板淋水現(xiàn)象，且出水現(xiàn)象逐漸增大，最終5228 巷和2228 巷出水已分別增大至107.6 m3/h 和270 m3/h 左右。為治理工作面突水問題，塔山礦在2228、5228 巷道分別建立了防水密閉，巷道密閉墻選擇在2228 順槽巷里程（2009～2004 m）、5228 順槽巷里程（2044～2039 m）處?，F(xiàn)為有效掌握突水來源，制定合理的治水方案，特采用井上下綜合物探技術(shù)進(jìn)行突水區(qū)域分析，再基于分析結(jié)果制定合理治水方案。

2 井上下綜合物探分析

2.1 井下物探分析

為準(zhǔn)確掌握巷道突水區(qū)域富水情況及賦存特征，設(shè)計(jì)采用瞬變電磁和音頻電探測(cè)進(jìn)行5228 巷道富水情況分析，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，得出如下成果：

（1）5528 順槽瞬變電磁探查顯示，3 個(gè)探測(cè)方向在迎頭左前方均有低阻異常，順層方向異常開口向2228 巷方向延伸，頂板異常相比較弱（如圖1，圖中橫坐標(biāo)為巷道在水平方向的寬度，縱坐標(biāo)為巷道在走向方向上的長度）。

圖1 5228 巷瞬變電磁超前探測(cè)俯角45°、順層和仰角45°方向成果圖

（2）8228 工作面音頻電穿透探測(cè)成果顯示，底板下兩層段均發(fā)現(xiàn)2 處低阻異常區(qū)域，1 號(hào)異常區(qū)域位于2228 巷里程2200～2050 m 和5228 巷里程2160～2140 m、2120～2020 m。

綜合井下物探探查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在5228 順槽前方存在一定富水異常和構(gòu)造異常；工作面下方0～100 m 范圍內(nèi)存在著富水異?，F(xiàn)象，并且異常體基本呈現(xiàn)為傾斜狀態(tài)分布。

2.2 地面CSAMT 探查分析

CSAMT 探測(cè)的突水區(qū)位于塔山礦二盤區(qū)，奧灰頂界面標(biāo)高約900 m。根據(jù)煤田勘查資料統(tǒng)計(jì)，巖溶發(fā)育層段為奧陶頂界以下7.84～209.24 m 之間，多發(fā)育在距頂界面150 m 范圍內(nèi)，巖溶在標(biāo)高700～900 m 之間一般發(fā)育較強(qiáng)，隨著埋深加大巖溶發(fā)育明顯變差[1-6]。取得的主要成果如下：

根據(jù)綜合三維地震資料、水平電阻率切片圖、電阻率斷面圖等資料，結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)，確定本次2228 巷道存在多處突水位置，突水位置分散距離總計(jì)約200 m。根據(jù)探測(cè)結(jié)果能夠分別得出2228 巷道及5228 巷道走向電阻率斷面圖，如圖2所示。

圖2 沿2228 巷、5228 巷電阻率斷面圖

圖2（a）為沿2228 巷走向的電阻率斷面圖，圖中橫坐標(biāo)1360 m 處為2228 巷迎頭位置，由圖可見迎頭位置正處于低阻異常區(qū)的上方，且迎頭前方約150～200 m 范圍仍然處于異常區(qū)內(nèi)；圖2（b）為沿5228 巷走向的電阻率斷面圖，圖中橫坐標(biāo)1300 m 處為5228 巷迎頭位置，由圖可以看出5228 巷也正處于低阻異常區(qū)的上方，且迎頭前方200 m 范圍內(nèi)仍然處于異常區(qū)內(nèi)。

根據(jù)本次高程800 m 處的電阻率水平切片圖，結(jié)合三維地震解釋成果，圈定了本次2228 巷與奧灰水的水力聯(lián)系范圍，如圖3 所示。

圖3 2228 巷突水與奧灰水水力聯(lián)系范圍

綜上分析可知，5228 巷和2228 巷前方均存在一定富水異常和構(gòu)造異常，在工作面下0～100 m 范圍內(nèi)有富水異常體分布，且異常體形態(tài)呈傾斜狀；地面三維地震和CSAMT 綜合物探顯示，在突水異常區(qū)發(fā)現(xiàn)一疑似陷落柱及三條斷層。因此8228 工作面突水為奧灰含水層通過一疑似導(dǎo)水陷落柱涌入巷道。

3 突水治理方案

3.1 治理方案

根據(jù)上述井上下綜合物探分析結(jié)果，結(jié)合工作面的具體地質(zhì)條件，確定2228 巷道和5228 巷道本次突水水源為奧灰水。8228 工作面突水為奧灰含水層通過一疑似導(dǎo)水陷落柱涌入礦坑的突水事件。因此，本次治理工程以治理疑似導(dǎo)水陷落柱為基礎(chǔ)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

根據(jù)工程情況，設(shè)計(jì)先通過地面骨料孔對(duì)陷落柱內(nèi)的空洞區(qū)域進(jìn)行有效充填，充填完成后再對(duì)奧灰頂部和8#煤層底板隔水層下部進(jìn)行注漿加固，具體方案設(shè)計(jì)如下：

施工4 個(gè)地面定向鉆孔，編號(hào)分別為XG1、XG2、XZ1 和XZ2，其中XG1、XG2 為骨料孔和頂?shù)装寮庸炭?，XZ1 和XZ2 為三層水平鉆孔，鉆孔主要為注漿堵水及隔水層加固，層間距20 m。第一層（底層）布置于奧灰頂面下30 m，共設(shè)計(jì)10個(gè)水平鉆孔，間距40 m；第二層布置于奧灰頂面下10 m，設(shè)計(jì)3 個(gè)水平鉆孔，孔間距80 m；第三層布置于奧灰頂面上10 m，設(shè)計(jì)水平鉆孔2 個(gè)，孔間距80 m。

鉆孔地面布置位置見圖4（a），注漿分支水平孔布置見圖4（b）、4（c）、4（d）。

圖4 地面鉆孔、骨料孔及注漿鉆孔布置示意圖

（1）骨料孔。主要是探查陷落柱頂部空腔并對(duì)其進(jìn)行骨料充填、加固，防止工作面回采過程中頂板發(fā)生坍塌和抽冒，威脅工作面采掘安全。

XG1、XG2 鉆孔結(jié)構(gòu)：① 一開直孔段，0～50 m，孔徑Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，水泥固井，隔離第四系及裸露基巖段地層。② 二開定向?qū)倍危孛嬷料萋渲敳靠涨?，孔徑?16 mm，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，水泥固井。

（2）注漿孔。注漿孔主要是陷落柱邊界探查、注漿截流、注漿加固和檢查效果等作用。

XZ1、XZ2 鉆孔結(jié)構(gòu)：① 一開直孔段，0～50 m，孔徑Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 孔口管，水泥固井，隔離第四系及裸露基巖段地層。②二開定向?qū)倍危?0 m 至奧灰目標(biāo)層，孔徑Φ216 mm，至奧灰頂面下30 m，接近順層，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，水泥固井。③ 三開定向水平段，孔徑152 mm，至奧灰（地面水平位移約260 m，即奧灰著陸點(diǎn)距離孔口位置水平距約為260 m），開始順層鉆進(jìn)[7]。

本次骨料孔灌注的骨料以細(xì)沙為主，依據(jù)見空規(guī)?？杉尤脒m量直徑10 mm 以下的石子；骨料孔以3～50 mm 的石子為主，可加入少量河沙。注漿孔材料采用水泥漿，水泥采用32.5R 普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5～0.6。

3.2 效果分析

8228 工作面采用地面定向鉆進(jìn)及注漿加固為主要手段，截源的同時(shí)對(duì)采掘煤層相應(yīng)頂?shù)装暹M(jìn)行注漿加固，以治理疑似導(dǎo)水陷落柱為基礎(chǔ)。方案實(shí)施時(shí)，共計(jì)布置4 個(gè)地面定向鉆孔，20 個(gè)注漿鉆孔，地面鉆孔工程量為260 m，注漿鉆孔工程量為400 m，注漿量為80 t。陷落柱處理方案實(shí)施完畢，兩個(gè)月后進(jìn)行回采作業(yè)，回采期間正常涌水量為3 m3/h，無突水現(xiàn)象出現(xiàn)，有效實(shí)現(xiàn)8228 工作面奧灰水害綜合治理和恢復(fù)工作面正常采掘生產(chǎn)，成功釋放約200 萬t 煤炭資源。

4 結(jié)論

（1）通過井上下物探分析可知，8228 工作面下0～100 m 范圍內(nèi)有富水異常體分布，且異常體形態(tài)呈傾斜狀；工作面突水異常區(qū)發(fā)現(xiàn)一疑似陷落柱及三條斷層。推斷出8228 工作面突水為奧灰含水層通過一疑似導(dǎo)水陷落柱涌入巷道。

（2）根據(jù)8228 工作面地質(zhì)條件，結(jié)合物探分析結(jié)果，確定治理工程采用地面定向鉆進(jìn)及注漿加固為主要手段，截源的同時(shí)對(duì)采掘煤層相應(yīng)頂?shù)装暹M(jìn)行注漿加固，以治理疑似導(dǎo)水陷落柱為基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)8228 工作面奧灰水害綜合治理和恢復(fù)工作面正常采掘生產(chǎn)。