霍尔辛赫煤矿构造探查与防治水

2016-12-09袁昌军

西部探矿工程 2016年11期

关键词：突水井田富水

袁昌军

（山西省煤炭地质114勘查院，山西长治046000）

霍尔辛赫煤矿构造探查与防治水

袁昌军*

（山西省煤炭地质114勘查院，山西长治046000）

通过构造导通含水体是目前矿井充水一种常见的水害现象，一般包括陷落柱、断层，其往往使矿井涌水量增大，影响巷道布置与施工及工作面回采。山西霍尔辛赫煤矿井下断层、陷落柱较发育，在3202回风顺槽施工接近X7陷落柱时，井下涌水量由正常54m3/h突然增大至75 m3/h，影响着巷道安全施工，通过采用物探测试与钻探验证，查明了陷落柱的分布、发育、含导水情况；并采用注浆堵水，在陷落柱体内形成止水屏障，成功封堵了涌水通道，使矿井涌水量恢复正常，确保了矿井安全，为类似构造的防治提供了依据。

构造；物探；钻探；注浆堵水

构造探查及其防治水是矿井地质与水文地质工作的重要组成部分。本文通过收集山西霍尔辛赫煤矿构造的探查手段、探测结果与实际揭露对比情况、及其防治水技术方法与手段等，重点分析与研究构造对矿井的充水方式与特征，并总结其规律，为矿井防治水工作积累经验。

1　概况

山西霍尔辛赫煤业有限责任公司位于山西省长治市长子县县城东南，现开采二叠系山西组3号煤层，生产规模400×104t/a，为奥灰水带压开采矿井，带压系数为0.02～0.39MPa/m。矿区位于沁水煤田长治盆地的南部，属辛安泉域南部岩溶地下水长治子系统的径流区，井田以褶曲构造为主，地层倾角5°～10°。

矿区气象属东亚季风区暖温带半湿润地区，大陆季风气候显著。春、秋季多风少雨，气候干燥；冬季寒冷；夏季暖湿多雨。井田位于太行山中段的长治盆地西侧，地表均为新生界松散黄土层所覆盖。地貌区划属于冲积平原、河谷平原。井田内地形总趋势是西高东低，西北、西南为丘陵地带，中东部地势平坦。井田内有2条过境河流：一是北部自西南向东北流过的雍河，二是南部自西南向东后至东北流过的漳河。

2　矿区水文地质条件

2.1奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层

该含水层主要由石灰岩、角砾状灰岩、泥灰岩组成，含水空间主要为岩溶裂隙，含水层主要位于峰峰组上段下部、以及上马家沟组上段。据井田奥灰孔抽水资料：q=0.0066L/（s·m），K=0.0256m/d，水位标高644.07m，水化学类型为SO4·HCO3-Na型。据井下奥灰水文长观孔，钻进至峰峰组上段底部时，出现卡钻现象，钻孔涌水量达到30m3/h，钻进至上马家沟组，钻孔涌水量达到38.5m3/h，矿化度1551～2994mg/L，水化学类型为SO4-Ca·Mg型与SO4·HCO3-Ca·Mg型。该含水层属弱—强富水性，富水性具有明显的不均一性。

2.2石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层

井田内无露头，含水空间主要以砂岩裂隙与石灰岩岩溶裂隙含水为主，主要含水层由数层砂岩裂隙及K2、K3、K4、K5石灰岩岩溶裂隙构成。瞬变电磁勘探成果，该含水层有富水异常区分布。据井下施工的4个太原组长观孔（见表1），发现不同钻孔在不同层位均发生了涌水现象，主要涌水层位为：K5、K4、K4下砂岩、K2、K1砂岩，涌水量0.1～50m3/h，水化学类型为HCO3-Na型，矿化度693～996mg/L。另据邻区高河井田内1001、2001钻孔抽水试验资料：q=0.00024～0.0013L/（s·m），K=0.0011～0.0037m/d，水位标高+680.77～+682.47m，水化学类型为HCO3-Na型。该含水层一般属弱富水性，富水性具有明显的不均一性。

2.3二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层

主要为砂岩裂隙含水为主，主要包括K7砂岩、3号煤层顶板砂岩及K8砂岩裂隙含水层，岩性为中—细粒砂岩，构成3号煤层的主要的充水水源。据井田风井检查孔、主井检查孔及1601钻孔内抽水试验资料：单位涌水量0.00005～0.0029L/（s·m），渗透系数0.0003～ 0.0111m/d，水位标高+670.37～+713.89m，水化学类型为SO4·HCO3-Na·Ca与HCO3-Na型。为弱富水性含水层。

表1　太原组长观孔参数

3　构造突水机理

3.1构造突水机理分析

构造突水的通道主要为断层、陷落柱。断裂构造控制着地下水的横向与垂向上运动，其突水主要取决于断裂构造的复杂程度与结构面力学性质及其富水与导水性。岩溶陷落柱向矿井充水，是由于底部石灰岩中岩溶充分发育所引起的顶部灰岩及上覆非可溶性岩层向下塌陷所形成的椎体或柱状堆积体，平面多呈不规则的椭圆性、圆形；柱体围岩一般强度较低，孔隙性较好，裂隙较发育，故陷落柱不仅对煤层开采有明显影响，而且往往成为地下水突入矿井的通道。

3.2井田内构造涌水现象

（1）断层涌水特点：矿井在建井及生产期间共揭露断层47条；其中，正断层44条，逆断层3条；大于10的断层4条，5～10m的断层8条，小于5m的断层35条。巷道初始揭露断层时，局部有涌水现象，约1～2m3/h，持续时间较短，以消耗静储量为主，总体讲，矿井涌水量变化很小。

（2）陷落柱涌水特点：巷道揭露的陷落柱共有8个，与物探解释的成果对比，实际揭露的陷落柱主要表现为：形态、面积变小。在巷道揭露X7陷落柱时，井下涌水量瞬间增大，初始最大涌水量20m3/h，后随矿井排水，涌水量稳定至15m3/h。揭露的其它陷落柱不含水、不导水。

3.3突水水源

（1）揭露断层，涌水量一般为1～2m3/h，持续时间1～3d，采水样检测为HCO3-Na型水，确定为煤层顶板砂岩裂隙水。

（2）揭露X7陷落柱，涌水量达15～20m3/h，水量稳定，充水水源快速识别系统显示为太原组含水层水及奥灰水，采水样检查为HCO3-Ca·Na型。

3.4突水通道

通过霍尔辛赫实践证实，本矿揭露小断层含水性弱、导水性弱，说明本矿小断层一般不会成为矿井突水通道。预测大断层是本矿突水的通道之一。

矿井揭露的X7陷落柱富水性、导水性较好。陷落柱突水一般具有来势猛、水量大，有管道流特征。现已证实，陷落柱为本矿突水的通道之一。

4　防治水工程

4.1构造探查

为查明断层、陷落柱发育位置、规模、导富水性，矿井采用了法国sercel公司引进的408UL新型多道遥测数字地震仪、以及SUN-Blade2000工作站和法国CGG公司的地震数据处理软件GeovecturPlus进行查明未来开采区的构造位置、大小，并采用了地面瞬变电磁勘探查明其导富水性；在井下采用了全方位探测仪CY⁃TD400，在掘进工作面前方、构造等部位，查明其导、富水性。

对于三维地震查明的陷落柱，经井下验证，大部分存在，但解释的陷落柱往往比实际大，以井田X7陷落柱为例，三维地震解释：形状不规则，长轴北东方向，长度为130m，短轴北西向，长度为110m，面积约为8867m2；在时间剖面上显示破坏了3#煤、15#煤。T3波、T15波扭曲或中断，特征明显，X7陷落柱反射波特征图见图1，平面分布见图2。参与评级的断陷点12个（9A，3B）,综合评定控制可靠。

经井下二盘区回风巷、进风巷验证：实际揭露的X7陷落柱在平面上为椭圆性，大小为80m×70m，面积为4347m2，比三维地震减小了4520 m2，见图1。总体讲，三维地震探测效果较好。

4.2断裂构造防治水工程

（1）小断层的防治。目前矿井揭露的47条小断层，初始揭露时涌水量一般为1～2m3/h,持续一段时间后均不再涌水，对矿井安全影响较小。因此对于小断层，超前探放水及巷道直接通过的措施，既经济，又方便，可满足矿井需求。

（2）大断层的防治。根据《煤矿防治水规定》附录三中第四条：煤层位于含水层上方且断层导水时防水煤（岩）柱的留设，来计算断层防水煤柱的宽度，见表2。

表2　3号煤层断层防水煤柱留设宽度L计算表

图1　X7陷落柱反射波特征图

图2　三维地震与实际揭露陷落柱对比图

式中：L——防隔水煤（岩）柱宽度，m；

Ha—断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，m；

α——断层倾角，（°）。

Ha值应根据矿井实际观测资料来确定，采用公式计算：

式中：P——防水煤柱所承受的静水压力，MPa；

Ts——临界突水系数，MPa/m，本次采用0.06MPa/m；

10——保护带厚度（一般取10m）。

若矿井受生产条件限制，需要强行通过落差较大的断层时，首先需要采用物探手段查明断层的导、富水性，然后采用钻探进行探查及验证，查明断层的位置、产状、断层带宽度、充填物、充填程度及导、富水性，后采用注浆手段对断层破碎带进行封堵（图3），并进行取样、测压等试验，保证断层带封闭完好，经检查合格后，才可通过。

4.3陷落柱防治水工程

4.3.1探放陷落柱水

井田内在接近或通过陷落柱（X5、X6、X10、X12、JX6、JX10、JX9）时，均采用了探放水措施。探放陷落柱水时，矿井需要注意：

（1）探放陷落柱水钻孔的孔口设置安全装置，监测并记录钻孔内水压，当水压大于2～3MPa的陷落柱一般不沿煤层布置探放水钻孔，钻孔应布置在煤系地层底板稳定的岩层中。若在煤层中布置钻孔，必须沿煤层埋设孔口安全止水套管；

图3　注浆孔在平剖面上的布置及分布示意图

（2）探放陷落柱水的钻孔要提高岩芯采取率，及时进行岩芯鉴定；

（3）探到陷落柱无水或水量很小时，利用泵进行压水试验，检查陷落柱导水性；并向陷落柱深部探测，了解其深部的导、富水性；

（4）探放陷落柱水的钻孔探测后必须注浆封闭，并做好封孔记录，注浆压力应大于区域静水压力的1.5倍。

4.3.2注浆堵水

矿井采掘接近X7陷落柱，矿井涌水量增大。为减少X7陷落柱对矿井的影响，采用了注浆堵水的防治水措施。

（1）出水点位置及通道.矿井在2013年4月3202工作面回风顺槽沿3号煤层顶板掘进，在距前方X7陷落柱90m时，出现顶板破碎冒顶、巷帮片帮、煤壁渗水现象。在超前钻孔施工（距离陷落柱90m），孔深60m处钻孔出水，水量4～5m3/h，在掘进至陷落柱30m处施工6个超前钻孔，孔深10～12m，不同程度见矸，多孔出水，水量约10m3/h。持续掘进时顶板垮塌，钻孔涌水量增大，实测涌水量达18m3/h，并有异味，随即停止掘进，经测试、分析研究，该陷落柱导通底板下方奥灰水。

（2）注浆施工。沿煤层底板方向布置了11个注浆钻孔，注浆方式采用连续注浆，最大限度的充填陷落柱裂隙。材料采用425水泥加入少量玻璃水，加快水泥凝固。采用3MPa以上的压力注浆，保证陷落柱内破碎带充填结实。

（3）注浆效果。注浆结束后，实施了3个检查孔钻孔出水量很小，并进行注水耐压试验，注水压力不小于3MPa，持续时间不少于24h。目前，巷道迎头附近涌水现象消失。效果较好，达到注浆堵水效果。陷落柱结构平面图及剖面图见图4。