突出煤层附近小型岩溶构造的危害及治理方法

景瑞旭，武俊文，王向东

(华晋焦煤有限责任公司， 山西 吕梁 033000)

岩溶构造是不断流动着的地表水、地下水与可溶岩相互作用的产物，在煤矿主要表现为溶隙、溶孔、溶洞和陷落柱等。随着煤矿开采深度的加大,地质水文条件越来越复杂，当采掘活动与这些溶洞和陷落柱沟通时,往往会造成矿井突水事故，在岩溶和突出煤层共同作用时，则会发生水与瓦斯混合涌出事故。本文以河东煤田离柳矿区沙曲矿井为研究对象，探讨小型岩溶构造的危害和治理方法。

1 概 况

沙曲矿地层呈缓倾斜的单斜构造，矿井石炭系太原组中段L1-L5等灰岩为主要含水层，灰岩单层厚度2～10 m，累计厚度20～30 m. 本组灰岩出露范围小，岩溶、裂隙时有发育，岩溶以溶隙、小溶孔为主，部分被方解石充填，富水性较弱。井田东缘浅埋区一带岩溶发育，呈蜂窝状，连通性好，接受补给容易，富水中等。由于岩溶、裂隙发育的不均一性，富水性在不同地点差异较大。

1.1 煤层和开掘情况

该矿井含煤地层为山西组和太原组，共含煤17层，其中1—5号位于山西组，6—11号位于太原组。山西组可采煤层分布于本组的下部和中部，地层厚59.38 m，煤层总厚7.75 m. 太原组可采煤层分布于本组中下部和上部，地层厚92.78 m，煤层总厚9.88 m. 可采煤层为2、3、4、5、6、8、9、10煤层，共8层，主采4、5、8、10煤层。

底抽巷作为预抽上部煤层瓦斯的巷道，是在不具备开采保护层条件下的另一种区域防突措施，可以有效的防治煤与瓦斯突出。该矿井底抽巷位于L5灰岩下部，以6煤层为标志层进行开拓(6煤平均厚度0.5 m).

1.2 瓦斯情况

该矿井各个煤层瓦斯压力、瓦斯含量均较大，为突出煤层。矿井东缘浅埋区主采煤层埋藏深度为200～500 m，瓦斯压力和含量较其它区域小。具体测定参数见表1.

表1 矿井东缘浅埋区瓦斯压力含量表

2 突出煤层附近小型岩溶构造危害

2.1 事故案例

2017年5月29日，该矿井3号底抽巷施工预抽钻孔时，钻孔涌水量突然迅速增大，随后出现喷水喷瓦斯现象，工作面T1探头极值4.00%，报警持续时间2小时11分35秒。经计算，累计瓦斯涌出量710 m3，涌水100 t，携带煤渣6.5 t. 经鉴定，涌水为L5灰岩水。事故剖面示意图见图1.

图1 事故剖面示意图

2.2 岩溶构造特征

褶皱、断层和倾斜构造的特殊部位，在凝结水和瓦斯的参与下迅速形成一个以构造轴部为中心，以走向为发展方向的岩溶构造群。

岩溶构造上部积存瓦斯，瓦斯压力来源于煤层，煤层瓦斯压力和瓦斯含量均很高，岩溶构造内部的瓦斯压力接近煤层瓦斯压力(6#煤层)。

岩溶构造下部积水，积水一般源于裂隙水或者凝结水。如果是裂隙水，裂隙同时作为导气裂隙，使周围瓦斯压力明显下降，形成瓦斯压力下降区，形不成压水作用。凝结水与裂隙水情况相反，因此，可判断该次事故遇到岩溶构造下的积水为凝结水，积水压力来源于瓦斯压力和自重。

岩溶构造的特征是气压和水压均较大，但储集量有限，发育点为积水部位，构造没有排泄通道，没有补给通道。

岩溶构造呈带状或者片状分布，与地质构造的特殊部位密切相关。

2.3 岩溶构造破坏性分析

3号底抽巷施工预抽钻孔时导通岩溶构造，为小型溶洞群，内部储集大量瓦斯和水，打钻时导通构造，形成大量瓦斯和水涌出，水在瓦斯压力的加强下冲击力增大，将煤壁冲垮，造成瓦斯和水涌出事故，如果遇到点火条件，会引起瓦斯爆炸事故。

3 岩溶治理方法

3.1 地质预测

根据矿井地质图预测可知，可能存在的小型地质构造，主要针对小型褶皱、小型变坡点等，将设计巷道划分为一般区域和危险区域(存在小型地质构造的浅埋区为危险区域，其它为一般区域)，两种区域分别执行不同的防治方法。随着巷道掘进需要不断更新地质预测，如出现预测结果变化则需要实时更新一般区域和危险区域。另外，必须强化物探工作，利用瞬变电磁进行富水性预测分析，还要利用地震波或地质雷达对构造分布情况进行探测，提高预测预报的准确性，为施工长钻孔探测做好准备。

3.2 一般区域防治措施

一般区域危险性较小，但也存在揭露岩溶构造的可能。采用定向长钻孔不仅可以提高探测效率，还可以有效防治岩溶构造造成的危害。

定向长钻孔可以用少量钻孔完成探放水作业，一次探放水作业有效距离可达到400 m以上，一次允许掘进距离达到380 m以上，一条巷道只需进行约3轮探放水作业即可完成，可有效缩短探放水作业时间。定向长钻孔布置断面示意图见图2，定向长钻孔布置剖面示意图见图3.

图2 定向长钻孔布置断面示意图

图3 定向长钻孔布置剖面示意图

定向长钻孔在探测岩溶构造时要按照防治水标准进行封孔、安设孔口闸阀，同时加设孔口四通分别连接到瓦斯抽放管路和气水渣分离器，可以将瓦斯涌出导入抽放管路，涌水和钻渣正常排出，防止瓦斯涌入巷道造成超限事故。

3.3 危险区域治理措施

危险区域是重点治理区域，要根据地质预报制定专门的短探设计和防喷措施。探放水短钻孔要在岩石上开孔，按防治水标准进行封孔，探测钻孔孔径不大于94 mm，孔口安设闸阀，闸阀外安设孔口四通，四通上口直接连接抽放系统(阀门关闭)，左口连接孔口闸阀，右口通入钻杆后用牛油盘根和法兰盘密封。下口连接气水渣分离器，气水渣分离器上端连接抽放系统，右端排水，下端排渣，排水和排渣口均安设阀门。所有连接口全部采用法兰盘连接，连接示意图见图4.

图4 孔口防水防气装置连接示意图

施工探测钻孔时如发现水量增大则迅速停止钻进，关小闸阀卡紧钻杆，排渣口闸阀关闭，排水口闸阀减小开度，并在排水口设置便携式瓦检仪，排水泵开始排水。发现水量减小或者排水口有瓦斯涌出时，迅速打开四通上口加强抽放力度，关闭排水口。调高管路负压，加强抽放，然后停电撤人。用监控系统监测风流瓦斯和抽放系统情况，恢复正常后方可继续作业。

4 效 果

2017—2019年共开掘底抽巷1 000多米，施工3次定向长钻孔探测试验，遇到一次较小型瓦斯与水混合涌出情况，涌水量约15 t，瓦斯涌出量约80 m3. 钻孔封孔强度和孔口防喷装置均有效控制了瓦斯和水的涌出，未出现瓦斯超限现象。巷道开拓过程中未遇到瓦斯与水特殊涌出情况。

5 结 论

通过对浅埋区地质构造程度进行分区，一般区域使用加防喷措施的定向长钻孔进行治理；危险区域采用加防喷措施的探放水短钻孔进行治理。分区治理可以实现快速治理和准确治理相结合，达到治理与开掘兼顾的要求。如果要彻底杜绝瓦斯与水混合涌出问题，还需要在精准物探方面进行深入研究。