井下断层定点探治消除矿井重大隐患的应用研究

韩久方

摘 要：FS4断层为矿井西总回风大巷（标高-677.9m～683m）北部与-682m水仓（-688.9m～-724.3m）南部之间，根据最新规定，该处两条巷道均进入安全防隔水煤（岩）柱内，根据2020年4号令《煤矿重大事故隐患排查判定标准》文件，不符合规定，存在突水危险，现须对FS4断层进行探查，探明后对其断层进行专项注浆加固，确保矿井安全。

关键词：注浆;井下断层 ;项目施工

引言：首先对煤炭井下断层给煤炭开采带来的影响进行了简要分析， 并结合实例详细探讨了煤矿井下断层区域采煤质量控制措施。

1FS4 断层概况

FS4断层位于矿井北部，该断层倾向164°，倾角65°，落差5～13m。南邻西总回风大巷，北邻-682m水仓。

2项目实施地点

探查治理钻场设在-682m主排水泵房通道，该巷道位于二1煤层上部，距二1煤层顶板15.9m，钻场设置在-682m主排水泵房向外（东南） 21m附近，钻场所在巷道顶板标高-677.9m，钻场高3.1m。

3水文地质情况

3.1主要含水层

①L8灰岩含水层：L8灰岩平均厚8m，上距二1煤层23～26m，上距-682m 主排水泵房通道42～45m，目前水位-253.23m。②L2灰岩含水层，L2 灰岩平均厚12m，上距二1煤层93～95m，上距-682m主排水泵房通道112～114m，目前水位-88.54m。③O2灰岩含水层，O2灰岩平均厚度大于400m，上距二1煤层约131.63m，上距-682m

3.2突水系数

断层附近巷道底板至L8灰岩含水层间的隔水层平均厚度约45m，水压3.3MPa，突水系数0.07MPa/m;巷道底板至L2灰岩含水层间的隔水层平均厚度约114m，水压8.4MPa，突水系数0.07MPa/m;巷道底板至O2灰岩含水层150.6m，水压8.6MPa，突水系数0.05MPa/m。

3.3突水性分析

① L8灰岩含水层隔水层厚度评均为26m，安全隔水层厚度为13m，西总回风大巷、-682m水仓受L8灰岩水影响。②.L2灰岩含水层隔水层厚度为94m，安全隔水层厚度为21m，西总回风大巷、-682m水仓受L8灰岩水影响。

4井下探查治理方案

4.1突水威胁层位分析

巷道底板至L8灰岩含水层间的隔水层平均厚度约45m，水压3.3MPa， 突水系数0.07MPa/m;巷道底板至L2灰岩含水层间的隔水层平均厚度约114m，水压8.4MPa，突水系数0.07MPa/m，断层破碎带附近突水系数超过0.06MPa/m，该区域西总回风大巷、-682m水仓底板L8、L2灰岩含水层存在突水危险。

4.2井下断层水害治理工程布置

鉴于FS4断层探查施工难度和工时，采用井下探查及注浆加固治理技术，重点查明断层附近底板L8灰岩含水层的富水状况及构造发育情况，在井下施工长距离定向钻孔对井下断层破碎地段、导含水地段及L8、L2灰岩含水层进行注浆加固，通过钻孔注浆来充填断层破碎带底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层变为隔水层或弱含水层，同时增强底板隔水层的强度，降低水害威胁程度。（1）钻孔布置。该工程共设计15个钻孔，进尺3115.5m， 采取由井下-682m主排水泵房通道设置钻场进行实施。（2）钻孔结构及要求。断层探查钻孔采用φ153mm钻具开孔，钻进过一级套管孔深，下φ146mm套管。用φ133mm无芯钻头钻进过二级套管孔深，下入φ127mm套管。在下设三级套管时采用φ113mm无芯钻头钻进过三级套管孔深，下入φ108mm套管。

4.3技术要求

（1）钻孔施工技术要求。①钻场施工前1天通知地测科到钻场放方位线。施工钻孔方位角误差不大于1°、倾角误差不大于0.5°。②根据O2、L2 灰岩含水层水压进行风险辨识，制定专项安全措施。③终孔深度以过标志层后计算终孔层位为准。（2）注浆固管要求。①当钻孔孔深达到要求时下入一级套管，固管采用水泥、水玻璃混合的双液浆;一级套管要求凝固8小时后，透孔出一级套管深度0.3～0.5m方可进行耐压试验，试验压力为10MPa，持续30min，套管不活动、不漏水方可定为一级套管试压合格， 允许继续钻进。当钻进至二级套管孔深且孔内无水时再下入二级套管;二级管固管必须使用P·O 42.5的普通硅酸盐（单液）水泥浆，要求凝固24小時后，透孔出二级套管深度0.3～0.5m方可进行耐压试验，压力为15MPa、持续30min视为试压合格。（3）钻孔注浆要求。①注浆前提：当钻孔钻进过程中孔内涌水量大于10m3/h时必须停钻注浆，钻孔终孔后需进行注浆; 当钻孔在下设二级套管前出水超过2m3/h，必须进行预注浆。②注浆方式：采用地面注浆和井下注浆相结合的注浆方式，如果钻孔地面注浆注不进，可以考虑使用井下注浆泵进行注浆。

4.4封孔要求

①钻孔终孔注浆结束后至少透孔一次，以便检验注浆效果，钻孔透孔后水量不大于0.5m3/h，方可进行封孔。钻孔满足封孔条件后，应在24小时内完成封孔。②若透孔后钻孔水量≤0.1m3/h时，可采用下钻杆返浆封孔工艺，将钻杆下到距孔底不超过1m处，向钻杆内压入水灰质量比为1：1.48 的纯水泥浆，孔口返浆后，上提钻杆30～40m，继续向钻杆内压入同比例纯水泥浆;如此反复，直至将钻杆全部取出，浆液充满钻孔，盖上注浆闷盖，继续向孔内压浆至设计压力15MPa，并保持10min以上，方可停止压浆。③封孔结束24小时后，拆下孔口闷盖，对封孔质量进行检查。孔口充满水泥、无滴漏现象，视为封孔合格;否则须重新透孔、封孔。

4.5安全技术及其它要求

（1）钻场施工时应打设锚杆对钻机进行固定。（2）必须安装防喷装置，高压闸阀和反压装置，保证施工安全。（3）钻场内必须有配套齐全的消防器材，防止打钻过程中，发生明火等灾害事故时，能及时处理。（4） 做好钻探施工原始记录，钻进至标志层时应及时收集岩粉并做好判断、分析工作。（5）探断层钻孔均要在预计断层位置前5m开始取芯钻进，且取芯率符合要求。不能取芯钻进的取得地测科同意后跟班队长或技术员现场跟班进行岩屑判层。（6）钻场附近必须安设专用电话。（7）排水设备：钻场泵坑内安装排量不小于50m3/h的排水泵。排水路线：钻场→泵坑→-682m主排水泵房通道→排水联络巷水沟→泵坑→-682m水仓。（8）在施工过程中，必须制定措施防范瓦斯超限。若钻进过程中出现瓦斯异常，应加强通风，将孔内涌出的瓦斯排净后方可钻进，若钻孔涌出瓦斯量较大，不能用通风的方法处理时，应立即采取抽采瓦斯的措施。（9）工程施工完毕后3日内，向地测科提交钻孔施工单孔总结和工程总结。

5施工成果分析

井下断层探查工程施工情况：本工程施工采用测斜仪器测斜，同时现场技术员以上人员进行关键层位判层站位，确保判断地层岩性的准确率，同时由现场施工人员通过人工、钻压、化学实验对每2m打捞的岩屑进行判断。

结束语：

综上所述，采用井下治理模式后，目前井下FS4断层探查治理节省420 天，节省资金337.92万元，为矿井、集团创造更加可观的盈利，且今后带来效益巨大，无法预估。

参考文献：

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[2]葛兆龙，梅绪东，卢义玉，夏彬伟，陈久福.煤矿井下水力压裂钻孔封孔力学模型及试验研究[J].岩土力学，2017，35（07）：1907-1913+1920.