导水构造探测与防治技术

随着各矿区开采范围（广度、深度、难度）的扩大，煤矿面临的水害问题日益突出，矿井水害事故的发生不仅会造成职工的伤亡，还会给企业带来重大的经济损失，是影响煤矿安全生产的关键因素。由当前煤矿水害事故的类型统计数据可知，顶、底板突水事故占水害总事故的45%左右，顶、底板突水事故的危害巨大[1]。煤矿井下突水通道主要包括采动裂缝、陷落柱和断层等地质构造，因此，对煤矿地质导水构造进行探测，掌握其特征，可为水害防治提供依据，可有效保障煤矿开采安全。以原阳煤集团新元矿3#煤层为工程背景，采用物探先行及钻探验证结合的探测方式对2-603主运巷前方的导水构造进行探测，并根据探测结果提出采用疏排水结合注浆方式对导水构造进行治理，效果显著[2]。

1工程概况

原阳煤集团新元矿位于山西省晋中市寿阳县朝阳镇，处在沁水煤田西北部，地理坐标：东经112°58′51″—113°09′33″，北纬37°49′54″—37°55′09″，设计生产能力6.00×106t/a，主要开采3#煤层。井田内大面积被第四系的黄土覆盖，基岩只有零星出露；露出地层有二叠系上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组，奥陶系中统下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组，下石盒子组仅有钻孔揭露。新元矿2-603工作面位于矿井南翼一盘区，工作面开采标高为+1302～+1358m，地面标高为+1358～+1782m，埋深为228～480m。2-603工作面开采3#煤层，煤层厚度为1.80～3.56m，平均厚度2.77m，煤层倾角3°～13°，平均倾角7°。回采巷道设计长度为2187m，斜长为243m，掘进方位角为216°40′，沿3#煤层掘进[3]。

新元矿前期地质勘探报告显示，2-603工作面地质构造类型属中等，地质构造中向斜、断层、陷落柱较为普遍，主要存在X3陷落柱、DF8断层、普23孔向斜，如图1所示。当2-603运输巷掘进开挖至DF8（正断层、倾向SWW、倾角70°～84°、断层落差H=0～12m）断层时，超前水平钻孔勘探施工作业时有涌水现象发现，严重影响到工作面的安全开采。针对这一情况，必须对2-603工作面开采区域内断层、陷落柱等地质构造的导收稿日期：2022-04-01作者简介：刘朝阳，1985年生，男，山西平遥人，2009年毕业于河北工程大学勘查技术与工程专业，工程师。水性和位置进行详细勘查，根据探测结果制定有针对性的水害防范措施，保障2-603工作面开采的安全性和可靠性[4]。

2水文地质条件分析

2.1区内主要含水层

新元矿井田含水层包括地表孔隙水含水层、砂岩含水层、奥陶系灰岩（O2）含水层。孔隙水含水层岩层1.5～2.5m。钻孔抽水试验资料显示，该层渗透系数为0.76～7.08m/d，单位涌水量为0.00011～0.87919L/（m·s），孔隙水富水性弱。基于含水层的厚度较小，涌水量非常小，开采后易疏干，对3#煤层开采几乎无影响。砂岩含水层岩性以灰、深灰色中、粗砂岩为主，局部夹紫灰、紫红色砾岩，厚度为14～32m，平均厚度为24m[5]。钻孔抽水试验资料显示，该层渗透系数0.0254～1.5580m/d，单位涌水量为0.00171～1.26829L/（m·s），富水性中等，富水性也极不均衡，向斜轴部的区域内富水性较强。奥陶系石灰岩（O2）含水层厚度为245～286m，位于采煤层下部。钻孔抽水试验资料显示，该层渗透系数为0.028～16.590m/d，单位涌水量为0.06～5.19L/（m·s），富水性较强[6]。

2.2主要充水通道

2.2.1充水水源

分析可知，2-603工作面开采区域无地表水渗透，主要是因为：开采区域周边没有河流，上覆岩层隔水层厚度较大，裂隙水含水层富水性差，径流慢，接受补给水源不足，不存在地表水向开采空间渗透的可能性，仅向斜轴部区域内富水性较强，以静储量为主，易于疏干。综合物探结果显示，在2-603运输巷前方存在发育的X3陷落柱和DF8断层，发育范围内有富水区，直接充水水源为顶板砂岩裂隙水。在2-603主运巷掘进中，基于断层、陷落柱等地质构造的存在，可能会导通奥灰水，引发水害事故。针对这一情况，在2-603主运巷布置探测钻孔进行钻孔抽水试验。探测结果表明，水位高度稳定，可以推测X3陷落柱和DF8断层没有与底板承压水含水层导通[7]。另外，在2-603工作面的开采区域内不存在采空区，因此也就不存在采空区积水问题，不需要针对采空区积水设置相应的预测和防治办法。2.2.2充水通道井田开采3#煤层的充水通道主要为开采煤层的导水裂缝带、断层、陷落柱、封闭不良钻孔、井筒等。2-603工作面回采期间，附近区域没有进行大面积的开采，同时，旧地质钻孔全部实现有效封孔。针对这一情况，2-603主运巷掘进开采区的充水通道断层、陷落柱，因此有必要采用物理探测+钻孔探测的方法对2-603主运巷的断层、陷落柱等地质构造导水性、导水通道情况进行详细探测，并制定有针对性的疏排钻孔、注浆封堵导水裂隙等防治措施。

3充水水源以及导水通道的探测

3.1物理探测

直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极将电流供入大地，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息。对于矿井直流电法勘探而言，供电、测量电极通常布置在巷道顶底板或巷道侧帮上，从不同角度去观测巷道周围稳恒电流场的分布、变化规律，了解巷道顶底板或所在岩层内的地质情况，对巷道前方富水异常构造进行准确定位，进而为工作面的防治水工作提供依据。在2-603工作面主运巷掘进迎头正前方60m的范围内，采用直流电法勘探是否存在物探低阻异常区。探测结果显示，有2处低阻异常区，视电阻率小于35Ω·m，分别位于DF8断层、X3陷落柱，表明这两处的煤层或是破碎带中存在一定量的积水。

3.2钻孔探测

施工探放水钻孔，如果发现钻孔涌水、层位异常等情况，可结合物理探测成果掌握巷道的地质构造情况，为工作面的防治水工作提供依据。为进一步确定2-603主运巷前方DF8断层、X3陷落柱地质构造的存在是否有问题，在巷道掘进迎头布置6个探测钻孔，呈扇形布置，布置情况如图2所示。1号、2号、3号钻孔探测陷落柱的分布情况和结构特征，4号、5号、6号钻孔探测断层的分布情况和结构特征。探测结果如表1所示。由表1中数据可知，在2-603主运巷前方明确探测到DF8断层的存在，未探测到陷落柱的存在。分析原因：陷落柱位置正好为向斜轴部，物探解释成陷落柱，但钻孔探测结果表明该陷落柱不存在。

3.3水质化验分析

对2-603主运巷钻孔取样水质和矿井水文地质孔取样水质进行化验并对比分析。化验结果表明，2-603主运巷DF8断层内涌水水质与底板奥灰水水质成分差异非常大，但是DF8断层内涌水水质与上覆砂岩裂隙水水质成分接近。根据这一情况可推断，DF8断层与上覆砂岩裂隙水含水层贯通，主要的出水水源为砂岩裂隙水。

4防治水技术方案

4.1防治水方案

3#煤层上覆砂岩含水层裂隙不发育，连通性差，富水性较弱，以静储量为主，易于疏干。正常掘进时涌水量一般在0～3m3/h，涌水量较小。对DF8断层水采用疏排和注浆两种方案进行水害防治，同时改变巷道围岩的力学性质，起到控制巷道变形及后期维护的作用，保障巷道过DF8断层的开采安全。具体施工方案如下。a)在工作面掘进迎头施工6个大孔径排放水钻孔，直径113mm，同时安装好孔口安全放水阀门。施工时，采用ZY-2300型全液压钻机，配备Φ63mm钻杆，配用Φ113mm钻头、Φ75mm钻头。孔口管采用Φ113mm钻头钻进，下入Φ89mm套管10m；Φ89mm套管外端焊法兰盘并安装控水闸阀和测压表。孔口管裸管打入孔内，用马丽散注封或棉布打入等方法固管，并用钢丝绳加固。加固牢靠后方可进行下一工序。b)对临时疏排水系统进行技术改造，施工2个临时水仓，布置2台7.5kW潜水泵，可大幅度提高工作面的疏排水能力，将裂隙含水层的积水进行疏排。c)将井下泵房原排水供电系统改造为双回路供电系统。双回路供电系统稳定、可靠，是夯实煤矿井下疏排水工作的安全生产基础，保障排水系统不会因为供电系统的故障而影响其排水能力。疏排水时，若钻孔出水量超过排水设备的排水能力，要及时调整闸阀，根据排水能力调整放水量。放水时，探放队要设置沉淀池并及时清理。积水放完后进行封孔。d)先进行疏排水施工，再进行注浆钻孔施工（注浆泵为ZBY-11.5/7.0双液注浆泵）。封堵导水裂隙的水泥浆采用P.O.42.5普通硅酸盐水泥（浆液水灰比为0.8∶1～1∶1，注浆压力为2.0～3.0MPa），以控制巷道变形，大幅度提高巷道断层破碎带岩层的稳定性。

4.2效果分析

采用6个大孔径排放水钻孔完成整个疏排水工作，历时12d左右。从排放水实际工作来看，整个排放水作业比较平稳顺利，累计排放水量共达3.6×104m3，至疏排水钻孔全部无水排出后再对钻孔实施注浆作业。注入普通硅酸盐水泥浆共7t，注浆完成时间为8d。排水后，2-603主运巷恢复掘进，揭露DF8断层，DF8断层实际落差达8.1m，并伴生有多条落差在0.8～1.1m的较小断层。2-603主运巷掘进过上述地质构造期间，无淋水、涌水现象发生，掘进期间没有发现X3陷落柱的存在。

5结语

对2-603主运巷充水通道以及涌水水源进行了分析，采用物探以及钻探方式对2-603巷地质构造进行探测，探测结果表明了DF8断层存在，X3陷落柱不存在，充水水源主要为上覆裂隙水含水层。针对这一情况，采用疏排水和注浆联合方式进行水害治理，效果显著。治理后，2-603主运巷无淋水、涌水现象发生，同时巷道断层破碎带得以加固，保障了巷道围岩的稳定性，保障了2-603主运巷的掘进安全，提高了其掘进效率。

参考文献：

［1］杨明渊.煤矿导水构造探测与防治技术研究［J］.自动化应用，2020(9)：155-156.

［2］马立军，王世常.瞬变电磁法在探测永明煤矿地质构造中的应用［J］.华北科技学院学报，2019，16(2)：25-29.

［3］马彦龙，刘斌.反射槽波法在探测煤田地质构造中的应用［J］.山西焦煤科技，2019，43(4)：45-48.

［4］刘树新，周广.瞬变电磁法在煤矿导水构造探测中的应用［J］.煤炭技术，2019，38(2)：58-60.

［5］单广军.李雅庄煤矿断层构造的探测研究［J］.山东煤炭科技，2018，36(12)：171-173.

［6］吴晓康.矿井导水地质构造探测与治理研究［J］.能源与环保，2018，40(7)：118-122.

［7］孙林，曹路通.基于三维数值模拟及矿井瞬变电磁法的导水构造探测研究［J］.能源与环保，2021，43(10)：79-85.

作者:刘朝阳 单位:华阳新材料科技集团有限公司