防治水技术在解放断层防水煤柱资源中的应用

王丹

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000）

1 概况

邢台矿F15 断层为一高角度正断层，在邢台矿7700 采区2 号煤层落差为78～120 m，走向近0、倾向近90°、倾角70°～80°。该断层在7700 采区由8302、1901、1902、9801 等钻孔控制，井下-210 大巷、西翼三轨道、十一采区进风斜坡、十一采区回风斜坡、十一采区运输石门、十一采区运矸联络巷等地区均对其揭露，控制程度较高。2016年F15 断层留设了防水煤柱，宽度为86 m。

为探明F15 断层在7700 采区的导（含） 水性，并进一步控制其走向，在全面分析已有地面勘探钻孔的基础上，针对F15 断层又施工了2 个地面补勘孔（1901 孔、1902 孔），根据探查成果，F15 断层向7722 工作面方向移动约19 m，以此为依据，对F15 断层走向进行了修正，为下一步探查治理精准布孔提供依据。同时根据7700 采区、51100 采区已有的关于探查及揭露F15 断层的水文地质情况综合证实，F15 断层在7700 采区范围内不导（含）水。F15 断层与7722 工作面位置关系平面图如图1所示。

图1 F15 断层与7722 工作面位置关系平面图Fig.1 The plane of location relationship between No.F15 fault and No.7722 face

2 断层煤柱解放条件分析及方案研究

经矿井前期勘探成果及井下揭露情况分析，F15 断层在开采2 号煤的7722 工作面区域落差较大，H=78～120 m，2 号煤与下盘大青灰岩较近，而邢台矿大青灰岩富水性极不均一，局部受奥灰含水层直接补给，7722 工作面沿F15 断层布置，突水风险系数较高且预计突水量较大。因此，若要安全开采该区域煤炭资源，就必须要对断层进行有效注浆治理，切断含水层与开采煤层之间的水力联系。此外，断层附近裂隙发育，如何合理布孔，确保留足钻探安全距离，做到钻孔出水可控也是需要考虑的问题。

在综合考虑上述问题影响基础上，确定优先施工2 个地面孔，对断层产状进行精确控制，并以此为基础，优化巷道布置，优先施工距离断层较远的运料巷，保证钻探安全距离，同时制定井下物、钻探相结合的断层探查加固方案，在运料巷掘进过程中，每隔60～120 m 施工1 个钻窝，在钻窝内施工钻孔对F15 断层进行探查注浆加固，钻孔按平面终孔间距30 m 布置，垂向上分2 层布置，第一层施工至断层面，控制深度满足注浆治理后，奥灰含水层突水系数不超过0.1 MPa/m，第二层终孔至断层下盘大青灰岩层位，一是探明大青灰岩在该区域的富水性，二是直接对大青灰岩进行注浆加固，切断其与开采煤层间的水力联系。注浆加固钻孔结束后，采用多角度瞬变电磁手段对断层加固效果进行检验，对物探异常进行补强加固，确保加固工程安全可靠。

3 F15 断层探查加固工程

7722 工作面巷道底板标高为-210—-250 m，由于近年来奥灰含水层水位上升较快，因此，选用邢台矿奥灰含水层历史最高水位+50.64 m 计算探查加固钻孔固管试压、终孔注浆等关键环节的终压，终压确定为4.4 MPa（即1.5 倍的奥灰水压）。此外，在综合分析7722 工作面区域内F15 断层展布状态基础上，为留足钻探安全距离，选择优先施工运料巷，该巷道距离F15 断层80～90 m，断层探查加固孔设计套管深度30 m，且保证在揭露断层面前完成套管的固管试压工作，同时安装阀门，确保一旦发生出水，水量可控。

针对F15 断层注浆加固，具体分为断层整体探查、注浆加固效果钻探验证及补强加固、物探验证3 个阶段，各阶段情况分述如下。

3.1 F15 断层整体探查注浆治理阶段

该阶段共计施工断层及断层下盘大青灰岩探查注浆加固孔53 个。其中F15 断层探查及注浆加固孔26 个，终孔深度均位于2 号煤底板下38～40 m，注浆加固深度满足突水系数不大于0.1 MPa/m的要求，F15 断层下盘大青灰岩含水层探查注浆孔27 个，终孔穿过大青灰岩，位于大青灰岩下2 m左右。在所施工的53 个钻孔探查注浆加固孔中，水量大于20 m3/h 的钻孔共4 个，水量介于10～20 m3/h 的钻孔9 个，水量介于5～10 m3/h 的钻孔8个，小于5 m3/h 的钻孔28 个，无水钻孔4 个。

经分析在通过断层但未揭露大青灰岩情况下，钻孔均未发生出水现象，所有钻孔均为揭露断层下盘大青灰岩发生的出水，直接证明了F15 断层本身不含（导） 水。

3.2 F15 断层注浆加固效果钻探验证及补强加固阶段

通过对上一阶段出水钻孔的数量、水量、密集分布情况等进行统计分析可知，钻孔出水位置均位于F15 断层下盘大青灰岩层位，且断层下盘大青灰岩富水性不均一，因此针对钻孔出水较大、大青灰岩局部富水性较强区域设计施工了22 个注浆效果验证孔，验证孔终孔均穿过大青灰岩含水层下部不少于2 m，检查验证孔终孔水量均小于5 m3/h，说明第一阶段的探查加固注浆效果良好，大量充水通道得到了有效封堵，为下一步7722 工作面安全开采打下坚实基础。

3.3 物探验证阶段

注浆加固及效果验证阶段结束后，为进一步探明注浆加固工程效果，利用多角度瞬变电磁探测技术对工作面运料巷西侧120 m 水平范围内、底板下80 m以浅垂向范围内富水异常区进行探查，共计探测9个角度，均未发现水文异常区，证实F15 断层及断层下盘大青灰岩含水层注浆效果良好。7722 工作面F15断层瞬变电磁物探成果示意图如图2所示。

图2 7722 工作面F15 断层瞬变电磁物探成果示意Fig.2 Transient electromagnetic geophysical exploration results of No.F15 fault in No.7722 face

4 F15 断层及下盘大青灰岩含水层治理成果分析

此次探查治理工程主要采用井下物探与钻探相结合的综合防治水措施，在工作面运料巷中，选择合适的钻探位置施工定向探查钻孔对F15 断层及断层下盘大青灰岩含水层进行探查及注浆加固，钻孔终孔水平间距30 m，治理范围为工作面下方38～40 m，工作面外围60 m。同时井下建立注浆站，确保注浆加固效果，此次注浆加固工程共注浆342.95 t。通过对F15 断层进行的井下探查注浆加固工程，进一步查清了F15 断层的位置、性质及断层下盘大青灰岩的富水性，同时对断层构造裂隙带及断层下盘大青灰岩含水层进行了有效注浆加固治理，现根据探查注浆治理过程分析如下。

4.1 探查成果分析

针对F15 断层及断层下盘大青灰岩含水层，先后通过3 次探查治理加固工程，共施工钻孔76 个，总工程量6 369.5 m，累计注浆342.95 t。结合钻孔成果分析，F15 断层在7722 工作面附近已基本控制清楚，穿过F15 断层带时钻孔均未出水，且钻孔揭露断层面时由粘泥充填，胶结密实，进一步验证了F15 断层为不导（含） 水断层。

同时，经探查验证7722 工作面F15 断层落差在78～125 m，局部块段落差比原预计有所增大，断层（上盘断煤交线） 整体向7722 工作面发生偏移，最大偏移量19 m，特别是7722 探巷附近块段因F15 断层落差比预计增大导致下盘大青灰岩含水层与上盘2 号煤层间距为7722 工作面最小。

另外，统计分析所有探查注浆孔及检查验证孔成果资料可知，除砂岩层位出水外，出水钻孔出水位置均在F15 断层下盘大青灰岩层位，从钻孔出水量及数量分析，大青含水层含水性不均一，整体富水性较弱。

4.2 加固成果分析

4.2.1 F15 断层加固

通过2 次探查治理工程钻孔出水量对比分析，F15 断层得到了有效的注浆加固，同时，通过加固治理工程所有钻孔出水层位分析，未发现垂向导含水通道。

4.2.2 大青灰岩含水层加固

此次探查治理工程中所有大青灰岩探查注浆孔均揭露大青灰岩，其中除4 个孔无水，4 个孔在大青位置未出水外，其他钻孔均在大青灰岩含水层出水，出水水量1.5～30 m3/h，水压1.4～2.2 MPa。经分析所有出水钻孔水量及出水位置可知，F15 断层下盘大青灰岩富水性不一，整体富水性较差。针对钻孔出水较大、大青富水性较强的区域施工了23 个钻孔，进行了注浆效果检查验证及补强注浆加固，检查验证孔累计注浆量110.6 t，验证孔揭露大青灰岩出水均不大于5 m3/h，因此通过此次探查治理工程，对7722 工作面F15 断层下盘的大青灰岩含水层进行了有效的注浆加固，治理效果明显。

4.3 解放煤炭资源分析

利用地面补勘、井下物、钻探相结合的防治水技术方案，精准控制了F15 断层在7722 工作面附近的发育范围及产状，通过对断层的探查注浆加固，在工作面不留煤柱紧靠断层上盘断煤交线布置的情况下，消除了工作面采掘突水的威胁，顺利解放断层煤柱资源38 万t。

5 结论

（1） 针对断层构造发育、地质条件复杂区域，确定了地面勘探孔精准控制断层产状，井下物、钻探综合探查治理方案合理。

（2） 由于断层落差较大，且附近裂隙发育，对断层分层探查加固，第一层施工至断层面，控制深度满足突水系数不超过0.1 MPa/m，第二层终孔至断层下盘大青灰岩层位，对大青灰岩进行注浆加固。同时，优先施工运料巷，确保钻探安全距离，大大提高了井下施工安全系数。

（3） 钻探施工过程中制定了合理有效的安全技术措施，钻孔安装有阀门，实现了断层出水水量可控，同时，完善的排水系统配置也确保了出水可及时排出，保证了治理工程安全性。

（4） F15 断层煤柱的安全解放,为煤炭储量枯竭、呆滞煤炭资源量大的矿井长远发展提供了一条新的思路。