大采深复杂水文地质条件下导水断层探查治理技术研究
赵鹏飞
（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）
邢东矿隶属于冀中能源股份有限公司，位于河北省邢台市东北约4 km处，井田面积14.5 km2。矿井2001年11月18日建成投产，核定生产能力125万t/a。矿井现开采二叠系山西组2号煤，煤层平均厚度4.29 m，赋存深度标高-580—-1 200 m。
邢东井田位于百泉汇水单元最东部，井田内分布有11个含水层（组），影响矿井开采的主要含水层为砂岩含水层、薄层灰岩含水层（野青、伏青、大青、本溪灰岩）以及奥陶系灰岩含水层。矿井水文地质类型为复杂型，预计矿井正常涌水量为159 m3/h，最大涌水量355 m3/h。
2.1 断层分布特征
邢东井田内各类断层发育，不同级别的断层将整个井田的含煤地层切割成一系列大小不等、形状各异的断块，各断块又表现为地堑、地垒和阶梯状构造组合，依据勘探和巷道揭露，目前邢东井田共发现断层389条。其中，落差大于20 m的断层86条，落差5～20 m的断层66条，落差在5 m以下的小型断层237条，均为正断层。大中型断层走向以NNE—NE为主，倾向以SE为主，如图1所示。
图1 邢东矿构造纲要图Fig.1 Structural outline diagram of Xingdong Mine
2.2 导水断层
根据矿井勘探和实际揭露资料，邢东矿井田范围内共涉及4条导水断层，分别为F1、F15、F19和F23断层。其中F1断层为井田西界断层，落差大于500 m；
F15断层为井田北界断层，落差约44～102 m；
F19断层走向北东，倾向南东，贯穿井田，为采区分界断层，落差40～100 m；
F23断层走向北东，倾向南东，贯穿井田，为采区分界断层，落差28～110 m。
F1断层以西奥灰水与断层以东的大青灰岩水和奥灰水联系密切，断层对口部位导水性强，而断层上盘煤系地层与断层下盘奥灰水的水力联系较差。
F15断层上盘6煤至9煤段与下盘奥灰八段对接，-750 m以浅区域2煤与大青灰岩对接，断层两盘地层存在一定的水力联系。
F19断层两盘地层对接情况基本与F15断层一致，断层浅部抽水试验数据（单位涌水量0.000 095 7 L/s·m）显示不导水，但在深部断层两侧含水层对接部位导水。
F23断层-750 m以浅的北侧的奥灰与南侧的6～9煤相对应，其西侧与F1断层对接，分析断层两盘存在一定程度的水力联系。
导水断层的威胁主要是导通下伏含水层，一旦存在富水性强的含水层，极易造成灾害性出水。针对导水断层，当前采区的主要手段有井下探查治理、地面探查治理及井上下综合治理。制定探查治理方案时应结合各种手段技术特点和矿井实际情况，统筹安排。
3.1 井下探查治理
井下探查治理主要依托底板钻孔和物探。利用物探超前探测结合矿井先期地面探查资料判定断层位置和富水性。确定断层位置后和产状等要素后计算防隔水煤（岩）柱，一般将防隔水煤（岩）柱边界作为起探位置，探测深度应保证底板隔水层厚度满足规定要求。探查过程中可通过连续取芯准确判定断层位置和落差，以便后期方案优化。
2016年，邢东矿设计在1100南部采区开拓两条集中巷，巷道掘进过程中必须穿过F23断层，为保证掘进安全，遂对巷道掘进前方F23断层进行探查治理，消除导水威胁。此次探查治理采用井下钻探手段进行，具体方案如下。
当巷道掘进至距F23断层100 m（大于安全距离）时停头施工底板钻孔，钻孔控制范围覆盖2条大巷正前方和两侧50 m（满足帮距要求）范围，同时兼具底板超前钻的功能。钻孔共8个在平面上呈扇形分布，如图2所示。
图2 钻孔平面布置示意Fig.2 The layout plane of drilling hole
剖面上向前方和下方布设，采用长短结合的方式，一次打透F23断层面并穿过断层上盘2煤，如图3所示。
图3 钻孔剖面布置示意Fig.3 The layout profile of drilling hole
通过钻孔揭露标志层和取芯结果判断F23断层在大巷掘进区域落差60 m。各探查孔施工过程中未发现水文异常，排除F23断层导（含）水。钻孔注浆量最大为1.1 t，最小为0.45 t，基本为封孔消耗，说明F23断层充填密实。后期经大巷实际揭露，F23断层落差为58 m，展布情况与预计基本一致，不导水、不含水。此次探查保障了巷道正常安全掘进。
3.2 地面探查治理
地面探查治理主要依托地面定向钻探技术和地面注浆技术，对落差大、导含水性强且不具备井下治理条件的导水断层进行探查治理。因其治理范围广、工程量大，开工前必须制定整体施工方案，方案必须明确探治范围、钻孔间距和钻进层位等关键参数。
邢东矿1300采区为新区开采，设计开采的首采面位于F19导水断层防水煤柱内，为解放防水煤柱，同时保证首采面安全开采，计划对F19断层进行探查治理。考虑到F19断层在该区域落差达100 m，防水煤柱宽度达130 m，受限于井下钻探设备能力和施工条件等因素，决定进行地面探查治理，开展了1300采区地面定向钻探防治水工程。
此次设计地面主孔1个，水平分支孔9个，由远到近编号1～9，钻孔间距60 m，重点对F19断层产状和延展情况进行探查，如图4所示。
图4 钻孔平面布置示意Fig.4 The layout plane of drilling hole
为对F19导水断层进行注浆加固，设计钻孔自F19断层下盘奥灰顶面下31 m钻进，穿过断层面后继续在煤系地层钻进50 m终孔。考虑到F19断层落差达100 m，为增加开采区域底板隔水层厚度，保证突水系数满足规定要求（不大于0.1 MPa/m），特选定钻进层位为奥灰顶面下31 m。对奥灰一定深度进行注浆加固，增加煤层底板隔水层厚度，以满足治理区域突水系数不大于0.1 MPa/m。同时，为保证钻孔钻进层位与设计一致并准确探明F19断层落差，在主分支施工过程中每间隔一段距离后施工上行分支，如图5所示。
图5 钻孔剖面布置示意Fig.5 The layout profile of drilling hole
当前工程完成9、5、1和2号分支孔施工，对F19断层进行整体控制，探查范围内，F19断层落差为65～80 m，断层带宽度约30 m，其延伸情况与预计基本一致。各分支孔穿过断层面时均未发生漏失情况，断层不导水。完成钻探工程量3 480 m，仅发生8次漏失，注水泥3 119 t，折合0.9 t/m，说明探查区域裂隙不发育，F19断层两盘无明显的水力联系。通过施工上行分支，确定钻孔钻进层位正常，基本位于奥灰顶面下31～35 m。
4.1 井下探查
井下探查治理可根据矿井采掘计划及时开展，其优势主要体现在：①施工方案相对简单，参照底板超前钻施工要求，对钻孔布置方式、数量、终孔位置进行调整即可；
②断层位置不明确时，可随着巷道掘进连续施工，直至揭露断层；
③工程量相对较少，工程成本相对较低；
④施工过程中可根据前期钻孔揭露资料，随时调整设计，灵活性高；
⑤作为传统技术，目前已特别成熟，各矿井基本具备自行开展的能力。
但随着开采深度增加，水文地质条件趋于复杂，井下探查的缺陷愈发明显：①受限于钻探设备能力，探查范围小，基本为局部探查治理，无法实现断层整体覆盖；
②终孔深度受限，对于大落差断层，只能治理巷道底板一定深度，虽然可以保证巷道安全掘进，但对回采工作面作用有限；
③受限于当前井下注浆设备，一旦出现注浆大的情况，难以实现连续注浆，无法保证注浆加固效果；
④因在钻孔直接揭露导水断层，可能出现钻孔突水情况，给现场施工带来风险的同时增加矿井排水负担。
4.2 地面探查
地面探查依托于地面定向钻探技术，其技术优势明显，主要体现在：①探查治理覆盖范围广，治理范围不单单局限于某一条断层，可以覆盖整个采区或全矿井；
②对落差大、控制程度低、导水性强的断层进行探查时，可避免突水风险，保证了施工安全；
③在对导水断层进行探查治理的同时，可对煤层底板隔水层进行加固，在阻断断层导水的同时，有效降低了煤层开采期间底板突水机率；
④通过随钻测井和定向螺杆，可随时调整钻孔轨迹，确报施工与设计一致；
⑤通过伽马测井、取芯和岩屑录井等手段可准确判定地层。
但采用该手段时也应考虑到其不足之处：①对设备能力、定向技术和施工队伍素质要求高；
②目前主流方案是1个主孔和多个分支孔布置，对主孔位置、结构要求高；
③受限于当前定向设备性能、分支孔施工期间进行优化调整的空间不大，一旦达不到设计目的，则需重新施工，可能造成工程量浪费；
④地面治理期间设计钻探和注浆，工序复杂，对现场管理和各单位配合要求高；
⑤工程造价高，以邢东矿F19断层探查为例，工程投入折合吨煤成本达到21元。
随着资源开发，各类煤柱资源必然需要解放，而防水煤柱占据很大的比例，所以对各类导水断层的探查治理越来越重要。虽然当前探查手段多样，但各技术手段也存在短板。今后矿井面临的局面更加复杂，技术手段要兼顾治理效果、经济效益和社会效益等方面，这就要求技术手段仍要不断丰富，相关设备仍要不断改进。
猜你喜欢导水井田探查冀西北三马坊热储构造探查的新认知河北地质(2021年1期)2021-07-21榆神府矿区不同导水裂隙发育对地表土壤性质的影响西安科技大学学报(2021年3期)2021-06-17综合探测9105工作面导水裂隙带高度江西煤炭科技(2020年4期)2020-11-16关于大平井田煤层缺失带成因的探讨经济技术协作信息(2018年30期)2018-11-22基于水管理的前风窗下装饰板系统设计研究汽车科技(2017年3期)2017-06-12橡胶树miRNA 探查贵州科学(2016年5期)2016-11-29晋煤成庄井田煤储层特征及其对煤层气成藏的控制现代工业经济和信息化(2016年7期)2016-05-17高频超声探查用于诊断附睾病变男性不育的价值探讨西南军医(2016年6期)2016-01-23未成年人吸毒原因探查：或因家庭或因好奇人生十六七(2014年26期)2014-02-28株柏井田岩浆岩侵入煤层规律的探讨和在找煤开采中的应用河南科技(2014年7期)2014-02-27