側向高位積水礦井邊界斷層煤柱水害預防技術體系研究

董蘇蘇 蘇占林

（1.新礦內(nèi)蒙古能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200；2.山東能源新礦集團，山東 新泰 271200）

孫村井田位于新汶煤田中部，與華源礦業(yè)以F6（∠64°，H=46 m）斷層為界。兩礦在F6 斷層兩側均進行了開采，開采煤層包括2、3、4、6、11、13、15 煤。孫村煤礦計劃停止華源煤礦老空區(qū)積水的抽排工作，停止排水后，水淹區(qū)積水水位最大將恢復至+175 m，造成目前+30 m 水平以下深部邊界煤柱水頭壓力增加1.45 MPa，在深部邊界煤巖柱薄弱區(qū)段可能存在滲水、漏水或失穩(wěn)等情況。如圖1。

圖1 F6 斷層兩側地層對接關系示意圖

老空積水停排后華源礦井一側形成高位側向積水，開展必要的探查和加固工程是十分必要的。

1 煤層重復采動下斷層煤柱殘缺區(qū)精細化探查

1.1 寬線二維地震勘探工程

寬線二維地震勘探工程共完成寬線二維地震測線12 條，獲取到寬線二維地震CDP 剖面4 條，剖面合計長度858 m，總計炮檢點4032 個。寬線二維地震數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，形成地質成果從構造和采空區(qū)分布范圍兩方面進行了解釋。

1.1.1 構造探查結果

依據(jù)疊前偏移剖面，結合鉆孔和測井資料，共解釋斷層3 個（F1、F2、F6），全部切穿11 號、13 號、15 號煤層，總體落差變化約為3～33 m，傾角變化約為68°～84°。

1.1.2 采空區(qū)探查結果

根據(jù)采空區(qū)在時間偏移剖面上的表現(xiàn)特征，對采空區(qū)位置進行了推斷。解釋結果表明采空區(qū)以11煤、13 煤、15 煤為主。

1.2 F6 斷層煤柱殘缺區(qū)跨孔電磁波CT 探測

本次跨孔電磁波CT 工作采用設備為JW-6 型無線電測試儀，方案設計中跨孔電磁波CT 利用鉆孔32 個，布置CT 剖面60 個。但在實際數(shù)據(jù)采集過程中，個別鉆孔出現(xiàn)塌孔，實際共完成剖面數(shù)50 個。

本次勘探鉆孔呈兩排分布，編號分別為Z1-1～Z1-16 和Z2-1～Z2-16，利用第一、二排鉆孔的勘探剖面經(jīng)過數(shù)據(jù)連接，分別形成L1、L2 長剖面（2-6、2-7）。通過對所測50 個剖面異常統(tǒng)計，總體表現(xiàn)為南部采空面積大，中部次之，北部采空面積淺層相對少。通過數(shù)據(jù)整合形成平行于第一排孔和第二排孔的長剖面，地質解析之后L1 異常面積為1250 m2，L2 異常面積為1012 m2，L1 和L2 兩等效測線平行，間隔約10 m。按照不規(guī)則圖形的體積計算方法估算L1 和L2 測線之間空腔體積為11 000 m3，占勘探體積的13%。

1.3 綜合物探探測成果分析

寬線二維地震依據(jù)介質波阻抗和波速屬性對采空區(qū)分布范圍進行探測，跨孔電磁波CT 以介質電磁波衰減系數(shù)為基礎對采空區(qū)進行了探測。

寬線二維地震中DZ3-4 線與L2 跨孔電磁波CT長剖面位置基本一致，選擇二者進行疊合，在電磁波CT 跨孔剖面解釋時參考寬線二維地震解釋的采空區(qū)宏觀分布特征，再依據(jù)衰減系數(shù)等值線對采空區(qū)精細化定位。同時，寬線二維地震剖面最終解釋時充分參考了跨孔電磁波同步測量曲線對采空區(qū)定性推斷，二者結果在解釋上相輔相成，相互參考。

當陽市水域資源豐富，水面較多，氣候適宜，光照充足，水生生物資源豐富且品種多樣化。河溝湖庫眾多，水質總體保持穩(wěn)定，水質狀況趨好。為此，科學合理地劃定各類養(yǎng)殖功能區(qū)，嚴格控制水庫養(yǎng)殖面積和養(yǎng)殖密度，合理搭配養(yǎng)殖品種，采取養(yǎng)殖水體污染防治措施，廣泛推行池塘生態(tài)養(yǎng)殖和水庫增殖漁業(yè)，在水域灘涂承載力范圍內(nèi)適度發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，以最終實現(xiàn)漁業(yè)經(jīng)濟和水資源環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 斷層煤柱薄弱區(qū)注漿加固工程

2.1 注漿鉆孔設計

圍繞孫村井田東部F6 斷層防隔水煤柱薄弱區(qū)開展注漿加固工程。本工程布置東、西2 排注漿孔，排間距10 m，鉆孔間距10 m，兩排鉆孔呈交錯梅花狀布置，設計注漿孔共計32 個。兩排注漿孔之間布置注漿檢查孔兼補充注漿孔12 個。注漿鉆孔設計平面圖如圖2。

圖2 注漿鉆孔實際布置平面圖

2.2 工程施工

2.2.1 注漿鉆孔施工

注漿鉆孔無芯鉆進至基巖以下3 m 左右，擴孔下入Φ180 mm 套管，壁后注漿，待水泥凝固后無芯鉆進至終孔層位。注漿鉆孔終孔層位為15 煤層底板以下10 m，個別終孔至17 煤層。注漿采用自下至上方式注入，注漿深度到15煤層底板以下10 m，注漿范圍從邊界煤柱可靠區(qū)至煤層露頭附近，注漿標高從+30～+170 m。累計注入水泥6 618.66 t，矸石骨料158.4 t，工業(yè)鹽2.64 t，水玻璃19.72 t。

2.2.2 取芯鉆孔施工

取芯驗證孔無芯鉆進至30 m 左右，擴孔下入180 mm 套管30 m，壁后注漿，待水泥凝固后，取芯鉆進至15 煤層底板以下10 m 終孔。根據(jù)鉆孔條件，在1-4、1-5 等23 個鉆孔進行了測井工作。通過測井曲線分析，僅在取4、取9 孔揭露9 煤層采空區(qū)；11 煤層采空區(qū)在試驗注漿段及其以南區(qū)域存在范圍較廣；1-4、1-5、1-7、2-4、2-7、取1、取2、取3、取11、取12 鉆孔均揭露11 煤層采空區(qū)。因此，采空區(qū)集中在試驗注漿段及其以南區(qū)域，且為淺部9 煤層、11 煤層采空區(qū)，深部13、15、16 煤層未見有異常區(qū)域，試驗注漿段以北區(qū)域全煤層賦存情況完好。

3 注漿加固效果檢測及評價

跨孔電磁波CT 探查技術全區(qū)注漿效果進行驗證相結合的綜合方式對本次注漿效果進行評價。

3.1 跨孔電磁波CT 注漿效果檢測

跨孔電磁波CT 檢測以注漿施工記錄和前期采空區(qū)探測工作為基礎，在重點部位進行跨孔電磁波CT 探測。檢測區(qū)域分為南區(qū)和北區(qū)，剖面的選擇盡量集中在注漿大的區(qū)域。按照此要求，本次共設檢測剖面29 個，剖面編號為QP01～QP29，如圖3。

圖3 注漿質量檢測剖面布置平面圖

通過注漿前后跨孔電磁波CT 同步測量曲線以及衰減系數(shù)剖面對比，以Z2-4 和Z2-5 鉆孔為例，注漿后鉆孔間介質均勻程度變好，注漿效果理想。

3.2 取芯檢查孔注漿效果檢測

1）取1 孔：孔深104.23 m，孔底位于16 煤層底板處。通過巖芯分析，9 煤層取出水泥塊樣；11煤層頂板三處裂隙內(nèi)存有水泥充填體；11 煤層底板兩處裂隙處有水泥充填體。

2）取2 孔：孔深106.92 m，孔底位于15 煤層底板斷層處。通過巖芯分析可知，11 煤層老空區(qū)見注漿水泥充填體。

3）取3 孔：孔深108.76 m，孔底位于15 煤層底板斷層處。通過巖芯分析11 煤層老空區(qū)，11 煤層下部見注漿水泥。

4）取4 孔：孔深108.11 m，鉆孔巖芯37.96 m見有水泥充填體。

5）取5 孔：終孔深度107.03 m，鉆孔巖芯33.5 m 見有水泥充填體。

6）取6 孔：終孔深度113.89 m，鉆孔巖芯42.6 m 見有水泥充填體。

7）取7 孔：終孔深度122.60 m，鉆孔巖芯37.1 m 見有水泥充填體。

8）取8 孔：終孔深度128.97 m。分析為遇邊界F6 斷層導致煤層缺失。

9）取9 孔：終孔深度93.24 m，鉆孔巖芯35.2 m 處見有水泥充填體。

10）取10 孔：終孔深度91.24 m，鉆孔巖芯32.9 m 見有水泥充填體。

11）取11 孔：終孔深度101.55 m，在11 煤層底板孔深37.86 m 處巖芯裂隙處有水泥充填體。

12）取12 孔：終孔深度107.84 m，鉆孔巖芯35.85 m 處見有水泥充填體。

3.3 注漿加固結果綜合評價

綜合應用鉆孔取芯、綜合測井、跨孔電磁波同步測量法和跨孔電磁波CT 法對孫村煤礦東邊界F6斷層煤柱缺失區(qū)注漿工程進行了抽檢，獲得結論：

1）通過鉆孔抽芯和綜合測井檢查，表明注漿區(qū)采空區(qū)充填情況良好，裂隙帶充填情況良好，采空區(qū)內(nèi)采取巖芯呈短柱狀，密實度好，具有隔水能力；11 煤以下地層受采掘擾動小，13 煤、15 煤、16 煤賦存完整。

2）跨孔電磁波CT 剖面抽查結果表明，9 煤、11 煤采空區(qū)注漿效果理想，采掘擾動造成的地層裂隙帶充填完整，注漿后孔間介質均勻性增強，孔隙度變小，剖面檢測區(qū)具有隔水能力；11 煤之下地層未受采掘擾動，13 煤、15 煤、16 煤賦存完整。

4 結語

針對孫村-華源煤礦礦界斷層煤柱可靠性評價及斷層邊界采空區(qū)探測、注漿和效果評價等技術難題，利用寬線二維地震及跨孔電磁波CT 勘探對采空區(qū)進行精細化探查。探測成果推測該區(qū)采空區(qū)大面積發(fā)育，對F6 斷層防隔水煤柱殘缺區(qū)實施了注漿加固工程，綜合應用鉆孔抽芯、綜合測井、跨孔電磁波同步測量法和跨孔電磁波CT 法對注漿加固效果進行抽檢評價。基于以上成果，形成了集礦界斷層煤柱薄弱區(qū)探測、可靠性評價、注漿加固過程控制與注漿效果定量檢測于一體的側向高位積水復雜空區(qū)礦井煤柱水害預防技術體系，為類似礦井水害防治奠定了基礎。