孫疃煤礦灰巖水補給通道分析及封堵實踐

蔡學斌, 王大設，朱傳峰

(1.安徽煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000；2.淮北礦業股份有限公司，安徽 淮北 235006)

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孫疃煤礦灰巖水補給通道分析及封堵實踐

蔡學斌1, 王大設2，朱傳峰2

(1.安徽煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000；2.淮北礦業股份有限公司，安徽 淮北 235006)

孫疃煤礦采區劃分多以大斷層為界，水文地質分區特征明顯。礦區10煤層開采受底板太灰水威脅。太灰水具有高承壓、弱富水、不均一的特征。針對此特點，10煤層開采主要采取區域疏降治理措施。101采區疏降初期太灰水位出現大幅下降，但隨后出現了回升現象，100d內累計回升超過50 m。在整理前期水文地質資料的基礎上，結合水位、水質變化，分析了太灰水位上升原因。研究認為，奧灰水參與了補給，補給通道位于采區淺部煤層露頭附近。據此進行了通道堵漏。注漿堵漏期間，太灰觀測孔14-觀1、15-觀3的水位變化趨勢為初期回升、治理期間波動、治理后下降；奧灰觀測孔15-觀2水位呈現初期下降、治理期間回升、治理后穩定的趨勢，說明太灰與奧灰水位兩者間聯動性較好，治理效果明顯，確保了疏降成果。

區域疏降；水位上升；補給通道；灰巖含水層；注漿封堵

孫疃煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內，距宿州市23 km。礦井處在淮北煤田臨渙礦區東部，礦井南部以界溝斷層為界與任樓礦接壤，北部以楊柳斷層為界與楊柳礦毗鄰，南北長10 km，東西寬3～5 km，面積44 km2。礦井采用立井石門開拓方式，水平標高-545m，采用上、下山開采。礦井設計能力1.80 Mt/a，2008年6月投產，核定生產能力3.00 Mt/a。

礦井采區劃分多以大斷層為界，水文地質分區特征明顯，自北向南被斷層分割為104、102、101和103四個采區，分別為相對獨立的次級水文地質單元，采區間太灰水力聯系弱。太灰水具有高水壓、弱富水、不均一的特征，淺部露頭外富水性相對較強，向深部富水性逐漸減弱，垂向分帶性明顯。針對此特點，以采區為單元采取區域疏降措施治理10煤層底板太灰巖溶水害。

101采區疏降初期太灰水位出現大幅下降，地面太灰觀測孔(14觀1)最低水位-183.94 m，井下101放水巷觀測水位為-420 m。2016年5月28日，101采區總放水量保持110 m3/h沒有變化的情況下，14觀1孔太灰水位出現回升，100 d內累計回升超過50 m。

本文在整理前期水文地質資料的基礎上，結合奧灰水位、水質變化，分析了太灰水位上升原因，確定了補給水源、可能的補給通道，并據此設計施工2個注漿鉆孔對補給通道進行封堵。

1 礦井地質及水文地質條件

1.1 礦井地質

礦區地層由老至新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系、第四系。主要含煤地層為二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組?？刹擅簩佑?1、51、72、82、10等5層，主采煤層為72、82、10煤層，平均總煤厚6.39 m，煤種以1/3焦煤為主，礦井資源儲量2.55億t，可采儲量1.20億t。

礦井位于童亭背斜東翼，總體構造形態為一走向近南北、傾向東、傾角10°～20°且沿走向略有扭曲的單斜。構造復雜程度為中等類型。礦井斷層較發育(圖1)，落差10 m以上的斷層130余條，且全為正斷層，其中落差大于100 m的斷層9條，50～100 m的斷層16條；20～50 m的斷層43條，10～20 m的斷層62條。10m以下斷層特別發育。

圖1 礦井構造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Suntuan coalmine

礦井內巖漿巖不發育，72、82煤層局部受巖漿巖影響，10煤層未受到巖漿侵蝕。

1.2 水文地質條件

礦井內地勢平坦，地表水對開采沒有影響。童亭背斜為灰巖隱伏裸露區，北高南低，為礦井灰巖水的主要補給區域。

1.2.1 含水層

礦井為松散層覆蓋下的全隱蔽礦床，對煤層開采有影響的含水層為“四含”、煤系砂巖含水層、太灰含水層、奧灰含水層。

①“四含”受古地形控制，厚度0～18.40 m，平均5 m，主要由粘土質砂、中細砂、砂礫等組成，泥質含量大，多數為殘坡積物，分布不穩定，北部多數鉆孔“四含”缺失?！八暮备凰匀?，補給水源不足，q=0.002 7～0.029 L/(s·m)，k=0.040～0.089 m/d。

②煤系砂巖含水層，主要由砂巖、粉砂巖等組成，砂巖裂隙一般不發育，含水性較弱，q=0.001 9～0.009 31 L/(s·m)，k=0.006 56～0.086 05 m/d。

③太灰含水層，礦井內26-3和30-14兩孔穿過太原組，太原組總厚131.52 m，有灰巖12層，灰巖總厚度69.53 m，占太原組厚度的52.87%，灰巖單層厚度0.15～16.85 m，其中第3、4、12層灰巖厚度較大，對10煤層開采影響的主要是3、4灰。太灰含水層富水不均一，淺部露頭外富水性中等。向深部逐漸減弱，1～4灰含水層(段)抽水試驗成果：q=0.005 2～1.576 L/(s·m)，k=0.026～4.61 m/d。

④奧灰含水層，總厚度500 m左右，富水性強，q=0.020～3.16 L/(s·m)，k=0.015～8.69 m/d。由于遠離煤層，對開采無影響。

1.2.2 隔水層

對礦井有影響的隔水層主要有兩個，一是松散層中的第三隔水層(簡稱“三隔”)，二是10煤至太原組1灰之間的隔水層。

1“三隔”分布穩定，厚32.00～44.63 m，主要由灰綠色、棕黃色粘土及砂質黏土夾薄砂層組成，中下部部分地段見有泥灰巖及鈣質黏土，可塑性好，膨脹性強，為良好的隔水層?！叭簟笔挂陨系牡乇硭秃畬优c“四含”和煤系水失去水力聯系。

②10煤至太原組1灰之間的隔水層，巖性主要為泥巖和粉砂巖，部分地帶有砂泥巖互層，致密。10煤層至太原組一灰間距47.97～80.28 m，平均58.83 m，在一般情況下開采10煤時該層能起到隔水作用。

2 水源分析及通道探查

2.1 太灰水區域疏降情況

針對采區間太灰水力聯系弱、可疏性較好的特點，以采區為單元采用井下密集穿層鉆孔、直揭灰巖專用放水巷、順層灰巖大口徑放水鉆孔等措施進行太灰水區域疏降，經過多年疏降，效果顯著，102、104、101采區太灰水位分別降至-500 m、-213 m、-183 m以下。

2.1.1 疏降工程

①鉆孔工程。2014年5月至2015年4月，101采區共完成放水孔45個，終孔層位為4灰。

②巷道工程。2015年10月至2015年12月，101采區施工專用灰巖放水巷，斷面3.2 m×3.2 m，采用錨網支護。巷道撥門于10煤層底板下16 m，終止于4灰底板下1 m，全長225.5 m，其中揭露灰巖段88.3 m。

③大口徑放水孔。2015年12月至2016年3月，在專用放水巷4灰段施工13個大口徑灰巖順層放水孔，工程量1 470.4 m。

2.1.2 疏降效果

101采區總放水量110 m3/h，其中放水孔水量65 m3/h,101灰巖放水巷水量45 m3/h。

疏降工程實施以來，地面太灰觀測孔14觀1水位從+1.22 m下降至-183.94 m，累計下降185.16 m，最大日降幅2.4m(圖2)。地面太灰15-2水文補勘孔水位-438.7m，實現了疏降開采的目標。

圖2 14觀1水位疏降曲線Figure 2 Water level draining down curve in observation borehole No.14-G1

2.2 太灰水位變化分析

2.2.1 太灰水位變化情況

2007年施工的07-觀3太灰觀測孔，實測太灰原始水位+18.39 m，受102采區疏降影響，101采區太灰水位下降了17 m。2014年9月開始對101

采區疏降太灰水，水位出現大幅下降，101采區地面太灰觀測孔14觀1最低水位-183.94 m(2016年5月28日)，井下101放水巷觀測水位-420 m， 15水2孔觀測水位-438.7 m。

2016年5月28日下午，101采區總放水量110 m3/h沒有發生變化的情況下，14觀1孔太灰水位出現回升，累計回升超過50 m(圖3)，與此同時，15-觀1孔奧灰水位+9.9～9.7 m，11觀1孔“四含”水位-140m左右，均未出現異常變化。

圖3 14觀1水位回升曲線Figure 3 Water level rising up curve in observation borehole No.14-G1

2.2.2 水質分析

14觀1孔水位出現回升后， 2016年6月2日、6月13日、 8月10日、 9月6日分別對1017機巷和101采區放水巷取水樣進行水質分析，并與之前水樣進行對比(表1)。通過對比發現Ca2+、Mg2+、HCO3-、全硬度和溶解固形物(TDS)值均上升，且明顯有向奧灰水質靠近趨勢。

2.2.3 補給水源分析

101采區露頭附近施工的09水3、11觀1、注2孔和11水1孔均對”四含”進行取心和抽(注)水試驗表明：“四含”不發育，富水性弱(表2)。

表1 101采區灰巖水質分析對比

表2 101采區淺部“四含”鉆孔統計

根據井下放水孔水質分析對比，Ca2+、Mg2+、HCO3-、全硬度和溶解固形物(TDS)數值均上升，且明顯向奧灰水質靠近，奧灰水位與太灰水位差值較大，且呈下降趨勢，11觀1孔“四含”水位穩定在-140 m左右，變化不明顯。因此，可判定奧灰水參與補給，“四含”很少或沒有參與補給。

2.2.4 補給通道分析

通過對井下太灰疏放水量、水質化驗及地面鉆探資料分析，可以確定奧灰水參與補給。根據以往疏降水位下降曲線及本次回升幅度，估算奧灰補給水量約為50 m3/h，補給通道位于采區淺部煤層露頭附近。

①礦井三維地震勘探面積達65.48 km2，全面開展了礦井隱蔽致災因素普查，未發現巖溶陷落柱及疑似陷落柱。101采區的鉆探及物探工程也沒發現巖溶陷落柱及其他地質異常體，可以確定區域內不存在陷落柱垂向導水通道。

②通過灰巖水區域疏降，太灰水位大幅下降，14觀1孔最低水位達-183.94 m，累計下降180 m之多，奧灰水位基本穩定+7.5 m附近，太灰與奧灰含水層間壓差達到1.9 MPa，15觀2孔附近由于斷層存在，太灰與奧灰間距縮短，斷層裂隙發育，在斷層破碎帶、裂隙發育等薄弱區域，由于兩個含水層壓差較大，通過壓力傳遞，含水層間形成水力聯系，由高水位向低水位補給。

③淺部露頭區施工的15觀2、注1和注2孔均揭露斷層。2015年5月1日15觀2孔在300～350 m段注漿處理斷層帶時， 孫疃觀1(奧灰)水位4 d回升了62.4 m，而14觀1孔太灰水位仍保持下降(原先兩孔水位升降趨勢一致)，說明孫疃觀1與14觀1孔之間有聯系通道，該區域斷層或裂隙導通太灰和奧灰，導水通道位于該區域的可能性大(圖4、圖5)。

圖4 101采區淺部鉆孔分布Figure 4 Winning district No.101 shallow part boreholes distribution

圖5 101采區淺部地質剖面Figure 5 Winning district No.101 shallow part geological section

3 補給通道封堵

3.1 工程設計方案

①鉆探工程。通過以上分析，在15觀2孔兩側50 m附近，沿煤層走向設計施工2個探查注漿孔(注1、注2)(圖4)，探查、注漿封堵導水裂隙，切斷奧灰水源補給通道。

②注漿工程。原則是探注結合，下行注漿。漿液密度1.5 g/cm3，有消耗就注漿，無消耗時10～20 m為一注漿段。

礦區太灰正常水位-140 m左右，煤層底板標高-250～-500 m，則太灰靜水壓力1.1～3.6 MPa，結合注漿設備耐壓能力，本次根據經驗數據，選取注漿終壓3～4 MPa，加上250～300 m漿柱壓力約4MPa，總壓力可達7～8 MPa。

注漿結束標準，孔口壓力3～4 MPa，終量不大于80 L/min且穩定30 min。

3.2 工程實施情況

2016年6月28日，鉆機施工注1孔，7月23日鉆進272 m至4灰層位，鉆井液漏失嚴重，觀測水位-156 m，與14觀1孔水位基本一致，注漿期間有吸漿現象，注漿后掃孔至304 m返漿。因為塌孔，265～270 m段鉆進困難，期間受下雨天氣影響，水泥供應不上，影響注漿效果。

2016年8月17日調整施工方案，一是建設地面注漿系統，加大注漿量；二是加快注2孔施工。

注2孔鉆進至268 m(3、4灰層位)出現全漏。2016年9月21日地面注漿站開始注漿，漿液密度1.5 g/cm3，注水泥200 t/d以下。12月9日漿液密度調整為1.6 g/cm3，注水泥量超過200 t/d，注漿量逐漸增加，12月15日以后注入水泥量基本維持在500 t/d，直至工程結束。

4 工程效果

4.1 鉆探成果

①對比分析注1、注2與15-觀2孔資料，可以看出，整體上該區域地層相對穩定，層位清楚，對比可靠。

②注1、注2孔所揭露的斷層破碎帶，可能與15-觀2孔所揭露破碎帶(314.27～333.76 m)為同一斷層構造，或者與其之間有一定的關聯。

③鉆進過程中所揭露破碎帶，特別是注1孔268.00～270.00 m段，可能為直接導水通道或與導水通道關聯密切。

4.2 水文地質成果

①據太灰段注漿前后注2孔注水試驗資料：靜止水位標高-85.94～-138.40 m，單位涌水量0.0382～0.133 L/(s·m)，滲透系數0.106～0.662 m/d，屬弱-中等富水性含水層。對比同采區14-觀1孔太灰含水層水文參數，單位涌水量0.32 L/(s·m)，滲透系數4.30 m/d，不難看出，注漿后注水試驗參數遠遠小于14-觀1孔。注2孔注漿前太灰壓水試驗段透水率為6.325 Lu，注漿結束后太灰壓水試驗段透水率僅為0.888 Lu，注漿后水文參數相比注漿前更小，說明注漿堵水改造了太灰巖溶裂隙，使其富水性大大降低。

②鉆進中，注2孔在揭露奧灰段前后，分不同的含水層段分別對孔內水位進行觀測(表3)。

表3 注2孔孔深與水位觀測統計

從表3中可以看出，奧灰水位標高+8.00 m，太灰段3灰、4灰水位標高-116.03～-122.24 m，兩者差值明顯；太灰下段八灰、九灰水位-21.35～-25.15 m，水位較高，與奧灰之間有水力聯系，奧灰對太灰下段影響明顯。

③注1孔破碎帶位置孔內水位異常下降，可能與井下放水有關。井下放水，導致太灰水位以放水點為中心形成漏斗區，破碎帶形成的導水通道連接著放水漏斗區。在鉆孔揭露破碎帶后，即相當于鉆孔直接連接于漏斗內深水位點，從而導致鉆孔內水位較低，更接近井下觀測孔水位。

4.3 注漿效果

注漿嚴格按照設計要求實施，分段下行對太灰及破碎帶進行注漿，遇漏失段提鉆注漿，確保對太灰段裂隙全覆蓋注漿加固。

施工階段，累計注漿15次，注水泥23 802.90 t，終孔壓力3.0～4.2 MPa，最大達6.0 MPa，對太灰含水層溶隙裂隙以及斷層破碎帶進行了有效充填。

注2孔注漿量較小，注1孔注漿量較大，反映出區域內溶隙裂隙發育不均一的特征。從分段注漿情況看，太灰中1灰至4灰及破碎帶注漿量達22 294.50 t，說明富水性中等以上，吃漿量大。

①單位注漿量。經統計計算，平均單位長度注漿量39.56 t/m，平均單位治理面積注漿量1.52 t/m2，說明治理區域太灰溶隙裂隙較發育，斷層帶原始充填膠結較差。

②注漿擴散距離。根據注漿前壓水試驗成果，該區域無論是太灰還是斷層帶溶隙裂隙均較發育。注1孔注漿量大，以充填溶隙裂隙為主，擴散距離較遠，經分析可達70～80 m；而注2孔施工較晚，擴散距離受注1孔注漿影響，擴散距離相對較近。

4.4 水位觀測成果

地面注漿堵水工程施工階段，持續對太灰孔14-觀1、15-觀3和奧灰孔15-觀2水位進行觀測。

注漿期間，太灰觀測孔14-觀1、15-觀3的水位變化趨勢為初期回升、治理期間波動、治理后下降；奧灰觀測孔15-觀2水位呈現初期下降、治理期間回升、治理后穩定的趨勢，太灰與奧灰水位兩者間聯動性較好(表4)。

表4 注漿期間灰巖水位觀測統計

2016年12月9日以后漿液密度調整為1.6 g/cm3，注水泥量逐漸增加，最大達605 t/d，12月18日開始，太灰水位出現快速下降，最大日降幅6.18 m(12月21日)，并呈逐漸遞減趨勢；12月29日，注2孔注漿處理塌孔，太灰水位回升，出現波動。截至2017年2月20日，14觀1太灰水位從回升最高點-107.43 m下降至-150.23 m，累計下降了42.8 m，奧灰觀測孔水位穩定在+6m左右。

5 結論

工程自2016年6月28日開始至2017年1月24日結束，歷時205 d，共完成2個注漿孔，鉆探進尺681.76 m，累計注水泥23802.90 t，注漿孔口終壓3.0～4.2 MPa，單孔結束單位吸水率小于0.01L/MPa·m·min，達到了設計要求。

①注1、注2兩孔揭露的斷層破碎帶，進一步驗證15-觀2揭露的斷層破碎帶分布特征，斷層落差24～32 m，分析其為太灰、奧灰水力聯系通道。

2鉆探過程中，鉆井液在“四含”段無明顯漏失，在太灰及奧灰段漏失明顯，根據壓(注)水試驗成果，“四含”屬弱富水性含水層；太灰、奧灰溶隙裂隙較發育，富水性中等-強。

③注漿前太灰與奧灰之間水力聯系密切，奧灰對太灰直接補給。注漿后，太灰段溶隙裂隙及破碎帶得到充分加固，太灰與奧灰間直接水力聯系被切斷，奧灰對太灰補給關系由直接補給變為間接越流補給。

④從注漿材料消耗情況分析，注1孔注漿量大，擴散距離較遠，注漿中起壓緩慢，鉆孔附近形成注漿體較大；注2孔注漿量相對較小，注漿中起壓較快，擴散距離相對較近。

⑤采用下行分段注漿，分段達到注漿標準，單液水泥漿密度控制在1.5～1.6 g/cm3，形成結石體水解可能性不大，注漿堵水效果可長期有效。

⑥注漿治理后，奧灰水位趨于平穩，太灰水位在井下放水量不變的情況下逐日下降并接近原水位，2017年1月21日至1月26日日降幅0.45 m，1月26日12時水位已降至標高-158.08 m。

⑦生產中應加強對太灰與奧灰水位、井下放水量觀測和井下放水水質測試，確定合理放水量，穩定太灰水位，確保奧灰與太灰水位差在安全范圍內。

本次注漿雖有效封堵了太灰奧灰水力聯系通道，但隨著井下放水時間延續，奧灰與太灰間水位差逐漸增大，注漿體承壓不斷增加，加之奧灰與太灰間可能有其它薄弱區域存在，不排除再次導通的可能。

[1]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局．煤礦防治水規定[M].北京：煤炭工業出版社，2009.

[2]國家煤礦安全監察局．煤礦防治水規定釋義[M].江蘇徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[3] 柴登榜．礦井地質工作手冊[M].北京：煤炭工業出版社，1986.

[4]姚多喜，魯海峰．安徽省煤礦水文地質及水害防治技術[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2016.

[5] 虎維岳．礦山水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[6] 武強．煤礦防治水手冊[M].北京：煤炭工業出版社， 2013.

[7] 張正浩．煤礦水害防治技術[M].北京：煤炭工業出版社，2010.

[8] 桂和榮，陳陸望．礦區地下水水文地球化學演化與識別[M].北京：地質出版社，2007.

[9] 王大設．孫疃煤礦1028工作面底板灰巖突水原因分析與認識[J]，安徽建筑工業學院學報，2010，(6).

[10] 朱傳峰．孫疃煤礦10煤層底板灰巖水富水性特點與防治對策[J]，安徽煤炭，2011.

[11]孫疃煤礦.孫疃煤礦生產地質報告[R].安徽淮北：孫疃煤礦，2016.

[12]孫疃煤礦.孫疃煤礦礦井水文地質類型劃分報告[R].安徽淮北：孫疃煤礦，2016.

Limestone Water Recharge Channel Analysis and Plugging Practice in Suntuan Coalmine

Cai Xuebin1, Wang Dashe2and Zhu Chuanfeng2

(1. The Third Exploration Team, Anhui Bureau of Coal Geological Exploration, Suzhou, Anhui 234000;2. Huaibei Mining Industry (Group) Co. Ltd., Huaibei, Anhui 235006)

The winning district partitioning in the Suntuan coalmine is mostly taken the major fault as the boundary with clear hydrogeological characteristics. The extraction of coal No.10 in the mine area is threatened by the floor Taiyuan Formation limestone water. The Taiyuan Formation limestone aquifer has characteristics of high confining pressure, weak water yield property and inhomogeneity. In allusion to the features, the regional draining control measures have been mainly adopted in extraction of coal No.10. During the initial drainage in the winning district No.101, the Taiyuan limestone water level has been dramatically dropped, but risen soon afterwards, cumulative recovery over 50m within 100 days. Based on previous hydrogeological data sorting out, combined with water level, water quality variation, analyzed Taiyuan limestone water level rising causation. The study has considered that the Ordovician limestone water has taken part in recharge, and the channel is near the shallow part coal seam outcrop, accordingly carried out the channel plugging. During the grouting plugging, the water level variation in Ordovician limestone water observation boreholes Nos.14-G1, 15-G3 has a trend of initially rising up, fluctuation during the control, then lowering down after control; water level in observation borehole No.15-G2 has a trend of initially lowering down, rising up during the control, then stabilizing after control. Those have explained the good linkage between Taiyuan limestone and Ordovician limestone water levels, and control effect is apparent, thus ensured drainage results.

regional drainage; water level rising up; recharge channel; limestone aquifer; grouting plugging

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.09

1674-1803(2017)06-0048-07

蔡學斌(1968—)， 男， 漢族，安徽無為人 ，高級工程師 ，從事地質及礦井水文地質工作。

2017-03-28

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責任編輯：樊小舟