综合防治水措施在3306中巷过断层时的应用Word格式.docx

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②太原群（C3）

本区含煤岩系之一，为海陆交互相沉积。

由浅灰色细、中粒砂岩，深灰及黑灰色泥岩、砂质泥岩、石灰岩和煤层组成的一套地层。

砂质泥岩中含植物化石，夹黄铁矿及菱铁质结核。

石灰岩一般发育九层，编号由C3L1～C3L9。

其中C3L2、C3L8全区发育，为良好的标志层。

C3L5、C3L7次之。

其余不稳定。

C3L3直接底板为黑色浅海相钙质泥岩。

富含腕足类化石。

C3L9局部相变成菱铁质泥岩。

本群共含煤10层。

底部的一11煤、一21煤、一22煤组成一煤组。

太原群厚度为115.74米，与下伏本溪组地层呈整合接触。

（3）二迭系（P）

①山西组（P1sh）

本组系由砂岩，砂质泥岩，泥岩及煤层组成。

砂岩为细－－粗粒结构，灰发褐色，上部发绿色。

矿物成份以石英、长石为主，含暗色矿物及白云母，少量黑色矿物及棕云母，夹黑色泥岩包裹体，胶结物以钙质为主。

砂质泥岩和泥岩颜色自上而下逐步加深，上部银灰色夹紫斑，富铝质，具鲕状结构，自上而下鲕状逐渐变小，颜色加深，下部含铁质结核，局部含植物化石。

共含煤四层（二1、二2、二3、二4）；

仅底部二1煤（大煤）可采，地层平均厚度111.26米，与下伏太原群地层呈整合接触。

②下石盒子组（P21）

由砂岩、砂质泥岩和泥岩组成。

砂岩灰发绿色，细中粒。

矿物成份以石英、长石为主，含褐色、黑色矿物、棕云母，少量绿色矿物，夹泥岩及包裹体，钙质胶结。

砂质泥岩和泥岩呈灰绿夹紫斑，局部深灰色，具鲕状结构，夹铁质结核，局部含植物化石，其地层厚度平均80.22米，与下伏地层呈整合接触。

③上石盒子组（P12）

砂岩，中粗粒，局部细粒，下部夹薄层含砾粗砂岩，上部以灰色为主，下部灰白色灰绿色，矿物成份以石英为主，长石次之，含红色，暗色矿物及绿泥石，含少量泥岩包裹体和石英小砾岩。

硅质胶结为主。

砂质泥岩和泥岩，灰绿色，灰绿夹紫斑，含少量浅色鲕，夹铁质结核，局部含铝质及植物化石，与下伏下石盒子组地层整合接触。

矿区内厚约500米，补勘区内揭露厚度285.64米。

（4）新第三系上统鹤壁组（N）

以黄色为主，由杂色粘土，粘土夹卵石和灰色砾岩所组成，粘土中含钙质结核。

卵石及砾石成份主要为奥陶系石灰岩，其次为石英，二迭系砂岩，含少量燧石。

厚度112.95～288.60米，平均201.87米。

由西向东增厚，不整合于古生代地层之上。

（5）第四系（Q）

地表第四系广泛覆盖，岩性主要为褐黄色黄土，其次亚粘土，含钙质结核，下部为硬石层。

厚度0～27.90米，平均厚度为11.57米，不整合于下伏地层之上。

2、地质构造概况

3306中巷掘进工作面所处的三水平延伸采区整体构造形态为一单一向斜构造，向斜两翼被较大断层切割形成自然边界。

北部为Ｆ20断层，该断层倾角70°

，Ｈ＝75～110米；

南部为Ｆ40-1断层，倾角40°

～49°

，Ｈ＝140～200米。

根据上部水平开采经验，大断层两侧小断层非常发育，另外采区北翼上部F20-1断层∠70°

H=90m在-470等高线与F20断层相交。

采区北翼上部有ⅢF63∠70°

H=8m；

采区南翼有ⅢF91∠60°

H=8m；

ⅡF01断层∠56°

H=8m，以上三条断层走向均为NE向，将影响工作面划分。

其它构造由于现钻孔控制不严，又无井巷工程，有待于掘进过程进一步查明。

（二）3306中巷掘进工作面地质概况

3306中巷掘进工作面就布置在太原群（C3）的C3L8石灰岩和二迭系（P）的二1煤层之间。

该巷道大部分设计在二1煤层下10～15m之间，根据地面钻孔资料，五矿三水平下山采区北翼二1煤层距C3L8灰岩含水层为30m。

巷道设计层位在S9砂岩层中及以下砂质泥岩和泥岩层位中，由于ⅢF63∠70°

H=8m正断层的影响。

通过对过断层前的超前钻探资料分析,在断层下盘位置，巷底距C3L8灰岩最小间距为2.5m，巷顶距二1煤层底板间距为21m。

在过断层后进入断层上盘位置，巷底距C3L8灰岩含水层间距为19m；

巷顶距二1煤层底板间距为8.2m（按20°

的煤、岩层倾角计算，巷顶与煤层最小法线距为7.7m），需严格执行“边探边掘”措施，确保最小法线距不小于5m。

（见附图2）

附图2:

3306中巷距5823点前43m位置超前地质钻实钻图

四、水文地质概况

（一）三水平延伸采区水文地质概况

根据钻孔简易水文地质和井下水文地质观测资料，井下主要含水层有奥陶系中统马家沟组灰岩含水层，太原群二层灰岩含水层，太原群八层灰岩含水层，二1煤顶底板砂岩Ｓ9、Ｓ10含水层及第四系砂砾岩含水层。

各含水层之间有粘土岩及碎屑岩组成相对的隔水层。

影响采掘活动的主要为Ｏ2、C3Ｌ2、C3Ｌ8、及Ｓ9、Ｓ10含水层，现分述如下：

１、含水层

（1）奥陶系中统马家沟组碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层（Ｏ2）

其总厚度约400m，岩性为厚层状，巨厚层状石灰岩及白云质灰岩，岩溶裂隙发育，含丰富的岩溶裂隙承压水，是本区的主要含水层之一。

该层距二1煤平均间距157.71m，水位标高＋120.209～＋143.859m，年变幅为8.33米（2009年），矿井最大突水量13507m3／h（井田南部马庄矿，1985年5月16日），据邻区六矿抽水资料，单位涌水量q=0.600公升／秒米，渗透系数k=0.3883米／日，水质属Hco3─ca2++mg2+型，总矿化度Ｍ＝0.399克／升，ＰＨ＝7.3。

奥陶系灰岩广泛出露于井田西部，直接受大气降水的补给，形成丰富的地下水，由西向东流入矿区，以岩溶泉的形式集中排泄区外。

在区内则通过断层直接或间接补给Ｃ3Ｌ2、Ｃ3Ｌ8灰岩和二1煤顶底板砂岩（Ｓ9、Ｓ10）含水层，构成对矿井的严重威胁。

特别是－450m以下水平，南侧为Ｆ40-1断层，落差140～200米，造成Ｏ2含水层与二1煤对接或接近，严重威胁矿井安全。

只有留设足够的防水煤柱才能保证矿井安全。

（2）太原群第二层碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层（Ｃ3Ｌ2）

C3L2灰岩在本区内发育良好，分布较稳定，厚度4.19～10.24米，平均厚度8.02m，岩溶裂隙发育，含岩溶裂隙承压水。

该含水层距二1煤层间距106.59～117.90m，平均间距110.76m，距Ｏ2灰岩平均距离38.66m，距C3L8灰岩平均距离80.75米。

矿井上部水平生产过程中还未发现该含水层直接向煤层充水现象，但由于Ｆ40、Ｆ41的切割可与Ｏ2灰岩对接发生水力联系，如2005年8月2105煤柱在ⅡF30断层上盘揭露断层面导致C3L2灰岩出水，现稳定在50m3/h，特别是五矿深部水平南侧Ｆ40-1断层落差140～200米，致使该含水层与二1煤层对接，严重影响矿井生产安全，为此开采过程中必须留设足够的断层防水煤柱，以防该含水层直接向矿井充水，造成水害隐患。

（3）太原群第八层碳酸盐岩岩溶裂隙含水层（C3L8）

C3L8灰岩在区内发育良好，分布稳定，厚度3.92-5.23m，平均

4.35m，岩溶裂隙较为发育，含岩溶裂隙承压水。

该含水层距二1煤层间距26.20～39.71m，平均32.9m，并且有西北向东南逐渐缩短的趋势。

该含水层是开采二1的直接充水含水层，因受矿界Ｆ40、Ｆ41等断层的影响与C3L2、Ｏ2灰岩含水层发生水力联系而得到较大水量的补给，呈现水量较大，不易疏干的含水特征，从而构成对二1煤开采的主要威胁。

C3L8含水层在矿井开采过程中曾多次发生突水，最大突水量1210m3／h。

我矿在开采过程中为了保证生产安全，在二水平大巷，三水平南大巷和-520南大巷对该含水层进行了长期疏放，该含水层南翼水位已基本降至-500m，北翼水位在本次疏放前已降至-520m。

在-520m以下水平开采过程中应进一步对其进行疏放，保证矿井生产安全。

（4）二1煤顶底板（Ｓ9、S10）碎屑岩孔隙、裂隙含水层。

该含水岩组中，由中粒砂岩Ｓ9、Ｓ10所组成，发育较好，属二1煤直接顶底板含水层，含孔隙裂隙水。

顶板砂岩Ｓ10中粒为主，局部粗粒，平均厚度9.1米。

该含水层含水量不大，较易疏干，一般情况下在单元采空区初次放顶后溃入工作面，或掘进巷道时揭露破碎带或裂隙溃入井巷。

在采掘过程中一般表现为淋水，但个别情况也有突水现象，如二水平回风下山见破碎顶板砂岩突水，最大出水量80m3／h。

二1煤底板Ｓ9砂岩孔隙含水层厚度7.95m，含水量不大，正常涌水量3～5m3／小时，但若遇断层，局部得到灰岩含水层的补给时，涌水量会相对增大，持续时间较长。

2、隔水层

（1）本溪组隔水层（Ｃ2）

由铝土质泥岩，砂质泥岩组成，平均厚度29.39m，该层较厚且稳定，是阻隔Ｏ2灰岩水与上部含水层联系的良好隔水层。

（2）太原群中部隔水层

该层位于Ｃ3Ｌ2与Ｃ3Ｌ8含水层之间，由泥岩、砂质泥岩、薄层灰岩、薄煤层组成，厚度约70m，其中厚而较稳定的泥岩、砂质泥岩对阻隔Ｃ3Ｌ2与Ｃ3Ｌ8之间的水力联系起重要作用。

（3）二1煤底板隔水层

由Ｃ3Ｌ8灰岩至Ｓ9砂岩间的泥岩、砂质泥岩组成，厚约25m，阻隔Ｃ3Ｌ8灰岩水向Ｓ9砂岩及二1煤充水起一定的阻水作用。

（4）二1煤顶隔水层

由Ｓ10顶面至第三、四系含水层间的泥岩、砂质泥岩、砂岩组成，厚300多米，对防止第三、四系含水层之孔隙裂隙水向矿井充水起到良好的隔水作用。

3、各含水层之间的水力联系

各含水层间具有相对稳定的隔水层，从历年来五矿已开采区的出水资料看，二1煤顶、底板砂岩出水点，出水持续时间都不长，并能自行疏干。

由此说明若无断层、陷落柱影响，井田范围内各含水层之间无水力联系。

4、三水平延伸采区断层导水性评价

①北部的F20断层，落差75~110m，产状已基本查清，导水性相对较差，钻孔漏失量小，该断层切断了C3L8与外界的水力联系，构成该区域北部相对隔水边界。

按规定留设有断层防隔水煤柱。

②南部的F40-1断层，落差140~200m，产状已基本查清，该断层导水性较好，并形成东南的补给边界，给开采带来较大威胁，按规定留设有防隔水煤柱。

③根据以往五矿的采掘经验，小断层出现一般落差不大于10m，成因主要会是大断层派生、次生、伴生断层，正常情况下，小断层的导水性是微弱的，但在开采过程中，由于矿压及水头压力的作用，存在不导水断层转化为导水的可能。

5、三水平延伸采区充水因素分析

根据井田内突水观测资料，Ｃ3Ｌ8与Ｓ10含水层是开采二１煤的直接充水含水层。

Ｃ3Ｌ8主要通过巷道直接揭露和构造裂隙（断层为主）涌出，突水时，初出水量较大，水压较高，但水量水压衰减很快。

根据上部水平开采过程中Ｃ3Ｌ8出水情况看，南翼水量明显大于北翼，因此显示Ｃ3Ｌ8含水量不均，且随开采深度延深有下部发生出水时，上部出水点被逐渐疏干的特点。

二1煤顶板砂岩水一般则在单元采空区初次放顶后，溃入回采工作面，或井巷工程揭露构造破碎带及裂隙溃入井巷，一般水量不大，且补给量很小，容易疏干。

另外，井下的探放水钻孔，地面封闭不良钻孔，也是Ｃ3Ｌ8和二1煤顶底板砂岩水涌入矿井的直接通道。

Ｏ2灰岩和Ｃ3Ｌ2灰岩水，对煤层有50～60kg／cm3的水头压力，在隔水层的阻隔下，一般不会直接突水溃入矿井，但通过断层则补给Ｃ3Ｌ8与山西组砂岩含水层,或直接向矿井充水（如马庄矿突水）。

因此Ｏ2灰岩含水层是开采二1煤的间接充水含水层。

当沟通其它含水层时，水压高，水量大，特别本区南侧Ｆ40-1断层落差140～200米，致使二1煤层与Ｏ2、Ｃ3Ｌ2灰岩含水层对接，是向二1煤充水的重要通道。

北部Ｆ20断层-450m以下控制不严，落差也较大，原属隔水边界，但采动后由于断层带受矿压破坏，亦能成为导水断层。

6、三水平延伸采区总涌水量的预计

本次矿井涌水量的预计为三水平延伸采区二1煤层顶底板砂岩和Ｃ3Ｌ8灰岩直接充水含水层对矿井的充水量。

计算范围：

三水平延伸采区（-450m至二1煤底板－600m）。

边界条件：

-450m上部为采空区或三水平预留的煤柱，大部顶板已冒落，属于弱补给边界。

南部Ｆ40-1断层属强补给边界；

北部Ｆ20断层弱补给边界；

下部-520米等高线，无限边界。

计算方法选取：

鉴于-450m～-600m水平水文地质工作量不足，现只根据矿井开采资料，采用稳定流为基础的单位降深涌水量比拟法。

（１）二1煤底板砂岩涌水量

①公式选用：

Ｑ＝Ｑ0×

Ｓ／Ｓ0

②参数确定：

Ｑ0＝27m3／h（二1煤顶底板砂岩正常涌水量）

Ｓ0＝-450m（三水平下山采区开采上限标高）

Ｓ＝-600m（三水平下山采区设计下限标高）

③计算结果：

Ｑ＝27×

600／450＝36.0m3／h

（２）Ｃ3Ｌ8灰岩含水层涌水量

Ｑ＝Ｑ0×

Ｑ0＝80m3／h（Ｃ3Ｌ8灰岩正常涌水量）

Ｓ0＝－450m（三水平下山采区开采上限标高）

Ｓ＝-600m（三水平下山采区开采下限标高）

Ｑ＝80×

600／450＝106.67m3／h

（３）Ｑ＝106.67+36.0=142.7m3／h

预计三水平延伸采区正常涌水量为142.7m3／h。

（二）3306中巷掘进工作面水文地质概况

1、巷道与C3L8灰岩含水层和断层的关系

通过对过断层前的超前钻探资料分析,在断层下盘位置，巷底距C3L8灰岩含水层最小间距为2.5m，需执行探放水措施。

在ⅢF63断层位置，3306中巷掘进工作面上与二1煤层较近，这也是在过断层前不能靠改变巷道掘进方位远离C3L8灰岩含水层的主要原因。

2、过ⅢF63断层突水危险性预测

为保证下山采区开拓巷道施工的安全，自2007年开始对三水平延深下山采区C3L8灰岩含水层进行疏水降压工作，经过几年的疏放水工作，延深下山采区北翼C3L8灰岩含水层水位已降至-520m（南翼C3L8水位已降至-500m）。

预计3306中巷掘进工作面底板承受水压为0.4MPa。

3306中巷推进至ⅢF63断层附近时，根据上部工作面及超前钻探资料分析，ⅢF63断层落差为8m，巷道底板与C3L8灰岩含水层之间的隔水层厚度只有2.5m。

ⅢF63断层虽为不导水断层，但巷道底板会因掘进爆破和应力变化而破坏，同时由于水压较大，如不提前探放，预计会发生底板突水事故。

依据《煤矿防治水规定》，底板受构造破坏块段突水系数取0.06MPa/m。

突水系数计算公式：

T=P/M；

式中T—突水系数，MPa/m；

P—底板隔水层承受的水头压力，MPa；

M—底板隔水层厚度，m。

底板隔水层承受的水头压力P为0.4MPa，底板隔水层厚度M为2.5m。

通过计算过断层位置底板突水系数为0.16MPa/m，远大于0.06MPa/m。

另外，根据上部的3304工作面上、下顺槽实际揭露情况，ⅢF63断层实际上由一连串成阶梯状的小断层组成，断层破碎带宽度10~20m，不排除断层破碎带的裂隙除了导水，亦有静态储水的可能，若直接揭露，会在短时间内大量储水涌出，造成突水事故。

经综合分析论证后决定，为了保证巷道掘进安全，提前对3306中巷进行探水作业。

五、优化钻探设计

根据3304上、下顺槽实际揭露的情况，ⅢF63断层本为不导水断层（受掘进活动影响和应力变化后，断层才会活化），若直接钻探断层，不一定能达到预期效果。

因此，本次探水设计的探放水钻孔，抛弃“头痛医头、脚痛医脚”的观念。

两个钻孔均钻探断层位置的C3L8灰岩含水层，2号孔先穿透C3L8灰岩含水层而后才穿断层，而并非直接钻探断层。

同时，直接钻探断层位置的C3L8灰岩含水层，两个钻孔累计工程量只有70.5m,在保证探水效果的前提下减少了钻探工程量。

（见附图3）

附图33306中巷探放断层水钻孔实钻图

由于三水平延伸采区北翼的C3L8灰岩含水层水位已疏放到-520m,预计在3306中巷位置水压为0.4MPa，按《煤矿安全规程》和《煤矿防治水规定》中“大于0.1MPa的探水作业必须安设孔口管”的规定，本次探水作业设计并施工有孔口装置，用来控制钻孔出水量；

设计有水压表，用来监测水压变化情况。

（见附图4）

附图43306中巷探放断层水钻孔孔口装置图

六、“防、堵、疏、排”综合防治水措施

1、“疏”----积极疏放是本次治水成功的关键

钻探出水的水样分析结果为：

以C3L8灰岩水为主，同时含有二1煤顶、底板砂岩水的成分。

经钻孔疏放，1周后，3306掘进工作面水压由0.4MPa已降低到0.05MPa，钻孔出水量亦由16.6m³

/h降低到6m³

/h。

通过对五矿水文地质资料、出水化验报告的分析以及探水钻孔水量和水压衰减较快现象的论证，xxx防治水评价小组一致通过：

三水平延伸采区北翼的C3L8灰岩水和二1煤顶底板砂岩水以消耗净储量为主，较易疏干，应以积极疏放为主。

通过巷道拉底前的疏放，3306掘进工作面底板承受的C3L8灰岩水水压由0.4MPa已降低到接近0，钻孔出水量由16.6m³

/h降低到3m³

2、“排”----稳定可靠的排水系统是保障

（1）增强排水系统

3306掘进工作面的涌水顺水沟流至三水平延伸轨道底，排水系统设在三水平延伸轨道底，排水路线：

由三水平延伸轨道底水泵排到-520m水仓，由-520m泵房水泵排到三水平水仓，由三水平泵房水泵排到一水平水仓，由一水平泵房水泵排到地面。

原排水系统有MD50-30×

4水泵三台，运转、备用、检修水泵各一台；

布置Φ150mm×

8mm排水管路一趟。

正常情况下单泵运转，排水能力能达到40m3/h（实测）；

若掘进工作面水量较大，可开双泵，最大排水能力70m3/h（实测）。

本次探放水作业前，3305、3306中巷原涌水量为12m3/h（实测）；

两个探水钻孔初始涌水量为16.6m3/h，利用比拟法计算，若3306中巷掘进工作面不提前疏放而直接揭露断层，3306中巷掘进工作面底板突水量加上原涌水量可达100m3/h。

针对上述情况，同时还由于探放水钻孔涌水量和水压衰减较快，显示出能够被逐渐疏干的趋势，xxx防治水领导小组研究决定：

在原排水系统的基础上，新增22kw潜水泵两台，Φ150mm×

8mm排水管路一趟，排水到-520m水仓，新增排水能力50m3/h，可满足安全生产需要。

过断层期间，-520m水仓、三水平水仓、一水平水仓严格执行空仓50%的要求。

（2）整修、清挖排水沟

针对3306及三水平延伸三车场受压较大，局部水沟变形严重的状况，组织岩巷队整理、清挖水沟，并尽量把水沟修到耙岩机附近位置，保证排水畅通。

3、“防”----改变施工工艺，增大底板厚度，降低底板突水系数

3306掘进工作面经过放水施工，推进到断层破碎带位置前，C3L8灰岩水的压力由0.4MPa降到0.05MPa，达到了允许掘进的条件，经防治水评价小组进行认真论证，决定进行掘进作业。

为了进一步确保施工安全，我矿岩巷队队长孙永生提出了利用岩巷施工工艺，增厚底板的方案。

即利用3306巷道设计断面大的特点,在掘进过断层段使用正台阶法掘进，掘进时留设巷道设计断面的下部1m厚岩层，待水压降到接近0时再进行拉底作业。

采用此工艺，掘进巷道上部期间，底板隔水层厚度由2.5m增加到了3.5m，减小了底板突水系数。

（见附图5）

附图5正台阶法掘进减小底板突水系数示意图

除此以外，采用掘进施工期间采用缩短爆破循环进尺，减少装药量的措施，尽量减少对断层位置巷底下面的含水层（包括对巷顶上面的煤层）的扰动影响。

4、“堵”----预备方案，防患于未然

注浆堵水作业是本次防治水工程的一项预备方案。

（1）帷幕注浆

探水后若水压很难降下且涌水量较大，以帷幕注浆作为预备方案。

所谓帷幕注浆即利用注浆泵将单液浆（水泥浆）和双液浆（水泥浆和水玻璃）按设计的浓度通过预先设计、具有合理孔距的注浆钻孔，压送到正前的ⅢF63断层及C3L8灰岩层中，填补裂缝或孔隙，使各孔中注浆体相互搭接以形成一道类似帷幕的圆环状混凝土防渗墙，以此截断水流，从而达到堵水的目的（附图6）。

附图6帷幕注浆示意图

注浆孔的间距和数量根据浆液扩散半径来确定，浆液扩散半径根据裂隙发育程度和注浆压力来确定，注浆压力一般根据实际水压来确定。

注浆孔使用专门的探水钻机凿孔，预埋孔口管的直径和长度根据实际情况来确定，使用的阀门与孔口管相匹配。

帷幕注浆以单液浆为主，双液浆为辅。

水灰比W：

C取2.0：

1.0～1.0：

1.5

水泥和水玻璃C：

S取1.0：

0.4～1.0：

0.6

水泥选用价格相对较低的32.5级普通硅酸盐水泥

水玻璃取模数：

2.4～2.645Be′

模数：

2.8以上38Be′

为加快单液浆凝固时间，可在单液浆中加入添加剂：

Nacl5‰

注浆压力可根据实际出水压力来确定，终孔压力不能低于1MPa；

注浆终量不大于10L/min，持续时间不少于20min。

注浆量可根据含水岩层的裂隙发育程度，和注浆过程中的压力变化来确定。

帷幕注浆必须坚持稀—稠—稀，最后双液的原则，确保注浆效果。

（2）壁后注浆

过完断层后若巷帮有较大的淋水，可以把壁后注浆作为一个预备方案。

可在出水位置埋入小直径的注浆管，然后把分散的水集中起来使其顺管流出；

在注浆管内注入单液浆（水泥浆），最后使用双液浆（水泥浆+水玻璃）封孔。

达到巷帮无明显出水点，无成片渗水现象的目的，为3306中巷掘进工作面的质量标准化工作创造条件。

壁后注浆孔布置可根据实际出水点位置来确定，使用YT-28风动凿岩机凿孔，孔径φ42mm，孔深0.5m，预埋注浆孔口管规格：

φ25mm×

0.55m。

外露不大于50mm，使用水玻璃泥固管。

壁后注浆使用的浆液参数选定可参照帷幕注浆。

注浆