亭南煤矿【仙亭煤矿“突水危险区”治理技术探讨】

　　[摘要]原上京矿务局后洋井+500m运输大巷(仙亭煤矿五采区运输大巷延伸)于1991年发生突水事故，经专家论证突水点及其周边列为“突水危险区”。本文通过对“突水危险区”的突水机理、突水通道进行分析，提出了治理方案，以实现安全开采“突水危险区”压覆煤炭资源的目的
　　[关键词]煤炭资源　水文地质　突水防治
　　
　　0　概况
　　
　　原上京矿务局后洋井于1991年6月在施工过程中发生最大涌水量达423.7m3/h的突水事件，1997年原省煤炭工业总公司立项对该区的水文地质条件进行调查并形成如下意见：后洋井+500m运输大巷突水水源为栖霞组灰岩岩溶裂隙承压水，突水通道可能为导水断层或封孔质量不好的钻孔，并决定以ZK56与ZK84连线为界，连线以西划为安全开采区，连线以东划为突水危险区。
　　2005年仙亭煤矿进行资源储量核实工作，把ZK56与ZK84钻孔连线以东(突水危险区)的资源储量定型为2522，并通过福建省国土资源评估中心评审，评审意见：“突水危险区内所占资源量(2S22)2048.9万吨，其中仙亭煤矿259.7万吨，后畲煤矿1129.9万吨(后畲煤矿现已并入仙亭煤矿，作者注)，矿界外623.3万吨，今后能否开发利用，何时开发利用需要经专门论证，论证之前不得随意开发，以防发生意外。”由于该突水危险区压覆煤炭资源量(2$22)达1389.6万吨。造成矿井采区接替紧张。能否对其进行有效治理，解放“突水危险区”压覆的煤炭资源，成为仙亭煤矿稳产、扩能的关键。
　　
　　1　仙亭煤矿水文地质条件
　　
　　1.1　大气降水
　　从矿坑涌水量曲线与降水量曲线的关系分析，二者基本趋于一致，大气降水是地下水的主要补给来源，是矿坑的主要充水因素。
　　
　　1.2　主要含水层及富水性
　　1.2.1　二迭系下统童子岩组细砂岩裂隙承压含水层
　　仙亭煤矿的含煤地层是二迭系下统童子岩组地层。该地层为海陆交互相沉积，其中童子岩组二段为浅海相泥岩，属良好的隔水层；一、三段的细砂岩为裂隙承压含水层，占童子岩三段和一段地层20％左右，主要有4层，厚度变化大，一般在30m以下，呈透镜状，处在不同的构造部位裂隙发育不均匀，后生的石英脉充填程度不同，富水性随着变化，一般极弱～弱，局部中等。
　　1.2.2　二迭系下统栖霞组灰岩岩溶裂隙承压含水层
　　栖霞组灰岩属不均匀裂隙～岩溶承压含水层，富水性不均匀，富水性中等～不含水，局部富水性较强，一般浅强深弱。
　　
　　1.3　断层导水性
　　矿井断距大于30m的断层只有F3、F5、F7、F8、F16等五条断层。据《上京井田精查地质报告》，存在突水危险的块段赋存的断层有F3、F8断层。F3断层钻孔有控制点72个，井巷工程有控制点35个，其中极弱导水点27个，其余不导水；F8断层钻孔有控制点4个，井巷工程有控制点3个，均不导水。据目前探明的情况，该矿井无导水断层。
　　
　　1.4　老窑积水
　　仙亭煤矿地表浅部地层有部分的老窑分布，老窑存在一定量的积水。
　　
　　2　后洋+500m运输大巷突水机理及通道分析
　　
　　要有效地对“突水危险区”实施治理，首要技术工作是正确分析出突水水源及通道。
　　2.1　突水水源
　　突水点的水质化验分析结果，属HCO3-Ca2+型水质。由于突水点上部无灰岩地层存在，因此，笔者认为：突水水源来自矿区深部栖霞组灰岩岩溶裂隙承压水。
　　
　　2.2　突水通道
　　2.2.1　栖霞组灰岩含水层上伏地层文笔山组地层，呈整合接触；文笔山组地层之上为童子组地层，呈断层接触关系。文笔山组地层为浅海相沉积，岩性以泥质岩、细粉砂岩为主，岩性完整、裂隙不发育，本区赋存厚度70～100m，是较稳定的隔水层。
　　2.2.2　如前所述，矿井的5个主要断层均为不导水断层。
　　2.2.3　据《上京井田精查地质报告》，突水危险块段500m范围内施工的钻孔有11个，除老ZK3钻孔因测井时钻具掉在孔内，扫孔困难放弃处理未进行封孔外，其余钻孔封孔质量基本可靠。
　　2.2.4　后洋+500m运输大巷突水段位于25号煤层底板～26号煤层底板细砂岩地层中，细砂岩裂隙异常发育，裂隙带宽度有十几厘米。
　　2.2.5　突水的特征表现为：初期见少量气泡，并伴有较浓的铁腥味与臭鸡蛋味，化验结果显示SO2+4、Fe2+含量高，后来突水量猛增后，水质变为HCO3-Ca2+型。该井田地层不含铁矿，突水初期水质中高含量Fe2+离子应是老ZK3钻孔里钻具腐蚀所释放出来的。
　　综合上述分析认为，后洋+500m运输大巷突水通道是：栖霞灰岩水通过老ZK3钻孔，再由25号煤层底板～26号煤层底板细砂岩裂隙带导人后洋+500m运输大巷。
　　
　　3　“突水危险区”治理方案
　　
　　对“水”治理而言，无非两种方式：“疏”和“堵”。对于有限的水源可以采用“疏”，对源源不尽的水源则应采取“堵”。堵，是堵住突水的源头通道，截断水源。因此，只要将老ZK3钻孔这突水的源头通道进行有效的封堵，后洋+500m运输大巷突水便可得以治理。钻孔的封堵，通常的方法有二种：帷幕注浆和扫孔封孔。
　　
　　3.1　帷幕注浆
　　帷幕注浆是将水泥浆或化学浆通过管道压入井下岩层空隙、裂隙或巷道中，使其扩散、凝固和硬化，从而使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源的作用。其效果与岩石的固结性和渗透性有着直接的关系。对于围岩致密、裂隙不发育区域，由于水泥浆或化学浆渗透性差，钻孔封闭质量可能无法满足要求。同时也仅封闭了注浆点的一个孔段。
　　在高压富水区常采用超前深孔帷幕注浆方式，超前钻孔深度一般要求在30m之内，最大不超过50m，即在注浆目标点外围50m以内必须有可实施注浆的注浆硐室。
　　
　　3.2　扫孔与封孔
　　扫孔是利用钻具清除原有老钻孔内的淤塞物，修复原有钻孔的目的。修复钻孔后实施封孔即可达到止水的目的，可根据需要实施全孔封闭或部分孔段封闭。
　　井下扫孔、封孔一般应满足的条件：①井巷工程通过钻孔位置：②满足钻机施工的场地；③钻孔不受采掘工程的破坏；④在高压富水区域的，扫孔的位置标 高还必须高于富水区的水头标高。
　　
　　3.3　治理方案选择
　　老ZK3钻孔可采煤层最低赋存标高为+380m，钻孔封孔的标高必须要低于+380m，方能确保+380m以上水平的安全开采。
　　3.3.1　帷幕注浆
　　目前仙亭煤矿除+500m运输大巷进入“突水危险区”区域外，其余井巷工程均无进入该区域，必须在高压富水区域内施工建设实施帷幕注浆技术所要求的硐室，其掘进施工安全、矿井生产安全难以保证。另外，钻孔附近的围岩稳定性好、裂隙不发育，水泥浆难以注入老ZK3钻孔，存在无法达到预期效果的风险。
　　3.3.2　扫孔与封孔
　　柯坑煤矿三采区+660m水平18号煤层石门距离老ZK3钻孔仅40m，高于矿井稳定水位标高23m，其下部均未进行开采，对钻孔尚未造成破坏，施工治理工程安全上可以得到保证，具备通过井下揭露钻孔通过位置进行扫孔和重新封孔的条件。
　　综上所述，扫孔封孔具有可不在“突水危险区”范围内作业的优越性，对本工程而言，采用扫孔封孔技术比帷幕注浆技术还具有安全可靠、节约投资的优点。由于老ZK3钻孔在+720m以上已被小煤矿开采破坏，通过地表孔口扫孔不具施工条件，而目前井下实施钻探技术已得到广泛应用。因此，可将实施扫孔封孔的作业地点布置在井下。
　　
　　4　治理的技术关键
　　
　　4.1　扫孔标高的确定
　　根据井下、地面栖霞灰岩水稳定水位的观测资料表明，目前矿井栖霞灰岩水的稳定水位标高为+637m，由于老ZK3钻孔与栖霞灰岩水存在水力联系，实施扫孔的位置应高于+637m的标高，否则，一旦地下水涌出，将影响治理工程的实施，同时也增加矿井的排水负担；因此，扫孔的标高应确定于+637m～+720m之间。在柯坑煤矿三采区+660m水平18#石门迎头距离该钻孔仅40m，施工工程量少，是实施本次水害治理的理想地点。
　　
　　4.2　钻孔轨迹计算
　　该钻孔于1976年施工，钻孔弯曲度大，因此，必须准确计算出钻孔的轨迹，尤其是钻孔在+660m标高准确的坐标，才能在井下顺利地寻找到钻孔位置。
　　
　　4.3　水文地质的相关试验
　　4.3.1　水位观测试验：(1)在扫孔阶段，观测钻孔内的水位变化，如钻孔内的水位稳定在与栖霞灰岩水的稳定水位标高+637m相一致：可初步确定老ZK3钻孔与栖霞灰岩水发生水力联系。(2)扫孔结束时，对钻孔进行抽水试验，观测钻孔内的水位变化，如钻孔内的水位能稳定在+637m附近，可确定老ZK3钻孔与栖霞灰岩水发生水力联系。(3)扫孔结束时，对钻孔进行注水，并同时开启突水点挡水墙的闸阀放出与注水等流量的水，观测钻孔内的水位变化，假如钻孔内的水位能稳定在+637m附近，可初步认定老ZK3钻孔是后洋+500m运输大巷突水的源头通道。
　　4.3.2　水质化验：扫孔结束时，对钻孔进行注水的同时，抽取在突水点挡水墙闸阀放出的水进行化验。假如水质HCO3-Ca2+型弱化不明显，可证实后洋+500m运输大巷突水的水源是栖霞灰岩水。
　　4.4　封孔质量：封孔必须采用高标号水泥并进行全孔封闭，施工过程应严格把关，确保封孔质量。
　　
　　5　结束话
　　
　　在许多地下开采矿山存在着“水害”威胁，许多矿藏在“水害”隐患的威胁下，无法得到开发利用，造成国家资源的巨大浪费。开展地下开采矿山“水害”治理是采矿技术研究永恒的课题。本文提出的仙亭煤矿后洋+500m运输大巷“突水危险区”的治理方案有待相关单位实践检验，只愿作为一块砖抛出，引来无数的玉。
　　
　　(编辑　陈志华)