穿八里铺断层施工立眼水文地质情况分析与实践_周恒心.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY aqifer; hydrogeophysical exploration; Jining coal mine No.2 在针对大型断层的导水性研究方面[1]，多数结 论只存在研究层面，济宁二号煤矿穿八里铺断层[2] 立眼的施工，从地质测量、水文地质情况分析及施 工过程控制做了大量而详实的工作，是此类工程施 工控制的一成功案例。 1施工巷道及立眼地质情况分析 工程施工初期，从断层上盘或是下盘施工立眼 的方案选择、八里铺断层的防隔水煤柱线[3]确定等 问题做了大量的研究分析。 1.1回风道地质情况 南翼回风道掘进巷道分为 2 段南翼 1 号回风 道460 m位于井田十采区、 南翼 2 号回风道310 m 位于井田二采区。施工回风立眼 2 个，钻孔深度 136138 m、直径 2.5 m。施工位置关系见图 1。回 风立眼穿八里铺断层层位见图 2。 图 1回风立眼施工平面位置图 Fig.1Plane position of construction of the vertical holes in air return roadway ChaoXing 24煤田地质与勘探第 46 卷 图 2八里铺断层关系对接图 Fig.2Butt joint of Balipu fault a. 南翼 1 号回风道巷道位于 3 煤层合并区域 及煤 3上，煤层最小厚度 2.51 m，最大厚度 9.3 m， 平均 5.9 m。煤 3，黑色，以亮煤为主，暗煤次之， 玻璃光泽，煤层结构复杂，含一层或多层泥岩夹矸， 夹矸厚 0.070.35 m。煤层普氏系数一般在 1.91 左 右，为软中等硬度煤层。煤 3上，黑色，以亮煤为 主，块状为主，夹暗煤条带，玻璃光泽。 b. 南翼2号回风道巷道东端底板标高–560.900m， 西端底板标高–578.348 m，平均–569.6 m。巷道将通 过 FP1落差 013 m、 八里铺断层落差 70270 m 2 条断层，其中穿断层施工距离约 200 m。 1.2回风立眼地层情况分析 a.从八里铺断层上盘施工分析上部标高 –578.348 m， 底部标高为–705.176 m， 高度 126.828 m， 层位由下石盒子组至二叠系山西组。主要含水层为 3 煤顶板砂岩含水层。涌水量分析钻孔做过抽水试验 的有15-11孔， 位于十采临时水仓西北方向330 m位置， 抽水试验单位涌水量[4-6]底板为 0.001 45 L/sm， 涌水量 0.7 m3/h。10-8 孔位于 2307 工作面内，抽水 试验单位涌水量底板为 0.017 53 L/sm，涌水量为 8 m3/h。10-9 孔抽水试验单位涌水量底板为 0.000 469 2 L/sm，涌水量为 0.2 m3/h 。9-5 孔，涌水量为 0.3 m3/h。 综合分析 3 煤顶底板砂岩水做过抽水试验的 钻孔资料，回风立眼最大涌水量为 8 m3/h。 山西组 3 煤层顶底板砂岩成分以石英为主， 长石次之，为粗、中、细粒，硅、泥质胶结，局部 钙质胶结。其中 3上煤层顶板砂岩，最大厚度 43 m， 平均 20.18 m；3下煤层顶板砂岩最大厚度 58.3 m， 平均 21.57 m；3下煤层底板砂岩最大厚度 36.24 m， 平均 12.85 m。Ⅰ1A 区和Ⅰ1B 区 3 煤层顶底板砂岩， 钻孔漏水率仅达 1.13.4， 堵漏比较容易， 裂隙不发 育。9-5 号孔穿过该层不漏水，该孔精查时对 3上、3下 煤层顶底板三层砂岩作混合抽水，水位标高37.52 m， 单位涌水量只达 0.000 623 3 L/sm。10-8 号孔穿过 3下 煤层底板砂岩发现漏水，精查时单层抽水试验，水 位标高35.72 m，单位涌水量虽然比上述 3 层之和 大 27 倍，但也仅达 0.017 53 L/sm，富水性弱。 b.八里铺断层下盘施工分析1 号立眼，上 部标高为–589.446 m，底部标高为–728.200 m，高度 138.754 m；2 号立眼上部标高为–589.446 m，底部 标高为–726.10 m，高度为 136.654 m。钻孔将穿过 太原组第三层石灰岩含水层，有可能揭露太原组第 十下层石灰岩含水层。距离奥陶系石灰岩含水层较 近从图 2 可见，上盘 3 煤与下盘奥灰基本在同一标 高。涌水量分析由于第三层石灰岩含水层及十下 灰含水层单位涌水量均小于 3 煤砂岩单位涌水量， 涌水量取最大值同上，为 8 m3/h。 太原组第三层石灰岩含水层层厚 09.12 m， 平均 5.24 m。上距 3下煤层 35.1572.4 m，上距 6 煤 层 4.1623.95 m， 平均 12.39 m。 顶底部含泥质较多， 中部较纯，性脆，局部含燧石，仅个别孔见到少量 溶孔和裂隙。全井田 3 个钻孔漏水，漏水率 1.8。 原始水位标高37.3438.42 m，经 5 个钻孔抽水， 单位涌水量 00.007 01 L/sm， 2007 年 3 月对补 13-9 号钻孔三灰层段试抽水时，因水量小，进行了一次 注水试验，单位注水量 0.000 14 L/sm。三灰属岩溶 裂隙不发育、富水性较弱、补给条件不良、以静储 量水为主的含水层。 太原组第十下层石灰岩含水层是下组煤的直 接充水含水层，为 16 上煤层的直接顶板，位于 17 煤层的冒落裂隙带内。层厚 08.63 m，平均 4.76 m。 岩性致密性脆，顶、底部含泥质较多。由于埋藏深， 地下水活动更缓慢。裂隙多被方解石填充，全井田 仅 9-4 号钻孔和补 9-6 号钻孔漏水，其富水性弱。 奥陶系石灰岩含水层[7-8] 奥陶系石灰岩为该井田 底鼓水含水层。 井田有 4 个钻孔穿孙氏店断层见奥灰， 为奥灰中的断层带，均漏水。奥灰又是直接充水含水 层的补给水源层，即间接充水含水层。它可以通过断 层导水，向上渗透补给直接充水含水层，或由于较大 断层的错动， 上升到或接近直接充水含水层同一水平， 形成侧向补给直接充水含水层的条件。特别是孙氏店 断层以东既有古岩溶，又有后期岩溶，还有第四系直 接覆盖下的现代岩溶，是含水极丰富的侧向补给含水 层，具有向直接充水含水层源源不断补给水的能力。 奥陶系灰岩为区域性含水层，分布广，厚度大， 水压高， 是基岩各含水层的总补给水源， 可通过断层 带对基岩各含水层产生垂直或侧向补给。 在矿井开采 过程中尤其是下组煤生产中， 巷道或回采工作面接近 或穿越落差较大的断层，应加强探水工作， 并开展断 层展布规律及其导水性、采动底板破坏深度等研究， 防止奥灰突水事故的发生，确保矿井安全生产。 综合以上条件分析施工回风立眼掘进施工时 为避免与奥灰等强含水层发生水力联系，选择从八 里铺断层下盘穿层施工 2 号回风道，从断层上盘向 下施工回风立眼。 2回风立眼底层距奥灰层位情况分析 根据 13-11、13-10、12-15、12-14 等附近钻孔 均未打透奥灰情况。十采区奥灰上距 3 煤 190 m。 十采区 13-7 钻孔终孔奥灰， 奥灰顶界埋深 930.15 m， 3 煤层底板 744.5 m， 计算间距 185.65 m。 井下 O2-X3 钻孔水压 7.02 MPa，换算八里铺断层西侧奥灰水位 1.76 m。二采区奥灰上距 3 煤层约 240 m。二采区 10-11 钻孔终孔奥灰，奥灰顶界埋深 765.5 m，3 煤 ChaoXing 增刊 1周恒心等 穿八里铺断层施工立眼水文地质情况分析与实践25 层底板 525.9 m，计算间距 239.6 m。南翼 2 号回风 道 3 煤底板标高为–560 m， 推断奥灰水位在–800 m。 3八里铺断层含、导水性分析 八里铺断层及其支断层位于井田中部偏东纵 贯井田南北，正断层，断层总体走向 165150，在 南北两端折成南北向， 倾向 SW 至 W， 倾角 6070， 落差 50270 m，多在 150200 m；在井田内延展长 度约 9 600 m。 本矿对断层的含、 导水性探测与研究， 做了很多工作， 针对八里铺断层， 曾先后进行过大量 的物探、井下钻探等工作。详见表 1。从表中可以看 出十采区与二采区北部八里铺断层局部富水， 巷道掘 进接近断层保护煤柱时需执行边探边掘措施。 表 1八里铺断层含水性探测资料简表 Table 1Summary of detection data about water-bearing property of Balipu fault 位置技术手段工程量及断层带含水特征 八里铺断层沿线地面钻探共17个钻孔穿过，简易水文观测，未发现漏水现象 南翼下山巷探 南翼轨道下山、回风下山和胶带运输机下山在开拓时穿越八里铺断层，见断层层位分别是四灰底板 侏罗系、五灰底板侏罗系和15上煤层底板3煤顶板砂岩，巷道直接穿过断层带，未见涌水现象 一、二、九采区井下钻探8个钻孔直接揭露断层破碎带，未发现有涌水现象 二采区北部 瞬变电磁法，可控 源音频大地电磁 测深法 穿过八里铺断层的测线有12条，测区西南角八里铺断层带局部低阻异常区外，其他部位基本无低阻 异常区存在。在断层上盘，发现1处低阻异常区，下盘发现3处。勘探报告认为八里铺断层局部富水、 导水 十采区瞬变电磁法 穿过八里铺断层的测线有33条，顺测区内八里铺断层沿线划分出5个弱富水区和3个富水区，带状断 续分布 4八里铺断层防隔水煤柱确定 4.1考虑断层含导水性 a. 考虑底部压力时 采用公式 LHa/sinα≥20 m。 式中 L 为水平煤柱宽度，m；Ha为断层安全防隔水 煤岩柱的宽度，Hap/Ts10，Ts为临界突水系数， 因矿井与相邻矿井均未开采下组煤， 无实际突水系数， 故采用底板受构造破坏块段突水系数 0.06 MPa/m；p 为为底板隔水层承受的水头压力，八里铺断层以东 即含水层侧无奥灰水观测孔，采用西侧长观孔观 测数据 6.48 MPa。α为断层倾角，取值为 60 计算得 Ha为 108 m，L 为 124.7 m。 b. 考虑顺煤层方向压力时 采用公式L0.5KM3p/Kp-2≥20 m。 式中 K 为安全系数，取 25，计算取 3；M 为煤厚 或采高， 取 3.4 m。 Kp为煤的抗拉强度， 取 0.04 MPa。 计算得 L 为 116.85 m。 根据以上 2 个计算结果，选择较大的 124.7 m。 4.2考虑断层不导水 Hap/Ts106.48 /0.06 10118 m。 4.3安全隔水层厚度计算公式 TLγ2L28Kpp-2–γL/4Kp33.63 m。 式中 T 为安全隔水层厚度，m；L 巷道底板宽度，取 4.0 m； γ为底板隔水层的平均重度，取 0.0245 MN/m3； Kp为底板隔水层的平均抗拉强度，取 0.04 MPa；p 为底板隔水层承受的水头压力，取 6.48 MPa。 综上所述，取八里铺断层防隔水煤柱保护线为 124.7 m，穿层施工时在进入保护煤柱线前进行水文 物探工作，对相对富水区进行打钻验证。 5勘探测点布置钻探验证结果 5.1探测位置 探测测点布置从 1 号、2 号回风道接近八里铺 保护煤柱前，直至回风立眼贯通，均进行了超前探 查工作，每次超前探有限探测距离约 110 m。 5.2测点布置与探测工作量 按照矿井瞬变电磁法[9-10]超前探测技术在巷道 迎头进行探测，本次探测在巷道迎头布置物理点 9 个，分别为巷道左帮 90、60、45、30、掘进方 向、右帮 30、45、60、90，见图 3。 图 3瞬变电磁法超前探测点布置图 Fig. 3Distribution of advanced transient electromagnetic detection points 每个测点探测顶板 D145、顺层 D2、底板 D3 45 3 个方向，从而可以实现全方位的确定巷道前 方及其周围是否有低阻异常的存在，见图 4。 ChaoXing 26煤田地质与勘探第 46 卷 图 4瞬变电磁法探测方向示意图 Fig.4Direction of transient electromagnetic detection 通过数据处理，得到了顶板、顺层、底板 3 个探 测方向的横向视电阻率等值线断面图、迎头位置左 帮、 左前方、掘进方向 3 个探测方向的纵向视电阻率 等值线断面图以及三维成果图， 通过三维数据体多方 向切片， 对数据体进行任意切片显示含水体的空间分 布， 从而进一步验证了扇形图分析得出的相对低阻异 常区。 按照矿井瞬变电磁超前探测技术要求以及探测 的实际巷道条件，每次超前探测共测量 9 个物理测 点，每个物理测点探测 3 个探测方向。 5.3钻探验证情况 八里铺共计进行物探 7 次。探测相对富水异常 区 17 处，均进行了探放水作业，累计施工探放水钻 孔 34 个，有 3 个钻孔出水，水量最大约 3 m3/h，其 他均无水。得出以下结论本区八里铺断层基本属 于不含水、也不导水的断层。 6结论 回风立眼施工贯通导线长度约 1.4 万 m，贯通 距离长、地质条件复杂、人为影响等因素很多。穿 八里铺断层施工的回风立眼是在原物探结果判断相 对模糊的基础上，重新分析了回风立眼的相对层位 关系，及其各个层位的敷设情况，结合超前水文物 探及钻探验证，保证了在进入八里铺断层保护煤柱 线及穿层施工时的安全性。 参考文献 [1] 杨孟达，刘新华，王瑛，等. 煤矿地质学[M]. 北京煤炭工 业出版社，2003. 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