塔山矿8228 工作面突水区域井上下综合物探分析及治理方案

姜宇升

（晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西 大同 037001）

1 工程概况

塔山矿8228 工作面位于井田二盘区中部，工作面设计长度3101 m，倾向230.5 m，煤层均厚19.18 m，倾角1～3°。工作面底板标高+970～ +1050 m，奥灰水位标高介于+1100～ +1130 m 之间，相对于奥灰含水层大部分为带压开采，8 号煤层距奥灰约45 m，底板突水系数为0.027 MPa/m。

8228 工作面2228 巷在掘进至2060 m、5228 巷掘进至2062 m 处，巷道开始出现底板涌水、煤壁渗水及顶板淋水现象，且出水现象逐渐增大，最终5228 巷和2228 巷出水已分别增大至107.6 m³/h 和270 m³/h 左右。为治理工作面突水问题，塔山矿在2228、5228 巷道分别建立了防水密闭，巷道密闭墙选择在2228 顺槽巷里程（2009～2004 m）、5228 顺槽巷里程（2044～2039 m）处。现为有效掌握突水来源，制定合理的治水方案，特采用井上下综合物探技术进行突水区域分析，再基于分析结果制定合理治水方案。

2 井上下综合物探分析

2.1 井下物探分析

为准确掌握巷道突水区域富水情况及赋存特征，设计采用瞬变电磁和音频电探测进行5228 巷道富水情况分析，通过现场实测分析，得出如下成果：

（1）5528 顺槽瞬变电磁探查显示，3 个探测方向在迎头左前方均有低阻异常，顺层方向异常开口向2228 巷方向延伸，顶板异常相比较弱（如图1，图中横坐标为巷道在水平方向的宽度，纵坐标为巷道在走向方向上的长度）。

图1 5228 巷瞬变电磁超前探测俯角45°、顺层和仰角45°方向成果图

（2）8228 工作面音频电穿透探测成果显示，底板下两层段均发现2 处低阻异常区域，1 号异常区域位于2228 巷里程2200～2050 m 和5228 巷里程2160～2140 m、2120～2020 m。

综合井下物探探查结果，发现在5228 顺槽前方存在一定富水异常和构造异常；工作面下方0～100 m 范围内存在着富水异常现象，并且异常体基本呈现为倾斜状态分布。

2.2 地面CSAMT 探查分析

CSAMT 探测的突水区位于塔山矿二盘区，奥灰顶界面标高约900 m。根据煤田勘查资料统计，岩溶发育层段为奥陶顶界以下7.84～209.24 m 之间，多发育在距顶界面150 m 范围内，岩溶在标高700～900 m 之间一般发育较强，随着埋深加大岩溶发育明显变差[1-6]。取得的主要成果如下：

根据综合三维地震资料、水平电阻率切片图、电阻率断面图等资料，结合矿井现场记录数据，确定本次2228 巷道存在多处突水位置，突水位置分散距离总计约200 m。根据探测结果能够分别得出2228 巷道及5228 巷道走向电阻率断面图，如图2所示。

图2 沿2228 巷、5228 巷电阻率断面图

图2（a）为沿2228 巷走向的电阻率断面图，图中横坐标1360 m 处为2228 巷迎头位置，由图可见迎头位置正处于低阻异常区的上方，且迎头前方约150～200 m 范围仍然处于异常区内；图2（b）为沿5228 巷走向的电阻率断面图，图中横坐标1300 m 处为5228 巷迎头位置，由图可以看出5228 巷也正处于低阻异常区的上方，且迎头前方200 m 范围内仍然处于异常区内。

根据本次高程800 m 处的电阻率水平切片图，结合三维地震解释成果，圈定了本次2228 巷与奥灰水的水力联系范围，如图3 所示。

图3 2228 巷突水与奥灰水水力联系范围

综上分析可知，5228 巷和2228 巷前方均存在一定富水异常和构造异常，在工作面下0～100 m 范围内有富水异常体分布，且异常体形态呈倾斜状；地面三维地震和CSAMT 综合物探显示，在突水异常区发现一疑似陷落柱及三条断层。因此8228 工作面突水为奥灰含水层通过一疑似导水陷落柱涌入巷道。

3 突水治理方案

3.1 治理方案

根据上述井上下综合物探分析结果，结合工作面的具体地质条件，确定2228 巷道和5228 巷道本次突水水源为奥灰水。8228 工作面突水为奥灰含水层通过一疑似导水陷落柱涌入矿坑的突水事件。因此，本次治理工程以治理疑似导水陷落柱为基础进行方案设计。

根据工程情况，设计先通过地面骨料孔对陷落柱内的空洞区域进行有效充填，充填完成后再对奥灰顶部和8#煤层底板隔水层下部进行注浆加固，具体方案设计如下：

施工4 个地面定向钻孔，编号分别为XG1、XG2、XZ1 和XZ2，其中XG1、XG2 为骨料孔和顶底板加固孔，XZ1 和XZ2 为三层水平钻孔，钻孔主要为注浆堵水及隔水层加固，层间距20 m。第一层（底层）布置于奥灰顶面下30 m，共设计10个水平钻孔，间距40 m；第二层布置于奥灰顶面下10 m，设计3 个水平钻孔，孔间距80 m；第三层布置于奥灰顶面上10 m，设计水平钻孔2 个，孔间距80 m。

钻孔地面布置位置见图4（a），注浆分支水平孔布置见图4（b）、4（c）、4（d）。

图4 地面钻孔、骨料孔及注浆钻孔布置示意图

（1）骨料孔。主要是探查陷落柱顶部空腔并对其进行骨料充填、加固，防止工作面回采过程中顶板发生坍塌和抽冒，威胁工作面采掘安全。

XG1、XG2 钻孔结构：① 一开直孔段，0～50 m，孔径Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，水泥固井，隔离第四系及裸露基岩段地层。② 二开定向导斜段，地面至陷落柱顶部空腔，孔径Φ216 mm，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，水泥固井。

（2）注浆孔。注浆孔主要是陷落柱边界探查、注浆截流、注浆加固和检查效果等作用。

XZ1、XZ2 钻孔结构：① 一开直孔段，0～50 m，孔径Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 孔口管，水泥固井，隔离第四系及裸露基岩段地层。②二开定向导斜段，50 m 至奥灰目标层，孔径Φ216 mm，至奥灰顶面下30 m，接近顺层，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，水泥固井。③ 三开定向水平段，孔径152 mm，至奥灰（地面水平位移约260 m，即奥灰着陆点距离孔口位置水平距约为260 m），开始顺层钻进[7]。

本次骨料孔灌注的骨料以细沙为主，依据见空规模可加入适量直径10 mm 以下的石子；骨料孔以3～50 mm 的石子为主，可加入少量河沙。注浆孔材料采用水泥浆，水泥采用32.5R 普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5～0.6。

3.2 效果分析

8228 工作面采用地面定向钻进及注浆加固为主要手段，截源的同时对采掘煤层相应顶底板进行注浆加固，以治理疑似导水陷落柱为基础。方案实施时，共计布置4 个地面定向钻孔，20 个注浆钻孔，地面钻孔工程量为260 m，注浆钻孔工程量为400 m，注浆量为80 t。陷落柱处理方案实施完毕，两个月后进行回采作业，回采期间正常涌水量为3 m3/h，无突水现象出现，有效实现8228 工作面奥灰水害综合治理和恢复工作面正常采掘生产，成功释放约200 万t 煤炭资源。

4 结论

（1）通过井上下物探分析可知，8228 工作面下0～100 m 范围内有富水异常体分布，且异常体形态呈倾斜状；工作面突水异常区发现一疑似陷落柱及三条断层。推断出8228 工作面突水为奥灰含水层通过一疑似导水陷落柱涌入巷道。

（2）根据8228 工作面地质条件，结合物探分析结果，确定治理工程采用地面定向钻进及注浆加固为主要手段，截源的同时对采掘煤层相应顶底板进行注浆加固，以治理疑似导水陷落柱为基础，最终实现8228 工作面奥灰水害综合治理和恢复工作面正常采掘生产。