基建矿井巷道施工防探水方案研究.pdf

2 0 1 4年 2月 第 4 3卷第 1 期 中国矿 山工 程 Ch in a Mi ne Eng in e e r in g 3 9 基建矿井巷道施工防探水方案研究 S ch e m e s t u d y o f w a t e r p r e v e n t i n g a n d p r o s p e ct i n g d u r i n g t h e r o a d w a y co n s t r u ct i o n o f p r o j e ct e d m i n e 王剑峻 ( 河 北 开 滦( 集 团) 蔚州 矿 业 公 司 北阳 庄 矿， 河 北蔚 县0 7 5 7 0 0 ) 摘 要 ： 透 水事故是 煤矿五大 灾害之一 。基 建矿 井在 建成 永久排 水 系统之前 ， 排 水能 力脆弱 ， 巷道 施工 中防探 水工作 更加重 要 。本文以北阳庄矿 井北翼轨道 大巷 为例 ， 通过 对区域水文地质条件 的综合 分析 ， 提 出北翼轨道 大巷掘进过 程 中的 防探 水方 案 ， 重 点分析 、 探查赋水 区以及 导水通道 ， 采 用井上 下立体综合探查手段 ， 新 区域 施工 坚持 有掘 必探 ， 即物探与钻探 相结合 ， 以 井 下 探 查 工 程 为 主 ， 物探 先 行 ， 钻 探 验证 ， 优 化 钻 孔设 计 施 工 ， 实 现巷 道 安 全 施 工 。 关键词 ： 基 建矿 井 ； 防探水 ； 方案 ； 研 究 Ab s t r a ct ： Wa t e r i n r u s h a cci d e n t i s o n e o f t h e fi v e m a i n d i s a s t e r s o f co a l m i n i n g T h e w a t e r d r a i n a g e a b i l i t y o f p r o j e e t e d mi n e i s w e a k b e f o r e t h e p e r ma n e n t d r a ina g e s y s t e m is bu il t ， a n d t h e wa t e r p r e v e n t ing a n d pr os p e ct in g is v e r y imp o r t a nt Ta k in g t h e n o r t h win g t r a c k r o a d wa y o f Be iy a ng z hu a n min e a s e x a mp l e，t hr o u g h t h e co mp r e h en s iv e a na l y s is o f t he r e g io n a l h y dr o g e o l o g ic con d it io n，t he wa t e r p r e v e n t in g a nd p r o s pe c t ing s ch e me wa s p u t f o r wa r d f or t h e t un n e l e x ca v a t io nThe pr o s pe ct ing o f wa t e r e n r ichme n t a r e a a n d t h e wa t e r div e r s io n pa s s a g e we r e e mp h a t ica l l y a n a l y z e d， a n d t he in t e g r a t e d pr os p e ct in g me t ho d wa s a do pt e dTh e n e w a r e a co n s t r u ct io n a dh e r e d t o t un n el ing wit h p r o s p e ct in g， g e op h y s ica l pr o s p e ct in g a nd d r il l in g co mbina t io n， t a k in g t he u n de r g r o un d pr o s p e ct in g a s t h e ma in e n g in ee r in g， g e o ph y s ica l pr o s p e ct ing b e f o r e t h e d r il l in g v e r if ica t io n t o o p t imiz e t he d r il l in g d e s ig n a n d co ns t r uct io n， a n d t o r e a l iz e t h e r o a dwa y s a f e t y co ns t r uct io n Ke y wo r d s ： p r o j e ct e d mi n e； w a t e r p r e v e n t in g a n d p r o s p e ct i n g； s ch e me ； s t u d y 文章编号 ： 1 6 7 2 6 0 9 X( 2 0 1 4 ) 0 l O 0 3 9 一 O 5 中图分类号 ： T D 7 4 5 文 献 标 志 码 ： B 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 1 0 3 作者 简介 ： 王剑 峻 ( 1 9 7 0一) ， 男 ， 河北唐 山人 ， 高级 工程 师 ， 从 事煤 矿 生产技 术管理工作。 1 前言 基建矿井发生水害事故而造成的矿难屡见不鲜 ， 最 典型的莫过于内蒙骆驼山煤矿和山西王家岭煤矿。除人 员伤亡外 ， 透水事故造成较大的经济损失。骆驼 山煤矿 透水事故直接经济损失 4 8 5 3万元 ， 王家岭透水事故直 接经济损失 4 9 3 7 2 9万元。基建矿 井在永久排水系统 形成之前 ， 排水能力不足 ， 不具备抗灾害能力。因此 ， 在 施工 开 拓大 巷 的过 程 中 ， 防 探 水 工作 至关 重 要 。基 建 矿 井巷道施工全部处于新 区域 ， 区域水文地质条件必须分 析 、 探查清楚。 北阳庄矿 井位 于河北 省蔚 县 ， 系隶 属 于河北 开滦 ( 集团) 公 司的在建矿井。通过对北 阳庄 矿井北翼轨道 大 巷 区域水 文地 质 条件 的综 合 分 析 ， 研 究 北 翼 轨 道 大巷 掘 进过 程 中 的防探 水方 案 ， 重点 分析 、 探查 赋水 区以及 导 水通道 ， 对全矿井乃至其它基建矿井同样具有指导意义。 针对复杂的水文地 质条件 ， 从 “ 有疑必探 ” 发展为“ 有掘 必探” ， 即新 区域施工前必须进行超前探测 ， 并确定科学 合理方案。采用井上下立体综合探查手段 ， 以井下探查 工程为主 ， 即物探与钻探相结合 ， 优化钻探设计施工 ， 确 保巷道安全掘进 。 4 0 中国矿 山工 程 2 0 1 4年( 第 4 3 卷) 2 水文地质条件 该矿井地质 、 水文条件极其复杂， 矿井主要受华 北 型底 板 奥 灰 水 威 胁 ， 理 论 计 算 矿 井 最 大 涌 水 量 3 5 1 0 m h 。主采煤 层 为 5煤 层 ， 南北 两 翼大 巷 布置 在 + 5 4 0水 平 ， 层 位 5煤 层 顶 、 底 板 ， 均 平 行 布 置 3 条大巷 ， 皮带大巷居中， 与轨道大巷 、 回风大巷分 别 相距 3 0 m。5号煤层距奥灰顶界平均间距 4 6 m， 5号 煤层 开采 时 ， 一水 平 煤 层 底板 带 压 最 大 4 1 MP a ， 二 水平 带压最 大 5 2 M P a ， 开采 5号 煤层 时突水 系数 分 别为 0 1 、 0 1 3 MP a m。北 阳庄矿井地质条件 极其 复杂 ， 在构 造 复杂程 度分 区 中 ， 首采 区位 于构造 最 复 杂的区， 是一个较强烈 的构造挤压带。以发育走 向近东西一北东向的大型逆掩断层为构造特色 ， 在 平面上大致等间距近平行排列 ， 或略呈 向西南撒开 而往 东北 收敛 的帚 状构 造 形 态 ， 剖 面 上 组合 成 叠 瓦 状构造 ， 诸多性质相同、 走向相近的小型断裂相伴左 右 。 北翼 3条大 巷施 工 区域 位 于首采 区 的断层密 集 带 ， 施 工 中将 先后 揭 露 F 2 0 2 、 F 2 0 3、 F 2 0 4 、 D F 1 4等 断 层 ， 最 大落差 分别 为 1 2 l 、 1 1 0 、 1 8 、 6 2、 8 0 m， 均 为低 角 度逆掩断层。据三维地震资料 ， 这几条断层均存在 中富水 或强 富 水 的 区 段 ， 具 有 导 通 奥 灰 的可 能 性 。 据精查报告 ， 这些 断层 附 近存在伴 生 断层。其 中 F 2 0 2断层 走 向近 E W 转 N E， 倾 向 N N w， 倾 角 0 。 3 3 。 ， 最大 落差 1 2 1 m， 延 展长 度大 于 3 0 0 0 m。呈 向南 凸出 的弧形 展 布 ， 最 大 水平 位 移 4 5 0 m， 切 割 煤 系基底 、 煤系 及所 有 煤 层 。据 北 翼 回 风巷 环 形 车 场 交叉点以北 5 1 m超前钻孔资料 ， 钻孔 01 6 1 5 m无 水 ， l 6 1 51 7 0 2 m 穿越 F 2 0 2断层破碎 带 并 出现 涌 水 ， 最大 涌水 量 7 0 m h ， 最 大水 压 2 0 MP a 。 3 北翼轨道大巷掘进期间充水因素分析 3 1充水 水源 在 一 般 情 况 下 ， 当 5 煤 层 回 采 时 ， 5 煤 厚 3 2 8 m， 由经验 公式 ： 日导 = 川 2 式中： 导水裂隙高度 ， m； m 煤 层厚 度 ， ff l ； n 煤分层数 。 计算得 ： H = 8 4 0 9 m。 第 四系底部含水层富水性弱一中等 ， 局部地段 由于“ 天窗” 存在， 上部煤层开采时顶板 冒落 ， 可成 为直 接充 水含 水 层 。侏 罗 系 的下 花 园组 、 九 龙 山 组 砂岩 、 砂砾 岩含 水 层 富 水性 弱 。侏 罗 系后 城 组 砾 岩 含水 层主要 分 布在 矿 区 的东 部 ， 在 北 阳庄 井 田均 有 分布 ， 富水性弱一中等 ， 且距上部煤层较近 ， 局 部地 段 为煤 层直 接顶 板 ， 将 成 为 上部 煤 层 开 采 的 直 接 充 水含 水层 。 5煤下距奥灰 6 1 7 5 m， l煤下距奥灰 6 5 2 m， 5 煤 开 采后 ， 由于底 板破 坏带 的存 在 、 断层 或裂 隙的 导 水作用 ， 底板的奥灰含水层或北部寒武系灰岩含水 层成为充水含水层。奥灰赋存于井 田南部 ， 最 大残 存厚度 8 5 1 3 m， 东北部缺失 。寒武灰岩在井 田东及 东北部 为煤 系基 底 。揭露最 大厚 度 7 3 m。 3 2充水通 道 本 区充 水通 道可 能主要 以断层 和一些 隐伏 的溶 洞 等组 成 。 ( 1 ) 断层。区内断层较发育 ， 以正逆均有 ， 并发 育 较大逆 断层 。在 临 近矿井 发生 过 因断层导 水 而突 水 的事 故 。如 玉 峰 山井 田 ， 于 1 9 7 6年 2月 和 1 9 7 7 年 1 2月 先后 两次发 生 突水淹 井事 故 ， 当时正 常 涌水 量 为 7 0 7 5 m h ， 突水时 最大 涌水 量达 6 0 0 m h左 右 。这 两次 突水均 因张 性 正 断层 导水 ， 其 断 距 分 布 为 0 6 m和 0 2 5 m， 沿断层两侧地层裂 隙发育 ， 其 中 第 二次 突 水 时 ， 曾出 现一 个 长 1 5 r n 、 宽 5 m、 高 1 8 m 底鼓裂隙破碎带 ， 为分散式群点缓 冲型突水 ， 表现为 先底 鼓 、 继之 产生裂 隙 、 然后 冒水 。 ( 2 ) 隐伏 溶 洞 。2 0 0 7年 3月 3 E t ， 单 侯 井 田底 板突水 ， 涌水冲破底鼓煤层形成直径 0 5 m， 深度 3 m 的 圆形涌 水通 道 。出水量 预计 为 3 0 0 0 m h ， 几小 时 后涌水量迅速下降 ， 目前一直稳定于 1 6 0 0 m h 。从 突水 的过程和突水水量来看 ， 可以推断为突水地段 下伏 奥灰 含水 层有 隐 伏 溶 洞 ， 在 局 部 出现 沉 积 缺 陷 的情 况下 出水 ， 但 尚未经 钻探 证实 。 ( 3 ) 采动裂隙。采动裂隙指人工采掘活动引起 的顶底板发育的裂隙 ， 采动裂隙带包括顶板的导水 裂隙带和底板的导水破坏带 ， 采 动裂 隙可 以将顶底 板的水导入 ， 是顶底板突水的主要通道 ， 采动裂隙带 发育在采掘工作面上下。 底板采动裂隙的底板破坏深度使煤层底板 隔水 层有效保护厚度变小 ， 使东曲矿下组煤底板突水危 险性变大 ， 对 5煤 、 1煤的充水影 响很大 ： 底 板破 坏 深度越大 ， 煤层突水的危险性就越高 ， 底板破坏深度 越小 ， 下组煤突水的危险性就越低。 ( 4 ) 封闭不 良钻孔 。封闭不 良钻孔作 为充水通 第1 期 王 剑 峻 ： 基建矿井巷道施工防探水方案研究 4 1 道 ， 不仅会造成含水层越流和充水 ， 还会传递含水层 的错误信息 ， 误导人们对某个含水层的认识和判断 ， 所 以矿井防治水工作 中要 防止封 闭不 良钻孔 的出 现， 一方面做好水文勘察孔的设计 、 施工 、 监理 、 验收 和维护工作 ， 另一方 面要定期检查 已经竣工并成为 长观 孔 的水 文孔 。需 指 出 的是 1 9 6 2年 以前 施 工 的 钻孔 ， 在本井 田有 9个 ， 这些钻孔 一般封孔质量 较 差 ， 可能导通上部的第 四系含水层水或下奥陶灰岩 含水 层水 进入 巷道 。 ( 5 ) 裂隙密集带。裂隙密集带是一种受断裂构 造复合或尖灭作用影响 的较隐蔽的导水通道 ， 是一 种常见的矿井充水通道。裂 隙密集带一般规模小 ， 隐蔽性强 ， 通过常规的地质手段很难掌握其分布规 律 。探测裂隙密集带首先要采用直流 电法圈定异常 区域 ， 然后打钻验证异常区域 ， 经验证确定并分析导 水裂隙带 的性质及危 害程度 ， 必要 时对底板薄弱带 采取预注浆方法加 以封堵加 固处理。 4 北翼轨道大巷探放水设计 北翼轨道大巷掘进阶段对导水构造的探查采用 物探和钻探相结合 的探查方法。 目前用于巷道掘进 头前方地质异常体探测的物探方法主要是矿井直流 电法超 前 探 测 技 术 。探 查 阶 段 以 “ 物 探 先 行 ， 钻 探 验证” 为原则 ， 即首先用直流 电法对 掘进 头前方 的 导水构造进行超前探测， 若直流电法探测显示掘进 头前方存在 电性异常区 ， 则在轨道大巷布设钻孔进 行探查 ， 部分探查孔留作长期观测孔使用 ； 若掘进头 前方无 电性异常区， 则按照设计布设 探查孔对掘进 头前方是否存在垂向导水构造进行进一步确认 。若 导水构造不存在， 则巷道可以正常掘进 ； 若导水构造 确实存在 ， 则需要根据钻孔涌水量 、 水压、 水温 、 水质 等特 点判 断导 水构 造 的性 质 和 水 源类 型 ， 从 而 进 入 导水构造治理阶段。 需要指出的是 ， 对于暂时安全掘进 的巷段 ， 仍然 需要采用直流 电法再次探测巷道底板 以下及侧方是 否存在潜伏 的导水构造 ， 防止滞后突水 。此外 ， 大巷 北翼轨道大巷 2 0 1 l 3 fl4日掘进迎头 掘进期 间可能 出现多个物探异常 区， 需要增加探查 验证钻孔 ， 可以针对具体需要增设钻孔 ， 其各项设计 参数参照大巷导水构造探查孔。 4 1 轨道 大 巷导水 构 造探 查流 程 对 灰 岩水 的 防治 主要是 针对 垂 向导水 构造 的探 查与防治 ， 分探查 与防治两个步骤进行 。 目前常用 的探 查技 术有 两 种 ， 即物 探 和钻 探 ， 探 查 阶段 以“ 物 探先行 ， 钻探验证” 为原则 ； 掘进阶段常用 的防治措 施为预注浆封堵加 固。探查流程如图 1 所示。 轨道大巷垂向导水构造探查 直流电法超前探测 无异常 单钻超前探查 有异常 设计钻孑 L 探查 导水断层 l l 导水陷落柱 采取预防处理措施 l I 查明规模后综合治理 安全掘进 观测巷道顶 、 底及两帮有无突水现象 ， 防治滞后突水 图 1 轨道大巷掘进探查流程 4 2轨 道大 巷直 流 电法超 前探 测成 果分 析 探 查 阶段应 以 “ 物 探 先 行 ， 钻 探 验证 ” 为 原 则 ， 即首先用直流电法对掘进头前方的导水构造进行超 前探测 ， 若直流电法探测显示掘进头前方存在 电性 异常区， 则在轨道大巷布设钻孔进行探查 。2 0 1 1年 3月 4 日对 轨道 大 巷进行 超 前探 ， 成果 见 图 2 。 从 电法资料分析 ， 本次探测的迎头前方主要发 育有 3处视 电阻率相对低阻异常区， 异常 1区段位 于迎头前方 0 1 2 m( 即轨 4前 4 96 1 m) ， 命名为 1 号异常； 异常 2区段位于迎头前方 4 2 5 2 m( 即轨 4 前 9 11 0 1 m) ， 命名为 2号异常； 异常 3区段位于迎 头前方 7 6 m( 即轨 4前 1 2 5 m) ， 命名为 3号异常。 0 A A A 轨4 A B C l0 f 3。2 4f 5。6 6=4 7 f 0 -1 2 m 4 2 5 2 m 7 6 m l 异常 图 2轨道大巷超前探成 果图 2 号异常 3 号异常 4 2 中 国矿 山工 程 2 0 1 4 年( 第 4 3 卷) 本次超前物探资料显示 ： 1号异常的范围相对 较大 ， 宽度约在 1 2 m 左右 ， 异 常的幅值 为 7 28 8 ； 2号 异常 的范 围也相对 较 大 ， 宽度 约在 1 0 m左 右 ， 异 常的幅值为 6 08 1 ， 在迎头前方 4 4 m左右存在一相 对较强的异常中心； 3号异常的范 围相对较小 ， 宽度 约在 2 m左右， 异 常的幅值 为 6 88 2 。结合井下实 际地质情况分析 ， 1号异常 区段疑似 为受巷道采动 的影响， 迎头附近裂隙 比较发育所致； 2号异常区为 本 次探 测 的主要异 常 区段 ， 疑 似 为 巷道 前 方 裂 隙 相 对 发育 且富水 所致 ， 不排 除存 在 构 造 的可 能 ； 3号 异 常 区 因距 离 较远 ， 可靠 性相对 较差 ， 建 议在 巷道 掘进 6 0 m 左右 时再进 行 一次探 测 。 针对物探成 果发现 水文异 常 区的情况 ， 巷 道立 即 停止掘进并设计钻孔进行钻探验证( 超前探放水) 。 4 3 轨道大巷探水钻孑 L 设计和施工 ( 1 ) 钻 孔 结 构 。安 装 1 2 7 m m 孔 15管 5 m， d 8 9 m m套管 2 1 m、 + 5 8 5 mm钻头钻进至终孔。 ( 2 ) 钻 孔 设 计 及 工 程 量 。设 计 钻 孔 4个 ， 总 工 程量 为 8 4 0 m( 控 制巷 道 底 板 的钻 孔 2个 ) 。各 钻 孔 参数 如表 1 ， 钻 孔 布置如 图 3所示 。 表 1钻孔相关参数 图 3钻 孔布 置 示 慝 图 ( 3 ) 钻窝。钻窝方向与轨道巷夹角 4 5 。 ， 钻窝规 格 4 8 m 3 5 m3 0 m。 ( 4 ) 钻孑 L 质量 。 对 主要 探 测 目标 或 目的层 的 钻进要 求 ： 见煤层 及 断层破碎 带 、 出水 点 的深 度要 测 量准 确 ， 记 录 清楚 。 煤 层采 取 率 、 孔 深误 差 、 歪 斜 度 的要求 ； 断层带及煤层位置取芯， 煤岩芯采取不低 于 7 5 ； 孔深误差 0 5 m； 钻孔歪斜度 1 。 ； 钻孔深 度可根据实际情况做适 当调整。水文地质观测 内 容 ： 钻 孔 出 水 时 ， 观 测 水 量 、 水 压 ， 进 行 水 质 化 验 。 终孔 处理 ： 注浆 封孔 。 ( 5 ) 施工情况。0 1 、 0 2 、 O 3 、 O 4钻孔在物探异常 区附近 涌水 1 0 、 5 1 、 6 5、 7 0 m h ， 进 行 放 水 试 验后 采 取注浆封堵和底板加固措施。0 2孔 ( 巷道施工方向 的钻孔) 做为掘进前对于注浆效果的检查孔。 5 北翼轨道大巷掘进探放水技术措施 北翼轨道大巷施工区域位于首采 区的断层密集 带 ， 施工中将先后揭露 F 2 0 2 、 F 2 0 3 、 D F 1 4 、 F 2 0 4等富 水或导水断层。大巷掘进过程 中， 一方面先采用直 流 电法超 前探测 技 术 进行 探 测 ， 另 一 方 面若 有异 常 则布设钻孔 ， 对掘进头前方导水断层 、 裂隙等导水通 道进行 探查 。 即对于 超前探 测异 常 区需要 采用 钻探 方法进行探查验证 ， 而后提出具体的治理措施。 5 1 探 查 的主要 内容 探 断 层水 应 与探 构 造 结合 起 来 ， 需 查 明 的 内容 如下 。 ( 1 )断层 的位置 ， 产状要 素、 断层带宽度( 包括 内、 中和外三带) 及伴( 或派) 生构造和其导水性 、 富 水 性等 。 ( 2 )断层带的充填物及充填程度和胶结物及胶结 程度； 断层两盘外带裂隙、 岩溶发育情况及富水性。 ( 3 )断层两盘对接部位的岩性及其富水性 ， 工 作面与强含水层的实际问距( 即隔水层的厚度 ) 。 ( 4 )层与其它含( 导 ) 水断层 、 陷落柱或其它水 体交切部位及其富水性。 ( 5 )查明并记录探断层水钻孔在不 同深度的水压 、 水量， 并确定或判断底板水在隔水层中的导升高度。 5 2探放 断层 水 的方法 探放断层水钻孔 的布置如表 2所示。 5 3 断层水 的预 防和 处理 根据探查和综合分析 ， 可将断层大致分为二类 。 弱含( 导) 水有可能突水 的断层和强含 ( 导 ) 水突水 可能性大的断层 。据此， 采掘工程接近或揭露其甚 至穿过这些断层时 ， 可采取不同的预防与处理措施 ， 具体见表 3 。 第1 期 王剑峻 ： 基建矿井巷道施工防探水方案研究 4 3 表 2探断层水钻孔 布设一般要求 探查 目的 钻扎布置剖回不恿图 简要说 明 工作面前方 已知或 对于掘进头 钻孔沿正前下方施工 ， 对于巷道揭 预测有含 ( 导) 水的 、 、 一善 兰 穿 断 层 的 深 度 ( 底 板 下 的 深 度 ) 应 断层的探查 州 叫 在5 1 0 m， 对于采煤工作面揭穿断 层的深度约为3 0 m 、 隔水岩柱厚度处于 I 一 般应沿巷道掘进方向打孔 ， 尽量 临界状态时，对掘 打深， 力争一次打透断层， 否则就 进 工 作 面 前 方 的 无 、 必 须 留 足 超 前 距 ，边 探 边 掘 直 至 探 断 层 突 水 危 险 的 探 明 断 层 的 确 切 情 况 ，再决定具体的 查 防水措施 一 般应 向下盘预计采动影响带内 巷道实见断层 ，在 打 I 号孔 ， 探明断层带的含 ( 导) 水 采动影响后有无突 和水压 、 水量等情况 。 若有水 ， 采 后就很可能突水 ，若无水则还