1、山東新河礦業(yè)有限公司3301工作面注漿堵水方案 編制單位： 地質(zhì)測量科編制時間：二O一二年二月3301工作面注漿堵水方案一、礦井概況 位置及范圍礦井位于嘉祥縣城東約7.5km處，行政區(qū)劃屬濟寧市嘉祥縣疃里鎮(zhèn)管轄。井田東以F13斷層及嘉祥支三斷層為界與唐口煤礦相鄰，西至17煤層露頭，北起T19-1、T19-2號鉆孔連線延長線，南到兗新鐵路保護煤柱線，南北長平均5.5km，東西寬1.0km，面積5.2898 km2。 礦井建設與生產(chǎn)情況礦井自2000年9月開工建設，2003年建成開始聯(lián)合試運轉，2005年7月正式生產(chǎn)。原設計生產(chǎn)能力0.3Mt/a，采用一對立井、多水平開拓方式，井底水平-240m，

2、生產(chǎn)水平400m，主采二疊系山西組3煤，采煤方法為后退式綜采放頂煤，全部陷落法管理頂板。礦井歷經(jīng)兩年的技術改造，主提升、通風等主要生產(chǎn)系統(tǒng)已滿足0.9Mt/a生產(chǎn)能力的需求后，于2011年9月恢復生產(chǎn)。 礦井涌排水現(xiàn)狀礦井采用一級排水方式，設-400m水平中央泵房，內(nèi)、外水倉總容量2800 m3。安裝額定排水能力300m3/h、揚程516.5m的PJ1508水泵3臺，敷設2739排水管路2排，沿膠帶暗斜井通過副井直排地面。3301工作面頂板突水后，在-400m水平泵房增安額定排水能力500m3/h、揚程513m的 MD500-579水泵1臺，增設2739排水管路1排，沿膠帶暗斜井通過主井（主井

3、內(nèi)管路350mm）直排地面。目前礦井綜合排水能力最大可達1650m3/h。3301工作面回采前，全礦井總涌水量50m3/h。二、地質(zhì)和水文地質(zhì)情況 地層本區(qū)為全隱蔽式華北型石炭二疊系含煤地層，自上而下發(fā)育第四系、二疊系、石炭系及奧陶系。第四系（Q）不整合沉積于煤系地層基巖之上，厚212.6269.35m，平均229.78m，由粘土、砂、砂礫、鈣質(zhì)粘土及鈣質(zhì)層組成。井田北部較薄,補1號孔附近最厚。二疊系（P）上統(tǒng)上石盒子組在井田東部有保留，西部遭剝蝕，厚0276.40m，主要由灰、灰綠色中、細砂巖和雜色泥巖、粉砂巖組成，近底部往往有一層含鋁質(zhì)泥巖。下統(tǒng)下石盒子組厚45.7079.50m，平均60

4、.50m，主要由黃綠、灰紫色泥巖、粉砂巖和少量灰綠色中、細砂巖組成。下統(tǒng)山西組厚77.2094.95m，平均85.00m，為本區(qū)主要含煤地層，主要由淺灰、灰白色中、細砂巖及深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖和煤層組成，含煤兩層（2煤和3煤）。石炭系（C）上統(tǒng)太原組，由于受重力滑動構造的影響，在嘉祥斷層以西，各鉆孔揭露本組地層均有不同程度的缺失，厚約150m，以灰至灰黑色泥巖、粉砂巖為主，其次為細砂巖、石灰?guī)r和煤層。中統(tǒng)本溪組厚24.9533.40m,平均29.00m，主要由淺灰色、褐黃色、紫紅色泥巖及灰色砂巖、石灰?guī)r組成。奧陶系（O）根據(jù)區(qū)域勘探資料，總厚達800m。井田內(nèi)鉆孔揭露最大厚度23.80m，

5、主要由灰灰褐色厚層狀石灰?guī)r組成，夾薄層泥灰?guī)r。 構造褶曲井田北區(qū)波狀起伏比較明顯，除較大的劉廟東向斜外，另有補3孔北背斜、DF54斷層附近向斜等次一級褶曲。井田南部沒有明顯褶曲存在。斷層礦井處在嘉祥支三斷層的下盤，受其影響，地層傾角較大并伴有多個波狀起伏。地層傾角一般在20左右，整體呈一單斜形態(tài)，傾向東及北東。本井田斷層較發(fā)育，地震、鉆探共同確定的高角度正斷層59條，大致劃分為近北東向、南北向、北西向三組，并推斷有重力滑動斷層組存在，構造極復雜。巖漿巖礦井北部偏東發(fā)育有厚約90m的燕山期床狀巖漿巖侵入體，呈灰綠色，致密堅硬，顯晶質(zhì)輝長結構，塊狀構造，為橄欖蘇長輝長巖，位于煤層以上約600m 。

6、礦井南部無巖漿巖發(fā)育。陷落柱區(qū)內(nèi)地震勘探和鉆探均未發(fā)現(xiàn)有陷落柱存在，但鄰近的唐口煤礦等生產(chǎn)過程中已揭露多個陷落柱。唐口煤礦F區(qū)三維地震勘探過程中也發(fā)現(xiàn)，在礦井的東部邊界，嘉祥支三斷層與DF40、DF41和DF49斷層的交匯處有疑似陷落柱的地質(zhì)異常體存在。 主要含水層及富水性區(qū)內(nèi)含水層主要有5個，分別是第四系松散含水層、3煤頂?shù)装迳皫r含水層、三灰、十下灰及奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。第四系松散含水層上組：厚56.9095.40 m，平均67.01m，主要以棕黃、褐黃色局部灰綠色的粘土、砂質(zhì)粘土及中、細砂層組成。砂層較純凈，分選好，約占組厚的30%，水文勘查曾對20個農(nóng)業(yè)機井作試驗，單井出水量309

7、0m3/h,水質(zhì)較好, 接受大氣降水補給充分，被廣泛用作工農(nóng)業(yè)水源。據(jù)濟寧二井田資料：單位涌水量0.11250.433 L/s.m,富水性中等至極強,水位標高+29+35.09m,礦化度500mg/L左右,水質(zhì)以HCO3-SO42-Ca2+Na+型水為主。與中組分界處分布有平均十余米厚的塑性指數(shù)超出17的粘土層,隔斷了與中組地層中含水層間的水力聯(lián)系。中組：厚43.6565.90m，平均56.83m,主要由灰綠色、黃褐色中、細砂夾粘土組成，局部含鈣質(zhì)結核。砂層層數(shù)多，連續(xù)性較好，約占組厚的40%，局部較松散，抽水試驗單位涌水量1.0271.378 L/s.m,富水性強。底界發(fā)育有厚011.30m

8、，平均厚4.28m的質(zhì)純隔水粘土層，第四系下組頂界為厚層鈣質(zhì)粘土層，故本組砂層孔隙含水層與下組含水層無水力聯(lián)系。下組：厚90.55118.50m，平均105.94m，主要由褐黃、灰綠色、灰白色含鈣粘土、鈣質(zhì)粘土組成，局部鈣質(zhì)富集固結。井田內(nèi)普遍沉積一層鈣質(zhì)半固結地層，厚0.9016.70m，平均8.81m,并具有沖刷再堆積現(xiàn)象，鈣質(zhì)層被沖刷后再堆積成角礫層。據(jù)精查地質(zhì)報告，第四系下組底部半固結的鈣質(zhì)層及角礫層已形成統(tǒng)一的堅硬地層，含裂隙-巖溶水。施工中所取巖芯溶洞直徑3080mm，溶洞中有大小不等的方解石晶體,巖溶率大于30%，角礫層孔洞也達1520%，底部鈣質(zhì)層漏水孔率達36%，成為礦井開采

9、的充水含水層。抽水試驗資料表明，單位涌水量0.005420.0138L/s.m,富水性弱,證實巖溶率雖高，但連通性不太強。水位標高:+18.38+32.47m,礦化度676700mg/L,水質(zhì)以HCO3-SO42-Ca2+Mg2+Na+型水為主。該組底部鈣質(zhì)層及石灰?guī)r角礫層占本組總厚度的9%，上部主要為含少量鈣質(zhì)的粘土層，厚度65m左右，夾少量薄層砂，能夠阻隔第四系中組、上組含水砂層的垂直補給。3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層開采3煤的主要充水含水層。平均厚33.31m，占組厚的55%。鉆孔中大消耗全漏水4次，漏水孔率40%，抽水試驗鉆孔單位涌水量0.004880.03418L/s.m，屬弱富水性含

10、水層?？傆捕?12.0886.02mg/L，礦化度400741mg/L，屬HCO3-Na+型水。三灰?guī)r溶裂隙含水層厚2.207.50m，平均4.58m,深灰色灰黑色，隱晶質(zhì)結構，局部具裂隙，揭露鉆孔中大消耗全漏水4孔次，漏水孔率57%，抽水試驗鉆孔單位涌水量0.004880.0238 L/s.m,弱富水性含水層?？傆捕?5.71 mg/L，礦化度667 mg/L，屬HCO3-Na+ 型水。由于斷裂構造影響，上距3煤間距減小，成為3煤層開采的直接充水含水層。十下灰?guī)r溶裂隙含水層厚度3.356.82m，平均5.00m 。本井田揭露5孔次，無一鉆孔漏水。據(jù)唐口井田資料，鉆孔漏失量4.1610m3/h

11、。十下灰?guī)r致密、堅硬，巖溶裂隙發(fā)育不均一，屬弱富水性含水層。抽水試驗鉆孔單位涌水量0.00177L/s.m，滲透系數(shù)0.052m/d。水位標高+33.72m，礦化度3347mg/L，PH值7.4，為Cl-SO42-Ca2+Na+Mg2+型水。奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層據(jù)區(qū)域資料，奧陶系石灰?guī)r總厚約800m，本井田揭露10孔次，最大厚度為23.80m,全漏水、消耗各一次。奧灰質(zhì)純,巖溶裂隙較發(fā)育，唐口井田鉆孔漏失量1.2810.8m3/h。抽水試驗鉆孔單位涌水量0.0490.132L/s.m，滲透系數(shù)0.0940.1169m/d，富水性弱中等。水位標高+31.97+32.68m，礦化度10525

12、366mg/L，PH值7.6，為SO42-Cl-Ca2+Na+Mg2+型水。三、突水工作面概況發(fā)生頂板突水的3301工作面為-400m水平330采區(qū)的首采工作面，處于-400m水平大巷的傾斜上方，北距310采區(qū)的3100工作面70m，西為3煤層露頭，東、南附近無采空區(qū)。工作面地面位于西李莊的西北側，地表主要為農(nóng)田。3301工作面煤層底板標高-243-367m。對應地面標高+35.8+36.8m，煤層埋深285.8373.7m，平均埋深331m。工作面走向長度405m, 傾斜面寬32.5m（包括兩順槽為40m），煤層傾角平均約20，煤層厚度平均6.9m，可采儲量5.8萬t。采煤方法為綜采限厚（初

13、壓前采高2.0m，初壓后采、放高度5.0m）放頂煤、短壁后退式。第四系總厚度約229m，底界標高約190m，上組厚67m,富水性強；中組厚約56m,為相對隔水層；下組厚約106 m，精查地質(zhì)報告確定下組為弱富水性含水層。四、突水經(jīng)過3301工作面于2011年9月1日投產(chǎn)， 10月14日6時30分，工作面在回采31m第一次老頂來壓、壓垮整面支架3小時后發(fā)生面后頂板突水，由初始水量18m3/h快速增大，當日10時涌水量達到最大115m3/h，以后逐漸波動減小，水質(zhì)檢測結果為3煤頂板砂巖水。到10月25日，水量衰減至40m3/h，并一直穩(wěn)定。工作面壓垮后留23m煤柱重新開切眼，2011年12月23日

14、再次回采。2011年12月23日工作面推采以來，頂板壓力顯現(xiàn)情況基本穩(wěn)定。12月27日13時30分左右，工作面推采17.5m出現(xiàn)淋水，主要集中在1118#支架間，淋水由面后沿軌道順槽流出。12月27日16時至28日18時，實測工作面總水量45.7 m3/h，其中新面水量10.8m3/h，總水量增加5.7m3/h，水量一直保持穩(wěn)定。2012年1月2日新面回采23m時, 面后淋水加大，實測工作面總水量53m3/h。到1月6日，水量在60121m3/h間波動變化，水質(zhì)化驗仍為3煤頂板砂巖水。 1月7日3時，工作面后4m、膠帶順槽以下3m的位置出現(xiàn)明顯的頂板集中突水點，并沿膠帶順槽向工作面推進方向逐漸

15、擴大。至5時，超前工作面煤壁3m處的膠帶順槽頂板突然垮落后突水，使工作面涌水量由150 m3/h左右迅速增加，到10時增加為1254 m3/h， 1月8日12時突水量最大達1316m3/h。之后，突水量以17070m3/d的幅度快速下降至200m3/h （1月17日）。1月24日，突水量衰減至150m3/h左右后基本穩(wěn)定。目前涌水量135m3/h，累計突水量30.9萬m3。工作面突水后，距離突水點610m的第四系下組鈣質(zhì)層觀測孔水位明顯下降，最大降深2.418m，水位波動與井下突水量變化具有明顯的相關性。伴隨突水量的減小，第四系下組鈣質(zhì)層觀測孔水位逐步回升，1月28日6時，恢復到3301工作面

16、突水前的原始水位+27.65m，最高上漲至+27.668m（1月29日7時）。五、突水水源及突水通道分析 突水水源分析突水后，觀測鄰近3301工作面的地表沉陷積水區(qū)水位無明顯變化，故排除地表水下泄可能；附近7處地面農(nóng)用機井水位無明顯變化，故基本排除了第四系上組含水層水下泄的可能。據(jù)水質(zhì)化驗資料，認為2012年1月6日前工作面涌水水源為3煤頂板砂巖水，1月7日工作面水量突增后水質(zhì)類似第四系下組鈣質(zhì)層水（與奧灰水水質(zhì)差別不明顯）。工作面突水后，第四系下組含水層水位迅速明顯下降，最大達2.418m，之后隨突水量的變化相應波動，當工作面突水量小于700 m3/h時，第四系下組水位就上升，說明突水水源與

17、第四系鈣質(zhì)層及砂礫層水關系密切。但據(jù)建井地質(zhì)報告及第四系下組水文觀測孔資料計算，降深至含水層底板的第四系下組鈣質(zhì)層涌水量最大僅為151.8m3/h。然而，這次突水量如此之大，說明有水量豐富的不明水源補給第四系下組鈣質(zhì)層?，F(xiàn)有資料還難以分析確定最終的突水水源。 突水通道分析經(jīng)分析，3301工作面突水通道有以下三種可能。第四系底部在DF49斷層與基巖交面線存在古河床或巖溶裂隙等極暢通的過水通道,延展方向由東北向西南（與工作面順槽近似平行）,與奧灰等強含水層溝通并接受其補給。3301工作面附近地質(zhì)孔均未揭露第四系底界強含水層，根據(jù)突水量大、補給量大，分析在第四系底部鈣質(zhì)層或砂礫層中可能存在較強巖溶裂

18、隙過水通道或存在古河床過水通道，延展方向西北-東南向（觀測孔與3301工作面連線方向）。第四系底界鈣質(zhì)層中存在環(huán)網(wǎng)狀巖溶裂隙（各向?qū)曰疽恢拢?。?301工作面上方第四系底界鈣質(zhì)層中環(huán)網(wǎng)狀裂隙均勻分布，大面積含水層中的巖溶水多方向向突水點匯集。六、治理方案目前，3301工作面突水量已衰減至135m3/h左右。突水量快速減小應是突水通道自然堵塞所致，但堵塞位置、堵塞程度不明。為根除水患，經(jīng)分析研究決定采取井上、下結合的方法對3301工作面突水點進行封堵?？傮w思路是結合物探成果，再用鉆探驗證進一步查找確定突水水源和突水通道，根據(jù)探查結果布置注漿堵水工程。堵水目的層為第四系底界突水通道或突水源頭

19、（在采動裂隙頂部注漿堵水，盡量不充填采空區(qū)）。 地面物探瞬變電磁勘探瞬變電磁電法測線平行于3301工作面布設，采用10m20m網(wǎng)格（點距10m、線距20m）。對11條測線視電阻率斷面圖及選取-120-240m標高范圍內(nèi)每隔20m插值生成不同標高的7個平面視電阻率分布圖進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，勘探范圍內(nèi)各測線都明顯反映出，在3301工作面突水點上方(埋深120220m)有一個明顯的低阻異常區(qū)，平面寬度在D1-D9線約60m，DJ1DJ2線處有所加大，約120m，平面延展方向垂直于工作面順槽；垂向上存在疑似涌水通道。高密度電法勘探高密度電法勘探以工作面突水點為中心布設“井”字狀測線4條，采用三極測深裝置

20、（最小極距50m、最大極距370m），供電電極間距10m?？碧桨l(fā)現(xiàn)的異常區(qū)位置與瞬變電磁勘探有一定的一致性，在3301工作面突水點附近有明顯異常區(qū)，主要異常區(qū)在突水點東南側。 堵水方案目前工作面涌水量在135m3/h左右，礦井運輸、通風等系統(tǒng)已恢復正常。結合物探結果及井上、下實際條件，在3301工作面兩順槽砌筑水閘墻，并具備控水條件的基礎上，提出以下三種方案： 方案一 地面打鉆，動水注漿針對3301工作面突水點施工1個地面注漿孔，以第四系底界鈣質(zhì)含水層為注漿目的層，封堵突水通道。方案二 地面打鉆，靜水注漿針對工作面突水點施工一個地面注漿孔，利用3301工作面兩順槽水閘墻控水形成靜水條件后，以第

21、四系底界鈣質(zhì)含水層為主要注漿目的層，封堵突水通道或直接注漿充填采空區(qū)。方案三 利用水閘墻預留注漿管井下靜水注漿利用3301工作面兩順槽水閘墻控水形成靜水條件后，直接通過水閘墻預留的注漿管注漿充填采空區(qū)。通過對上述方案進行對比、分析，從現(xiàn)井上、下具體施工條件、施工難易程度、施工成本、安全、成功率等各方面因素考慮，決定采用地面打鉆，動水注漿方案。方 案優(yōu) 點缺 點方案一：地面打鉆，動水注漿易于鉆探施工；制漿注漿容易操作；存在撤除工作面設備的可能；工程量相對小。工農(nóng)關系難協(xié)調(diào)；漿液可能順水大量流失；工期可能加長。方案二：地面打鉆，靜水注漿易于鉆探施工；制漿注漿容易；成功把握大；工期短。工農(nóng)關系難協(xié)調(diào)

22、；材料成本高方案三：利用水閘墻預留注漿管井下靜水注漿成功把握大；無需協(xié)調(diào)工農(nóng)關系；費用相對較低。制漿空間狹小，操作受限；注漿材料運輸繁雜；注漿需克服靜水壓力，對設備要求高，不易操作。各方案經(jīng)濟技術對比分析 表1 七、工程布置 隔離工程為防止堵水工程實施過程中造成二次突水災害，設計先在3301工作面順槽施工水閘墻，隔離突水區(qū)。根據(jù)3301工作面膠帶順槽突水點的位置，并充分考慮地面注漿作用在3301工作面封閉突水區(qū)域的漿液動壓影響，設計3301工作面膠帶順槽水閘墻墻體長度10m，選址在51#導線點以里5.1m處，采用河北同成科技有限公司的“波雷因”新材料不掏槽快速構筑新工藝進行施工。3301工作面

23、軌道順槽水閘墻里端與膠帶順槽水閘墻平行設置，長度5m，結構形式為方柱形，采用傳統(tǒng)的四周掏槽混凝土砌筑工藝施工。工作面水閘墻砌筑完成后，利用預留的注漿管路將墻內(nèi)巷道先行填充，以加大隔離煤（巖）柱的尺寸，并確保水閘墻能安全應對地面注漿堵水過程中可能造成的突水量災變。設計軌道順槽水閘墻以里注漿充填至工作面停采線，注漿量計630m3；膠帶順槽水閘墻以里注漿充填至工作面最外緣出水點位置，注漿量計290m3。 鉆探工程根據(jù)對突水水源和突水通道的分析，在物探基礎上布置探查和注漿鉆孔，進行第四系下組水、奧灰水流速、流向的測定，以進一步查明突水水源、突水通道、來水方向，并對突水通道進行注漿封堵。探查鉆孔布置設計布置2個地面探查鉆孔。 在突水點西南方向，距離工作面開切眼約100m，施工一個奧灰水文觀測孔，并兼做突水水源通道及來水方向的探查。 設計在突水點的東南方向距離工作面集中突水點100m，施工一第四系下組探查孔，對物探查出的異常區(qū)進行驗證，以進一步分析突水水源、突水通道及來水方向。鉆孔技術參數(shù)見表2。 鉆孔技術參數(shù)一覽表 表2 孔號孔口坐標設計孔深終孔層位鉆孔目的任務備注1#X=Y=Z=+36.0450m奧灰含水層（頂界面以下50m）探查3301工作面突水水源及通道探查孔兼 水文長觀孔2#X=Y=