超前探查与防治水技术

摘要：软岩地层及高压含水层是影响井巷安全施工的技术难题，基于林南仓矿-650石门井下超前探钻孔发生喷孔现象和围岩泥化流变巷道垮塌事故，研究了复杂条件下超前探查和综合防治水技术路线，介绍了防治水工程实施情况，实践表明，井上与井下防治水工程相结合以及物探与钻探相结合、疏水与堵水相结合、超前探测与综合治理相结合的“四位一体”综合防治水技术效果显著，有效解决了影响工程施工的安全技术难题。 关键词：泥质软岩；高压含水层；防治水；四位一体 中图分类号: TD745+.2 文献标识码: A 文章编号：

Exploration and Water Prevention Technology of Soft Rock and High Pressure Aquifer Mine Condition

MA Xin-ping

( Kailuan Group Coalmining Company，Tangshan 063000，China)

Abstract: Soft rock and high pressure aquifer is major technical problems of mine construction , based on advanced detection hole high pressure water spraying phenomenon and the roadway collapse accident for the mud rheological of surrounding soft rock at the roadway of -650 m level in Linnancang mine, a four-in-one comprehensive technology of water disaster prevention and control was studied, using a combination technology of ground and underground drilling, of geophysical exploration and drilling, of drainage and plugging water, of advanced geology detection and comprehensive water control. The project practice shows that the effect is remarkable, it resolved the safety problems effectively.

Key words: argillaceous soft rock; high pressure aquifer; water prevention and control; four-in-one

0 引言

在地下工程中，深井软岩巷道支护是目前矿压界的支护难题之一，再加上地下水的作用，围岩软化流变对于井巷工程施工更是雪上加霜。开滦林南仓矿三水平延深工程，-650轨道石门施工过程中揭露的高压富水软岩严重阻碍了工程的安全施工。2012年巷道迎头2号超前钻孔施工至孔深167 m时涌水量由18 m³/h增大至36 m³/h，并瞬时达到90 m³/h，钻孔间歇性喷出水和碎

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石，前后喷出碎石约30 m，含水层水压5.2 MPa。治理后，施工与之平行的回风石门，超前施工106 m时，巷道右邦出现淋水，最大水量48 m³/h，巷道顶板压力加大。暂停施工后，迎头巷道变形逐渐加重，10 d后软岩层在水作用下泥化流变，压垮巷道并向外蠕动充填堵塞巷道长达25 m。 1 地质概况

开滦矿区水文地质条件复杂，历史上范各庄矿曾发生世界罕见的特大岩溶陷落柱突水事故。目前各矿井进入深部开采，不断发现的岩溶陷落柱、地质异常体以及断层滞后突水等重大隐蔽致灾因素突显矿区防治水工作的难度。开滦集团林南仓矿位于蓟玉复式向斜林南仓盆地，核定

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生产能力1.8 Mt/a，年均矿井涌水量558 m/h。林南仓矿地质条件复杂，中小型断层发育破坏地层完整程度、褶曲造成煤岩层起伏较大、局部岩浆岩侵蚀造成煤层大面积缺失。特别需要注意的是，煤系地层存在大范围灰白色遇水易膨胀软化砂岩层（俗称“白砂矸”），微观分析表明，软岩段岩层粘土矿物高达53-74%，其中蒙脱石和高岭土含量较高，蒙脱石遇水后发生快速膨胀和泥化流变构成巷道变形失控的重要机制，给井巷支护及后期维护造成困难。

-650石门工程位于林南仓向斜轴部区，按设计该工程将穿过向斜轴至向斜南翼，是矿井南

翼开发的关键工程。向斜轴部将揭露工程控制较少的远离可采煤层的上部层位--唐家庄组地层，其A层底板为杂色厚层状中粗砂岩含水性较强含水层，胶结较差。地面补勘钻孔仓生52钻孔，位于石门工程东北部法线距离468 m，缺失煤12至奥灰间地层，初步确定该断层落差135 m，定名F23正断层，该断层可能延伸至施工区域并构成安全威胁（图1）。 2 防治水技术路线 2.1 超前探测

在地面钻探和三维地震补勘基础上，井巷工程施工前开展井下超前探测。按照先探后掘、循环探查的原则，井下布置瞬变电磁等物探和超前探查钻孔，探查前方煤岩层赋存状况、疏放含水层水。 2.2 监测监控 2.2.1 地面钻孔

矿井建立有主要含水层动态监测系统，对三大含水系统七个含水层实施在线监测，各主要含水层监测钻孔情况如下：

冲积层，1 个； 煤系地层，7 个； 奥灰含水层，4 个。 2.2.2 井下水文观测孔

针对地面钻孔含水层水位监测钻孔局限性，在井下施工针对性更强的水文观测孔进行监测，观测水量及水压变化并取样化验。 2.2.3 井巷涌水量监测 2.2.4 超前探钻孔水文监测

新区域及构造复杂区采取先探后掘，实施超前探钻孔，对前方含水层水压、水质及钻孔水量变化情况进行分析监测，对含水层水进行疏放，经研究论证具备安全施工条件后，下发允许掘进通知单，生产单位方可施工。

-650石门钻孔突水后，先后采取钻孔及巷道迎头水样16 个进行水质分析对比，排除第四系及奥灰水可能，为下一步水害治理提供关键技术支持(图2)。

2.3 地面注浆堵水

施工注浆钻孔，超前封堵掘进工程前方断层及裂隙水。由于井下巷道空间有限，施工注浆堵水工程较为困难，而地面帷幕注浆设计钻孔工程量大，工程造价高，采取“井下探查确定靶区、井上施工钻孔进行注浆堵水”的技术路线，做到有的放矢。 2.4 综合治理

对三水平主系统工程进行重新设计，沿垂直地层走向施工，减少工程穿过软岩层的长度；采用“三锚四喷”施工工艺，用锚、网、索、注等复合支护技术，加强巷道支护强度，减少巷道变形；建立完善的防排水系统及管理制度。 3 防治水工程与施工技术 3.1 软岩钻孔施工

采取多层套管及反复注浆技术，确保软岩段止水套管固结牢固，防止钻孔高压涌水失控。为确保钻孔出水后安全可控，防治水规定水压大于3 MPa钻孔止水套管不小于20 m，同时，在钻孔施工揭露软岩时，采取了多次注浆加固以及增加止水套管级数和长度等技术措施，确保钻孔出水后能够安全可控。-650回风石门施工的A层底板井下水文观测孔，倾角30°，孔深110.5 m，

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终孔水量21 m/h，水压5.2 MPa。钻孔先后下设了4 层止水套管和1 层滤水管（图3）。

3.2 井下超前探测

在650石门延深工程按照 “有掘必探” 原则组织施工，严格落实循环探查和开停开通知单制度，并在现场落实好挂牌管理。 3.2.1 隐蔽致灾因素探查

2012年3月7日，在-650轨道石门迎头施工的超前探钻孔施工至孔深167 m时，涌水突然增大并在后期发生喷孔，揭露了该区域复杂的地质条件，避免了可能发生的安全事故，为以后的工程治理提前做好了技术、物资、心理及采掘衔接等的准备。 3.2.2 疏降含水层水

期间实施井下超前探测钻孔7 组，累计施工钻孔31 个，钻探进尺201 1.3 m。 3.2.3 地面注浆靶区确定

依据井下超前探钻孔探测情况确定地面注浆钻孔孔位。一是依据钻孔出水点位置，确定了G3孔、H3孔及XG1孔施工位置，二是依据超前探钻孔软岩喷孔可能形成的空洞区确定了XH1钻孔注浆孔位。

3.3 地面注浆工程

帷幕注浆设计钻孔10个，依据井下超前探钻孔出水点位置等因素，实际施工4个钻孔，其中对G3孔进行延深，注浆完毕后兼做地质孔对深部层位进行探查控制。完成钻孔进尺3 047 m，注

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浆量13 105 m，其中单液水泥浆107 m，粘土水泥综合浆12 998 m。注浆终压取静水压力2～3倍，为13.4～20.1 MPa（最大静止水柱670 m）。受地面高压线影响，采用螺杆马达定向施工技术施工定向钻孔2 个。 3.4 物探技术应用

探测过程中采用瞬变电磁法、全方位电法进行超前探测前方地层富含水性。圈定富水异常区7个，经钻探验证，其中3个有较大涌水；工程施工过程中采用井下钻孔测井技术，对XG1钻孔注浆效果进行验证，查明了注浆扩散范围及岩层裂隙产状等情况（图4）。

4 效果

工程主要分两期进行，前期主要以堵水为主，后期以疏水为主。地面注浆工程和实施，老

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回风石门涌水由48 m/h减少到0.6 m/h，新轨道石门钻孔出水点及裂隙带得到了有效封堵；软岩超前探钻孔施工技术安全可靠，按照探查—疏水—掘进施工—探查—疏水的循环探查方法，

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含水层水压由超前探2号钻孔揭露的5.2 MPa逐渐减小为0.7 MPa，累计疏放水达200 万m，至2016年5月-650新轨道平石门安全通过软岩高压含水层区段，达到了预期效果。 5 结语

(1)软岩巷道的施工关键是“治水”，阻止外围水对岩体力学性质的劣化，防止围岩进入泥化流变阶段。

(2)采用井上与井下治水工程相结合、物探与钻探相结合、疏水与堵水相结合、超前探测与综合治理相结合的“四位一体”防治水安全施工技术，有效解决了高压富水条件下软岩巷道施工的安全技术难题；

(3)深部开采存在复杂地质构造因素，工程附近存在落差135 m断层以及对软岩巷道认识的阶段性等增加了地质工作难度，工程治理经历了一个曲折的过程，前期工程进展较慢。今后制定新水平采掘衔接规划时要充分考虑水文地质隐蔽致灾因素探查以及新区域含水层疏水降压等时间因素。