復(fù)雜突水條件下礦井注漿堵水技術(shù)

姬中奎

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

礦井發(fā)生特大突水需要在動(dòng)水條件下進(jìn)行注漿時(shí)，一般情況下過水通道的位置都比較清楚，截流段容易確定，若是掘進(jìn)中突水，則掘進(jìn)巷道為過水通道，可在該獨(dú)頭巷道實(shí)施截流;若是工作面回采出水，則上下順槽是過水通道，可對(duì)兩條巷道實(shí)施截流[1～9]。我國(guó)是世界煤炭生產(chǎn)大國(guó)，全國(guó)各地礦井眾多，水文地質(zhì)條件多樣，采掘情況復(fù)雜，有時(shí)候礦井發(fā)生特大突水，但突水點(diǎn)可能不在本礦生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，這時(shí)候堵水就不像在本礦內(nèi)那么簡(jiǎn)單。2011年8月7日，陜西韓城桑樹坪煤礦發(fā)生特大突水，原因是臨近小煤礦越界開采本礦深部煤層，底板奧灰突水淹沒該小煤礦，之后水流上行進(jìn)入到桑樹坪礦生產(chǎn)系統(tǒng)。由于突水量巨大，導(dǎo)致礦井深部被淹。為了保住礦井上部系統(tǒng)，桑樹坪礦不得不在強(qiáng)排控制井下水位的情況下進(jìn)行動(dòng)水注漿堵水。要進(jìn)行動(dòng)水截流，首先要明確堵水段的位置，為定向鉆探指明方向，但小煤礦的采掘系統(tǒng)不清楚，過水通道及截流段難以確定，要想在短時(shí)間內(nèi)成功堵水，難度非常大。面對(duì)困難，桑樹坪煤礦想方設(shè)法查清了過水通道，確定了截流段的準(zhǔn)確位置，經(jīng)過動(dòng)水注漿，最終成功堵水。研究總結(jié)桑樹坪礦在復(fù)雜突水條件下的堵水方法和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于提高礦井防治水技術(shù)水平、在類似條件下實(shí)現(xiàn)快速搶險(xiǎn)堵水具有十分重要的意義。

1 礦井及突水概況

1.1 礦井概況

桑樹坪煤礦位于陜西省韓城市北部約35 km的桑樹坪鎮(zhèn)，礦井隸屬陜煤化集團(tuán)韓城礦業(yè)公司，現(xiàn)主采山西組2號(hào)煤和3號(hào)煤，年生產(chǎn)能力約為1.5 Mt。桑樹坪井田面積約49 km2，地貌屬構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，地形復(fù)雜，溝谷發(fā)育，高差幅度大，低處標(biāo)高約為440 m，最高處達(dá)1044 m，溝谷及兩側(cè)基巖裸露，山腰及山頂多為黃土覆蓋。地表鑿開河以近東西向貫穿井田，把桑樹坪井田分為南北兩翼，黃河在井田的東部。由于歷史的原因，桑樹坪礦東部淺埋區(qū)小煤礦眾多，歷史上發(fā)生過多起越界開采的現(xiàn)象。

1.2 突水概況

2011年8月7日0:05時(shí)，桑樹坪礦安全巡視員發(fā)現(xiàn)北二車場(chǎng)繞道密閉墻處有大量的水涌出，涌水很快沖垮密閉墻，礦調(diào)度室緊急通知撤人。由于涌水量峰值達(dá)到13200 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于礦井最大排水量，礦井深部被淹沒。為了保住礦井上部生產(chǎn)系統(tǒng)，桑樹坪煤礦在韓城礦業(yè)公司及陜煤化集團(tuán)公司的大力幫助下日夜奮戰(zhàn)，從全國(guó)各地調(diào)用大泵，全力展開強(qiáng)排工作，最終在礦井總排水能力達(dá)8000 m3/h的情況下將井下淹沒水位控制在333 m標(biāo)高處。

2 突水條件分析及堵水方案制定

2.1 突水條件分析

本次突水的水量巨大，根據(jù)淹井時(shí)計(jì)算，突水量的峰值為13200 m3/h，在強(qiáng)排將水位控制在333 m標(biāo)高的情況下，穩(wěn)定突水量約8000 m3/h，除奧灰外本地沒有其他含水層有這么大的補(bǔ)給能力。本地奧灰的水位標(biāo)高為375 m，突水在井下排水情況下的動(dòng)態(tài)淹沒水位為333 m，符合奧灰水的水位特征。桑樹坪礦有一個(gè)報(bào)廢井內(nèi)有奧灰水，發(fā)生突水后，該井的水位下降了約6 m，奧灰水位能下降6 m，表明突水為有奧灰水參與。剛發(fā)生突水時(shí)，所取水樣礦化度為3319 mg/L，水質(zhì)類型為 SO4·Cl－Ca·Na·Mg型水，具備當(dāng)?shù)乩峡账奶卣鳎笃谒|(zhì)穩(wěn)定后所取水樣礦化度為2324 mg/L，水質(zhì)類型為Cl·SO4－Na·Ca型水，符合當(dāng)?shù)貖W灰水的水質(zhì)特征。綜合分析以上突水量、礦井淹沒水位、觀測(cè)井水位變化及突水水化學(xué)特征(見表1)，確定本次突水的水源為奧灰水。

表1 桑樹坪礦突水條件分析

由于桑樹坪礦本身沒有發(fā)生奧灰突水，很顯然，本次突水與附近小煤礦有關(guān)。經(jīng)過對(duì)附近小煤礦的排查，發(fā)現(xiàn)臨近禹昌煤礦越界開采了桑樹坪煤礦11號(hào)煤，該處11號(hào)煤與奧灰的平均間距不到20 m，煤層底板承受的水壓約為0.7 MPa，突水系數(shù)Ts為0.0875 MPa/m。調(diào)查得知該礦在11號(hào)煤采掘中發(fā)生了奧灰底板突水，突水淹沒禹昌礦后，水流通過禹昌順礦采空區(qū)進(jìn)入到桑樹坪礦井，突水點(diǎn)應(yīng)該位于禹昌礦采掘頭附近。雖查清了突水的礦井及突水原因，但禹昌礦的采掘巷道空間展布情況不清楚，不知道突水究竟是從哪一條巷道過來，該條巷道的精確三維坐標(biāo)更是無從知曉。由于眾所周知的原因，一方面小煤礦開采沒有大的工作面和系統(tǒng)的采掘計(jì)劃，隨意性較強(qiáng);另一方面小煤礦采掘填圖工作不完善，采后無相關(guān)采掘圖件;加之即使有相關(guān)圖件，小煤礦也未必能如實(shí)提供。因此，雖然搶險(xiǎn)工程迫在眉睫，地面急需給定截流巷道的空間位置進(jìn)行定向鉆探，但現(xiàn)場(chǎng)無法給出截流段的精確位置。很顯然，本次突水情況比一般的本礦采掘中突水要復(fù)雜得多，堵水難度較大。

2.2 堵水方案制定

為了保住礦井上部生產(chǎn)系統(tǒng)，堵水必須在動(dòng)水的情況下選擇一條巷道進(jìn)行截流。由于小煤礦資料不全、圖紙不可靠，簡(jiǎn)單的方法是在桑樹坪礦內(nèi)選取一段巷道堵水，這樣做的好處是巷道空間位置明確，可以迅速開鉆，但缺點(diǎn)是放棄了本礦一部分生產(chǎn)系統(tǒng)，截流后礦井不能完全恢復(fù)生產(chǎn)。經(jīng)過研究，決定把截流段放在禹昌礦越界的11煤巷道中，突水的總體堵水方案為:第一步，先采取各種手段查明截流巷道的位置;第二步，在截流巷道位置確定后實(shí)施地面截流堵水工程;第三步，截流成功后在開展礦井追排水和恢復(fù)生產(chǎn)的同時(shí)，先后延伸截流孔至11煤底板和奧灰頂部，對(duì)11煤底板和奧灰頂部進(jìn)行加固注漿。

3 巷道截流段探查

過水巷道截流段的探查是本次堵水的難點(diǎn)和重點(diǎn)，為了查明截流段準(zhǔn)確位置，桑樹坪礦采取了多種探查手段，包括走訪調(diào)查、井上下物探、井下鉆探及示蹤試驗(yàn)等方法。

3.1 小煤礦調(diào)查

在確定是禹昌礦采掘11煤發(fā)生奧灰突水后，桑樹坪礦有關(guān)工作人員多次去該礦進(jìn)行走訪調(diào)查。因該礦深部已被突水淹沒，無法下井查看，只能通過該礦人員了解采掘情況。工作人員最初曾經(jīng)獲得了一部分資料，之后通過深入調(diào)查和對(duì)比，證明該資料完全不可靠。后來又反復(fù)去該礦做工作，最終獲得了一個(gè)相對(duì)真實(shí)的資料，但該圖紙是采用羅盤加步測(cè)的方式用直尺標(biāo)注的，準(zhǔn)確性較差。盡管如此，根據(jù)該資料，結(jié)合桑樹坪煤礦采掘工程圖，仍發(fā)現(xiàn)禹昌礦有一條采巷是突水外流的必由之路，該巷道恰好從桑樹坪礦365中巷下方約40 m深度處通過，若能找出該巷道的確切位置，該處是實(shí)施截流的最佳地點(diǎn)。

3.2 井上下物探

有了大體位置后，先采取了物探方法對(duì)巷道進(jìn)行了探查，其中地面采取的是瞬變電磁方法，井下采取的是高密度電法勘探。地面電法在長(zhǎng)360 m×120 m的區(qū)域內(nèi)以20 m×20 m的網(wǎng)度布置測(cè)點(diǎn)，共布置7條測(cè)線，每條測(cè)線上有19個(gè)測(cè)點(diǎn)，探測(cè)深度為+310 m，超過11煤底板?？碧浇Y(jié)果表明測(cè)區(qū)南部有低阻異常區(qū)，推斷該異常為11號(hào)煤采空區(qū)。井下電法在365上中巷以聯(lián)巷口布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 m，共布置測(cè)點(diǎn)66個(gè)，編號(hào)為－6～60;365下中巷以上中30號(hào)測(cè)點(diǎn)為起點(diǎn)，向南按5 m間距布置測(cè)點(diǎn)40個(gè)，為－10～30。探查結(jié)果表明，在2條測(cè)線的4號(hào)點(diǎn)附近下方約50 m處有一條寬約20 m的低阻區(qū)，疑似過水巷道，且4號(hào)點(diǎn)恰好位于瞬變電磁測(cè)區(qū)南部。

3.3 井下鉆探

根據(jù)物探結(jié)果，先在4號(hào)測(cè)點(diǎn)附近布置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔見11煤后未發(fā)現(xiàn)掉鉆，之后在4號(hào)測(cè)點(diǎn)兩側(cè)擴(kuò)大鉆探范圍。施工中9號(hào)和12號(hào)鉆孔最先掉鉆探測(cè)到落空段，落空長(zhǎng)度為3 m，與禹昌礦巷道高度相符，同時(shí)鉆孔有水涌出，之后在9號(hào)孔和12號(hào)孔兩側(cè)布設(shè)加密鉆孔，探查巷道邊界和寬度。整個(gè)井下探查工程共布置了20個(gè)孔位，相鄰孔位間距為5 m，其中部分鉆孔孔位施工了3個(gè)鉆孔，垂直方向上分別為0°、15°和30°，整個(gè)井下鉆探工程共施工了32個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺為1551.7 m。鉆探中7號(hào)孔至12號(hào)孔段之間均遇見空洞，－6號(hào)孔至6號(hào)孔段、13號(hào)孔至15號(hào)孔段之間的鉆孔均揭露實(shí)煤體。據(jù)此分析，過水通道在7號(hào)孔至12號(hào)孔之間，與物探異常區(qū)邊界很接近。井下鉆探工程及過水通道推測(cè)邊界詳見圖1。經(jīng)分析，由于小煤礦的多采用巷采方式，加上突水水流的持續(xù)沖刷，禹昌礦越界采巷寬約23.5 m，高約3 m，斷截面約70.5 m2，動(dòng)水的過水?dāng)嗝孑^大。

圖1 探查孔、截流孔及推測(cè)通道平面示意圖

探查中先安排2臺(tái)鉆機(jī)對(duì)物探異常點(diǎn)進(jìn)行施工，鉆機(jī)為ZDY1500型全液壓坑道鉆機(jī)，后為了加快進(jìn)度，增加2臺(tái)共4臺(tái)鉆機(jī)在巷道中一字?jǐn)[開。由于365中巷距離過水巷道垂高僅為40 m，且巷道為巖層，底板標(biāo)高比奧灰水頭低10m，比井下排水點(diǎn)水頭高32 m，因此采用裸孔鉆進(jìn)技術(shù)，不下孔口管直接開鉆，孔徑為75 mm。鉆探工藝為普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，不配泥漿直接用清水鉆，鉆探過程中要求嚴(yán)密觀測(cè)鉆孔返水或漏水情況。由于鉆孔距離突水點(diǎn)近，過水巷道內(nèi)水頭較高，最后透巷后鉆孔有水溢出但水壓不大。鉆孔封孔采用下木塞的方式，用鉆桿將木塞下至孔中，上部灌入水泥，木塞浸水膨脹及水泥凝固后孔口無水溢出。

3.4 示蹤試驗(yàn)

為了證明落空段為過水巷道，鉆進(jìn)中掉鉆后進(jìn)行了示蹤試驗(yàn)，示蹤劑為食品紅。9月15日，在12號(hào)孔掉鉆2.4 m后，將5 kg示蹤劑與1 m3水混合后壓入鉆孔中，約45 min后，觀測(cè)人員在禹昌礦排水點(diǎn)檢測(cè)到食品紅成分。9月19日，9號(hào)孔掉鉆3 m后如法進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，42 min后，禹昌礦排水點(diǎn)檢測(cè)到示蹤劑成分。示蹤試驗(yàn)證明，9號(hào)孔和12號(hào)孔所揭露該段巷道為突水的過水通道。

4 堵水工程實(shí)施

4.1 動(dòng)水注漿截流

由于過水巷道的斷面寬面積大，堵水中在截流區(qū)布置兩排8個(gè)鉆孔，鉆孔錯(cuò)開成梅花形，其中Z1和Z2為第一排灌注孔，Z3、Z4和Z5為第二排灌注孔，兩排鉆孔間距離為15 m，Z6、Z7和Z8為過水巷道邊界探測(cè)孔，鉆孔具體位置詳見圖1。鉆孔一開孔徑311 mm，鉆進(jìn)11 m進(jìn)穩(wěn)定基巖后下入244.5 mm×8.94 mm一開套管;二開孔徑216 mm，下入139.7 mm×8.05 mm二開通天套管，下至距離過水巷道頂板以上約20 m深度處，裸孔段110 mm，透巷處長(zhǎng)度約20 m，截流孔鉆探情況詳見表2，鉆孔結(jié)構(gòu)詳見圖2。

鉆探中為了加快搶險(xiǎn)進(jìn)度，采用美國(guó)雪姆公司T130型鉆機(jī)進(jìn)行定向鉆進(jìn)。一開鉆孔段采用水鉆，二開鉆孔段采用風(fēng)鉆。為了防斜糾偏，而又不影響鉆進(jìn)速度，在鉆孔施工中引進(jìn)了復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，利用單彎螺桿和PDC鉆頭，在不更換鉆具狀態(tài)下糾偏作業(yè)，糾偏后即可啟動(dòng)鉆進(jìn)，這樣可減少起下鉆時(shí)間，提高鉆進(jìn)時(shí)效。測(cè)斜使用單點(diǎn)測(cè)斜照相儀，每鉆進(jìn)20 m測(cè)斜一次，根據(jù)測(cè)斜結(jié)果及時(shí)導(dǎo)向。透巷前是鉆孔最后的關(guān)鍵階段，采用筒狀掃鐵鉆頭取心鉆進(jìn)，密切觀測(cè)鉆井液消耗漏失情況。接近巷頂時(shí)，孔底要減壓至10 MPa以下，以免壓塌巷道頂板。采用此鉆探技術(shù)，鉆孔從開鉆到透巷基本都在5～7天內(nèi)完成。

表2 鉆孔情況及鉆探工程量統(tǒng)計(jì)

圖2 截流鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

骨料灌注中，原計(jì)劃通過定向鉆探在Z1孔和Z2孔穿透365中巷后，利用井下探查孔對(duì)接進(jìn)行注漿，因365巷道底板巖層破碎，不得已施工了兩道擋水墻段對(duì)截流段上部365巷道進(jìn)行了封閉，之后鉆孔穿透365巷道底板，固結(jié)完二開套管后才進(jìn)行灌注。整個(gè)截流工程中共灌入骨料25716 m3，其中細(xì)骨料砂子為25416 m3，米石為300 m3，各孔灌注情況詳見表3。最終骨料在過水巷道接頂，涌水量衰減至150 m3/h，同時(shí)奧灰水位大幅回升，表明骨料已將巷道中的管道流截住。之后馬上開始注入水泥漿，對(duì)阻水墻及周邊裂隙進(jìn)行加固，最后奧灰水位完全恢復(fù)，動(dòng)水截流宣告結(jié)束。

表3 注漿工程量統(tǒng)計(jì) /m3

骨料灌注采用射流自重灌注法，具體工藝為:鉆孔孔口密封，連接一個(gè)灌砂管，灌砂管與三通漏斗相連，三通漏斗另兩端分別為灌砂口和進(jìn)水口。灌砂口朝上接受骨料的灌入，進(jìn)水口平放連接注水管，注水管與排量為100 m3/h的潛水泵相連，潛水泵產(chǎn)生的高速水流可把自重落入漏斗的骨料沖進(jìn)鉆孔中，然后通過鉆孔輸送到巷道中堵水。加固注漿中水灰比為1∶1，采用連續(xù)快速注入方式，以免加固不及時(shí)水流突破堵水墻。注漿終壓時(shí)要求為孔口壓力≮3 MPa，注漿泵量≯50 L/min，并在高壓力和小泵量的情況下維持30 min以上。通過加固注漿，堵水墻與巷道周邊煤巖體連成了一個(gè)整體，可有效防止水流通過墻體與巷道之間的裂隙漏水。

4.2 底板延伸注漿

動(dòng)水截流后，一方面突水點(diǎn)探查還需工程量，另一方面為了避免小煤礦再次偷采，沒有對(duì)突水點(diǎn)實(shí)施治理。但為了進(jìn)一步從深部消除突水隱患，對(duì)原地面7個(gè)截流孔(Z1孔除外)進(jìn)行了延伸鉆探和注漿。先延伸鉆孔至11煤底板，對(duì)底板巖層進(jìn)行注漿加固;之后再次延伸至奧灰頂部約30 m，對(duì)奧灰頂部進(jìn)行高壓注漿。奧灰頂部注漿中，Z6孔進(jìn)入奧灰后沖洗液大量漏失，最終注入水泥漿14550 m3后起壓，注漿量在所有鉆孔中最大，說明該孔揭露到奧灰頂部巖溶通道，對(duì)封堵奧灰?guī)r溶通道有重要的作用。

底板延伸注漿中鉆探采用PDC鉆頭常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)，孔徑110 mm，不下套管逐步延伸鉆進(jìn)。注漿中水灰比為1～2，注漿方式采用連續(xù)式與間歇式相結(jié)合，對(duì)Z3等吃漿量少的鉆孔，采用稀漿連續(xù)注入，對(duì)于Z6等吃漿量大的鉆孔，采用稠漿間歇注入。注漿的終孔標(biāo)準(zhǔn)同截流加固注漿，要求在孔口壓力≮3MPa、注漿量≯50 L/min的情況下維持30 min以上。

4.3 堵水工程效果

動(dòng)水截流工程結(jié)束后，奧灰水位完全恢復(fù)，剩余水量約為80 m3/h，桑樹坪礦井開始恢復(fù)生產(chǎn)。經(jīng)過延伸至11煤底板及奧灰頂部進(jìn)行注漿后，最后的殘余水量?jī)H為24 m3/h，整個(gè)堵水工程的堵水率達(dá)到99.8%。

5 結(jié)語

桑樹坪礦堵水實(shí)踐表明，對(duì)于小煤礦越界開采本礦底部煤層造成的被動(dòng)型礦井特大突水，在過水通道位置不清楚的前提下，可采取如下方法進(jìn)行堵水:

(1)首先要通過走訪調(diào)查了解小煤礦的采掘情況，之后結(jié)合本礦采掘系統(tǒng)確定截流段的大體位置;

(2)之后采用物探手段對(duì)截流段巷道位置進(jìn)行詳細(xì)探查，并根據(jù)物探成果在井下使用鉆探方法精確查明過水巷道的空間位置;

(3)截流段巷道查清后先進(jìn)行動(dòng)水截流注漿，截流成功后在追排水的同時(shí)再進(jìn)一步對(duì)煤層底板和奧灰頂部進(jìn)行注漿。

[1] 李松營(yíng).應(yīng)用動(dòng)水注漿技術(shù)封堵礦井特大突水[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(8):28 －30.

[2] 趙蘇啟.煤礦突水災(zāi)害快速治理的配套技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(2):26 －28.

[3] 劉建功，趙慶彪，白忠勝，等.東龐礦陷落柱特大突水災(zāi)害快速治理[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33(5):4 －7.

[4] 白峰青，盧蘭萍，緱書寶，等.德盛煤礦特大突水治理技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7):741 －743.

[5] 李彩惠.礦井特大突水巷道截流封堵技術(shù)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(3):305 －308.

[6] 南生輝.綜合注漿法建造阻水墻技術(shù)[J].煤炭工程，2010，(6):29－31.

[7] 劉生優(yōu).駱駝山煤礦16煤大巷奧灰突水封堵工程設(shè)計(jì)[J].煤炭工程，2011，(10):37 －42.

[8] 邵紅旗，王維.雙液注漿法快速建造阻水墻封堵突水巷道[J].煤礦安全，2011，42(11):40 －43.

[9] 岳衛(wèi)振.平衡壓力法在極松散煤巷注漿截流堵水中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，(8):40－42.