馬道頭煤礦富水陷落柱綜合治理工程案例分析

段儉君，張 敏，李麗華

（1.中煤總局水文地質(zhì)局集團(tuán)（天津）工程技術(shù)研究院，天津 300131；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 引言

巖溶陷落柱是我國華北石炭-二疊系煤田普遍發(fā)育的地質(zhì)現(xiàn)象。煤田內(nèi)陷落柱特殊的工程地質(zhì)水文地質(zhì)特征，構(gòu)成煤礦防治水安全的重大威脅[1-3]。20 世紀(jì)60 年代以來，我國曾發(fā)生過典型開灤礦區(qū)范各莊礦、徐州礦區(qū)張集、皖北礦區(qū)任樓礦等陷落柱突水，造成重大人員和財產(chǎn)損失。

華北型煤田中西部各石炭-二疊系煤田的隱伏陷落柱更加密集，煤礦面臨的富水和導(dǎo)水陷落柱水害防治壓力更大，需要多方面的陷落柱勘查、危害性評估、柱體治理、水害預(yù)警等技術(shù)經(jīng)驗和支持。煤礦陷落柱水害防治主要可采取煤巖柱隔離和柱體截流加固兩類技術(shù)。前者主要是在探明陷落柱發(fā)育位置、地層層位以及小構(gòu)造影響帶范圍，留設(shè)防水煤巖柱等技術(shù)措施；后者主要采取“堵”、“截”、“引”、“固”等技術(shù)將低滲透漿液或骨料注入陷落柱及破碎帶，在陷落柱周圍巖層體中形成具有一定強(qiáng)度的隔水帶，主要技術(shù)包括“止水帽(塞)”、預(yù)注漿、直接封堵、帷幕注漿等。例如，我國早期多采用在地面采用分段下行式“全面注漿封堵”技術(shù)，技術(shù)方案包括地面三維地震和電法探測定位、陷落柱注漿封堵和井下放水檢驗[4]。之后，定向分支造孔技術(shù)引入陷落柱治理工程，如東龐礦采用陷落柱內(nèi)“堵水塞”建造技術(shù)成功治理2903 工作面突水陷落柱[5]。

隨著越來越多的陷落柱被工程揭露，經(jīng)常遇到即使已經(jīng)按規(guī)范保留了陷落柱防（隔）水煤柱，附近巷道或工作面也會遇頂?shù)装迤扑楹屯凰闆r[6]。本文將以大同煤田馬道頭煤礦SXLZ5 富水陷落柱為例，介紹此類陷落柱治理案例。

1 概 況

馬道頭煤礦位于山西省大同煤田西南部，低山丘陵地形，黃土丘陵區(qū)，屬中溫帶大陸性氣候，年平均降水量418.78 mm，年平均蒸發(fā)量1 331.96 mm；水文屬海河流域永定河水系桑干河流域，井田內(nèi)十里河為桑干河一級支流御河的分支。井田位于區(qū)域性神頭泉巖溶系統(tǒng)北部大同礦區(qū)隱伏子系統(tǒng)。礦井主采煤層為石炭系3 號、5（3-5）號和8號煤層。井田位于大同煤田（大同向斜）西南部，地層近東西走向，傾向北，傾角2°～3°，總體為南高北低的單斜構(gòu)造。

馬道頭煤礦8105 工作面位于北一盤區(qū)輔運大巷西部（圖1），工作面標(biāo)高+1 044—1 100 m。北側(cè)為8106 工作面，南側(cè)為8104 工作面，已開采煤層為3-5 號煤（3 號與5 號煤合并區(qū)），煤層穩(wěn)定，平均煤厚17.80 m，該工作面奧灰水頭標(biāo)高+1 164 m，隔水層底板承受的水頭壓力1.33～1.89 MPa，隔水層厚度約70 m，突水系數(shù)0.019～0.027 MPa/m。據(jù)地面三維地震勘探成果，8 號煤層上部50 m 為5 號煤層，5105 順槽左側(cè)30 m 存在陷落柱SXLZ5，呈近圓形，長軸約130 m，短軸約115 m。8105 工作面在5105 順槽留設(shè)20 m 寬SXLZ5 防隔水煤柱。

圖1 馬道頭礦8105 工作面及SXLZ5 陷落柱位置平面圖Fig.1 Location plane of No.8105 Face and SXLZ5 Collapse Column in Madaotou Mine

5105 順槽掘進(jìn)接近陷落柱時，初期底板涌水1.98～2.51 m3/h，隨推進(jìn)涌水量增到5.52～7.65 m3/h，水壓為0.2～0.4 MPa。底板超前探水孔普遍出水，單孔涌水量7～20 m3/h；根據(jù)探放水的水質(zhì)化驗成果，判SXLZ5 陷落柱為導(dǎo)通了煤層底板奧灰水，為富水和導(dǎo)水陷落柱。

2 陷落柱綜合治理方案

井下采掘活動遇構(gòu)造導(dǎo)水，影響礦井安全生產(chǎn)，常規(guī)處理方案是按照“先制后采”原則，停止采掘活動后開展有針對性治理。此次通過對該陷落柱充水條件分析認(rèn)為，雖然SXLZ5 陷落柱具有富水性且尺寸范圍較大，但是8105 工作面底板承壓較小，探水孔涌水量較小，且該工作面已經(jīng)留設(shè)陷落柱防隔水煤柱，不會威脅礦井安全，僅影響采掘活動。為了不延誤煤礦生產(chǎn)進(jìn)度，在陷落柱位置和帶壓條件清楚的條件下，采用了在上部煤層5105工作面順槽對導(dǎo)水構(gòu)造防隔水煤（巖）柱留設(shè)安全范圍內(nèi)井下注漿治理的方案，如圖2 所示，方案實施分為范圍探查、局部疏放水降壓和快速注漿與補(bǔ)充注漿3 個階段。

圖2 馬道頭煤礦富水陷落柱治理方案Fig.2 Control scheme of water abundance collapsed column in Madaotou Mine

方案特點：①避免大范圍治理整個陷落柱，集中處理采動頂?shù)装迤茐膸Х秶南萋渲w；②治理鉆孔布置在上部煤層完整巷道；③陷落柱柱及周邊存在動水，采用化學(xué)漿快速充填封堵通道方式；④技術(shù)和工藝流程順序包括確定治理位置和范圍、局部奧灰水疏水降壓、快速化學(xué)漿灌注充填封堵和效果檢驗與評價。

3 陷落柱綜合治理過程

3.1 陷落柱精細(xì)探查

采用井下瞬變電磁法探測和井下鉆探驗證的方法精細(xì)探查SXLZ5 陷落柱。

8105 工作面井下瞬變電磁法勘探的目標(biāo)是進(jìn)一步圈定陷落柱位置及陷落柱周邊裂隙帶的低阻異常區(qū)范圍，依據(jù)低阻異常區(qū)縱向連續(xù)性判斷陷落柱對煤層富水性的影響。SXLZ5 陷落柱井下瞬變電磁法探測結(jié)果：①低阻異常區(qū)位于5106 順槽切眼向外1 080～1 140 m；②3-5 煤的低阻異常發(fā)育范圍在765～845 m，低阻反應(yīng)較強(qiáng)，巷道與陷落柱之間均有富水性顯示，陷落柱邊緣裂隙帶發(fā)育；③8105 順槽765～845 m、5105 順槽1 080～1 140 m低阻區(qū)垂向分布一致。

物探低阻異常區(qū)鉆探驗證，旨在根據(jù)單孔出水段、放水量與物探解釋的復(fù)合性驗證，進(jìn)一步圈定出陷落柱周邊富水裂隙帶的范圍。8105 工作面5105 巷底板低阻異常區(qū)鉆探驗證結(jié)果：①出水層位為3-5 煤底板下15 m 至奧灰頂面的中粒砂巖裂隙帶；②單孔出水段為陷落柱邊緣中粒砂巖破碎段，鉆孔涌水量9～35 m3/h，24 個鉆孔探放水鉆孔總涌水量125 m3/h，穩(wěn)定涌水量85 m3/h。探明了陷落柱導(dǎo)水性及導(dǎo)水部位。

3.2 治理范圍確定

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六-含水或?qū)@孔防隔水煤（巖）柱的留設(shè)計算公式：

式中：L 為注漿改造加固陷落柱及邊界裂隙帶的防隔水煤巖柱范圍；K 為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高；P 為水頭壓力，MPa；Kp 為煤的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)物探結(jié)果和鉆探驗證分析，陷落柱位于5105 巷道具體采位725～850 m 段，順槽側(cè)幫距離陷落柱20 m，對陷落柱導(dǎo)水構(gòu)造留設(shè)足夠的防隔水煤巖柱，根據(jù)地層特征和煤類型，本區(qū)地層較完整，考慮安全系數(shù)，K值取4，煤層厚度5.5 m，水頭壓力1.58 MPa，大同煤田煤的抗拉強(qiáng)度取0.46 MPa，代入式（1）進(jìn)行計算，求得L為32.36 m。因此，提高安全保障性，在巷道采位725～850 m段對巷道與XLZ5 陷落柱及邊界裂隙帶內(nèi)長130 m、寬40 m 的范圍進(jìn)行注漿改造加固，如圖3 所示。

圖3 注漿治理平面范圍圖Fig.3 Plane scope of grouting control

3.3 奧灰水局部引流降壓

在5105 工作面巷道對8105 工作面施工探水鉆孔，各鉆孔放水量在7～24 m3/h，最大水壓為0.5 MPa，共施工了24 個鉆孔，最大涌水量110 m3/h，累計排水約28 萬m3。留設(shè)2 個溢水孔，注漿前涌水量為40 m3/h，水壓降為0.2 MPa，起注漿前的降壓和引流作用。

3.4 快速注漿

注漿材料化學(xué)漿液擴(kuò)散半徑按20 m[8]布置，注漿孔按照終孔位置平面距離、垂直距離不超過30 m 為原則排列布孔，在上部煤層對應(yīng)完整巷道總體布置鉆孔5 組，呈環(huán)形布置，分3 層，共63 個，鉆孔終孔位置分別位于垂距-44、3、13 m 區(qū)域（圖4），鉆孔終孔位置位于8 號煤底板下30 m 垂距區(qū)域。

圖4 注化學(xué)漿治理鉆孔平面圖Fig.4 Plane of chemical slurry injection control drilling hole

由于8105 工作面順槽仍有多個出水點，需要漿液高強(qiáng)快速充填達(dá)到減水效果。采用A（聚醚多元醇）B 料（MDI 異氰）聚合化學(xué)漿。依據(jù)探水鉆孔初次出水深度和水量分析，疏放水鉆孔出水量一般在20 m3/h 以下，滲透系數(shù)一般大于1×10－3m/s，水壓在1.00 MPa 以下，具備化學(xué)漿動水注漿條件。同時，為了保障漿液的擴(kuò)散，且不破壞巖石結(jié)構(gòu)，一般注漿壓力為靜壓的2 倍，采用2 MPa 壓力進(jìn)行動水注漿封堵。

注漿時，若注漿孔無涌水，下入鉆桿，用導(dǎo)管通入礦井的高壓靜壓水，將殘存在孔底和粘滯在孔壁的巖粉沖洗出孔外，也將巖層裂隙和孔洞的雜質(zhì)沖洗干凈。若注漿孔有涌水，直接打開孔口閘閥放水，直至水清砂凈。當(dāng)返水無巖粉和回水顏色清時，連續(xù)注入化學(xué)漿。經(jīng)快速化學(xué)漿注漿，陷落柱內(nèi)大裂隙通道基本被封堵。隨即，進(jìn)一步針對仍有部分鉆孔出水情況，采用升壓注漿方式對細(xì)小裂隙補(bǔ)充注漿。

此次注漿治理共施工鉆孔63 個，注漿前鉆孔單孔涌水量0.6～100 m3/h，陷落柱圍巖裂隙帶較柱體內(nèi)部的鉆孔出水量大，鉆孔單孔注漿量0.4～5.5 t，注漿量總計166 t。

陷落柱的邊壁和工作面底板壓縮區(qū)與膨脹區(qū)發(fā)生底板巖層剪切破壞，易造成底臌突水。由該陷落柱治理工程可見，陷落柱周邊確實存在一定范圍富水和導(dǎo)水區(qū)域，采位725 m 處陷落柱邊界距非采側(cè)35 m，采位765 m 處陷落柱邊界距非采煤側(cè)30.56 m，采位805 m 處陷落柱邊界距非采煤側(cè)30.8 m。實測陷落柱邊界形態(tài)與前期注漿孔形態(tài)相似，如圖5 所示，并總體稍向陷落柱方向延后，說明化學(xué)漿注漿在大部分鉆孔起到了一定的封堵作用，局部存在巖層破裂出水情況。

圖5 探測陷落柱邊界位置及注漿探水示意Fig.5 Schematic diagram for detecting collapsed column boundary and grouting water detection

完成全部治理工作后，2 個預(yù)留孔的涌水量分別降到0.5 m3/h 和0.1 m3/h，堵水效率均在95%以上。

3.5 治理效果評價

注漿治理完成后沿順槽分別施工了Y1、Y2 和Y3 驗證孔。Y1 驗證孔孔內(nèi)涌水量為4.6 m3/h，Y2驗證孔孔內(nèi)涌水量為6 m3/h，Y3 驗證孔孔內(nèi)無水，相比治理前涌水量明顯減少，說明治理效果較好，陷落柱部位均已通過注漿治理加固。

檢查鉆孔在孔深30 m 鉆入陷落柱裂隙帶，巖芯較完整，巖芯為砂巖塌落物與化學(xué)漿充填膠凝體混合，充填物膠結(jié)緊密，漿液凝固體起到充填和加固作用，封堵了陷落柱及裂隙帶的導(dǎo)水通道。

4 結(jié)語

馬道頭煤礦北一盤區(qū)8105 工作面存在富水陷落柱SXLZ5?？紤]SXLZ5 陷落柱尺寸范圍較大，底板承壓小，探水孔涌水量小，工作面已經(jīng)留設(shè)陷落柱防隔水煤柱，采用了僅在導(dǎo)水構(gòu)造防隔水煤（巖）柱留設(shè)安全范圍內(nèi)井下注漿治理的方案。方案主要包括物探與鉆孔精細(xì)探查、陷落柱局部疏放水降壓和化學(xué)漿快速注漿與補(bǔ)充注漿3 個部分。治理后，預(yù)留孔的涌水量堵水效率達(dá)95%以上。馬道頭煤礦SXLZ5 陷落柱治理工程為陷落柱水害防治技術(shù)提供了一個僅部分處理大尺寸、含水陷落柱的成功案例，對于具有類似開采技術(shù)條件的陷落柱水害防治具有借鑒意義。