山東霄云煤礦陷落柱突水治理實踐

武程亮，滕子軍，張瑞廷，牟海萍

（1.山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊，山東濟(jì)寧272000；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東濟(jì)南250109；3.山東省礦山鉆探應(yīng)急救援中心，山東濟(jì)寧272000；4.山東省非煤礦山事故防范技術(shù)中心，山東 濟(jì)南250109）

礦井突水是掘進(jìn)或采礦過程中揭穿導(dǎo)水?dāng)嗔选⑾萋渲?、富水溶洞、積水老窿，大量地下水突然涌入礦山井巷的現(xiàn)象［1-3］，是礦山的主要災(zāi)害之一。礦山突水后，綜合分析礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料，準(zhǔn)確判斷突水水源和突水通道，并采取快捷有效的手段根除水患是不二的選擇。本文以山東霄云煤礦一次較大突水事故的治理為例，探討自地面鉆井、建造井下混凝土帽、注漿封堵導(dǎo)水通道，從而治理陷落柱導(dǎo)水的方法。

1 基本情況

霄云煤礦2008 年建設(shè)，2013 年7 月投產(chǎn)。井田面積23.4251 km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力90 萬t/年。礦井水文地質(zhì)類型、地質(zhì)類型均為中等類型，礦井正常涌水量226 m3/h、最大涌水量339 m3/h。

2018 年9 月10 日22 時45 分，1313 采煤工作 面底板滲水，出水量約10 m3/h。后水量逐漸增加至1500 m3/h 左右，峰時突水量達(dá)到3673 m3/h，至9 月11 日21 時56 分，礦井中央泵房失守，造成淹井事故。事故直接經(jīng)濟(jì)損失2566.14 萬元，無人員傷亡。

突水工作面為1313 工作面，位于一采區(qū)西翼，為條帶綜采面，開采煤層為山西組3 號煤層，工作面標(biāo)高-595.00～-674.00 m，煤層平均傾角21°，煤厚0.60～5.50 m，平均煤厚3.80 m，工作面走向長度1240.00 m，傾向長度64.00 m。1313 工作面已回采90.00 m，南與1309 工作面之間留有70.00 m 保護(hù)煤柱，北與1307 工作面留有4.00 m 保護(hù)煤柱（見圖1），1307 工作面和1309 工作面均已回采完。

圖1 工作面示意Fig.1 Working face sketch

根據(jù)1313 工作面附近79-4 鉆孔揭露的地層情況，結(jié)合井田內(nèi)其它資料，礦區(qū)地層如表1 所示。

工作面水文地質(zhì)特征：

新生界雖然含水層較多，但新生界中單層厚度＞5.00 m 的粘土隔水層占總厚度的76%。同時在新生界底部有厚達(dá)十幾米的粘土層，回采范圍內(nèi)新生界底部也不具有天窗。3 號煤頂板砂巖裂隙含水層含水性極弱，系統(tǒng)連通性較差。三灰抽水成果反映為弱含水層，且3#煤距三灰42.00 m，之間有數(shù)層泥巖，大于安全隔水層厚度。工作面揭露的9 個斷層導(dǎo)水性含水性亦較差。工作面與1307 工作面老空區(qū)相鄰，在1307 傾向上方。1307 老空水積水線在1313 垂直標(biāo)高5.00 m 下。位于1309 老空區(qū)傾斜下方，兩者間隔70.00 m 煤柱，滿足防水煤柱要求。奧灰含水層是公認(rèn)的區(qū)域性強(qiáng)含水層，區(qū)域厚度＞460.00 m，井田內(nèi)3 號煤底到奧灰頂?shù)娜尉嗉s202.00 m。工作面內(nèi)揭露3 條巖漿巖巖脈，受其影響，在采動影響下易形成導(dǎo)水裂隙溝通3#煤頂板砂巖裂隙含水層。

2 突水水源與突水通道判斷

1313 工作面無地面鉆孔，且兩順槽掘進(jìn)中已揭露的9 條斷層均不導(dǎo)水［4］。

礦井突水后，礦井的奧灰水位長期觀測孔水位急劇下降，達(dá)到每小時下降1.5 m，累計下降215.0 m，證明礦井突水水源為奧灰水。

通過對突水水質(zhì)化驗的各項指標(biāo)分析，突水水源為奧灰水。

表1 井田地層情況Table 1 Strata in the well field

通過測量突水的水溫，發(fā)現(xiàn)稍高于老空滲水的溫度，說明為煤層底板以下地層來水。

綜上，突水水源可以明確為奧灰水，突水通道為隱伏性未探知的地質(zhì)構(gòu)造。

3 鉆探與堵水設(shè)計

3.1 鉆探方案

總體方案：對工作面突水點進(jìn)行蓋帽封堵，對突水通道進(jìn)行注漿封堵。設(shè)計定向鉆孔4 個，2 個蓋帽孔，2 個突水通道注漿孔?？仔途鶠槎ㄏ蚩?。蓋帽孔穿至采空區(qū)，通道孔至3 號煤底板下115.00 m。鉆孔位置布置見圖2。

2 個蓋帽鉆孔XY-3、XY-4：鉆孔鉆穿突水點附近上方的采空區(qū)頂板，通過向突水點附近的采空區(qū)注入石子、砂子、水泥等建造混凝土柱，封堵出水點。同時兼作頂板導(dǎo)水裂隙帶、頂板垮落帶高度的探測孔。XY-3、XY-4 鉆孔結(jié)構(gòu)見表2，設(shè)計深度分別是712.63 m 和707.17 m。

圖2 4 個鉆孔軌跡平面Fig.2 Trajectory plan of the four bore holes

表2 蓋帽孔XY-3、XY-4 鉆孔結(jié)構(gòu)Table 2 Structure of capping holes XY-3 and XY-4

2 個突水通道注漿孔XY-1、XY-2：施工的目的是鉆尋突水通道，發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失量＞5.0 m3/h 時，加密觀測鉆井液的漏失量，當(dāng)鉆井液的漏失量＞10.0 m3/h 時，停止鉆進(jìn)，注漿封堵導(dǎo)水通道［5-10］。同時探測3#煤層底板下三灰層位、厚度及下伏巖層層位情況。XY-1 孔的第一靶點位置位于出水點以下垂直距離25.0 m 處，終孔于3#煤底板下115.0 m。XY-2 孔的第一靶點位置為出水點垂直向下的三灰層位，終孔于3#煤底板下115.0 m。XY-1、XY-2 鉆孔結(jié)構(gòu)見表3，設(shè)計深度分別是827.65 m 和857.76 m。

表3 注漿孔XY-1、XY-2 鉆孔結(jié)構(gòu)Table 3 Structure of grouting holes XY-1 and XY-2

3.2 蓋帽注漿方法與工藝

3.2.1 蓋帽方案

蓋帽注漿材料有石子、砂子及水泥，水泥、砂子和石子用量參照常規(guī)混凝土，質(zhì)量比為1∶1∶2.5。

石子：采用米石，粒徑5 mm 左右，最大粒徑不超過10 mm，石子應(yīng)選用一次成材的堅硬灰?guī)r，顆粒均勻，呈棱角狀。

砂子：應(yīng)選用干凈的中細(xì)河砂，含泥量不應(yīng)超過3%。

水泥：標(biāo)號為PO42.5（R）普通硅酸鹽水泥，不變質(zhì)，不過期，水泥漿按水灰比1∶1。

3.2.2 蓋帽工藝

3.2.2.1 注骨料

（1）骨料要用篩子篩選，并按要求比例混合均勻。

（2）注骨料時，在孔內(nèi)下入?50 mm 鉆桿，鉆桿底口必須在所填充層上部0.50 m 左右。采用加料漏斗水沖式下骨料。定期開泵通過鉆桿往孔內(nèi)壓水，并不斷串動鉆具，探測骨料堆積高度，并將骨料排入采空區(qū)內(nèi)。

3.2.2.2 旋噴注漿

采空區(qū)填滿后，要用比其上孔徑小兩級的無心鉆具下鉆進(jìn)行掃孔旋噴。水泥漿液密度控制在1.70 g/cm3左右。水泥候凝6～8 h 后，掃孔到底，進(jìn)行第二次旋噴，如此反復(fù)多次，直到孔口返漿為止。

3.2.2.3 掃孔探孔注水

等混凝土凝固48 h 后，掃孔探孔深并做注水試驗，當(dāng)吸水量＞20 L/min 時，應(yīng)重復(fù)注骨料和旋噴注漿。

3.2.3 注漿壓力

第一次旋噴注漿，不做注漿壓力要求；一次或多次注漿后，漏失量明顯減小或有明顯起壓后，注漿終壓可逐步提高（每次2.0 MPa），直至設(shè)計終壓，證實蓋帽成功。

蓋帽成功后，鉆穿帽體，向下鉆進(jìn)，尋找通道，轉(zhuǎn)為封堵通道注漿［11-14］。

3.3 通道鉆孔注漿方法與工藝

3.3.1 注漿方法與工藝

封堵突水通道鉆孔，采用下行式注漿，逢漏（漏失量＞10.0 m3/h）注漿封堵，采取間歇注漿、復(fù)掃、復(fù)注的方式，達(dá)到注漿終止條件為止。凝固24 h后，繼續(xù)鉆進(jìn)，遇漏重復(fù)注漿，直至設(shè)計終孔深度為止。

3.3.2 注漿材料

通道孔采用普通硅酸鹽水泥單液漿，水灰比根據(jù)實際漏失量選擇由2∶1～0.7∶1，對應(yīng)漿液密度1.29～1.65 g/cm3。應(yīng)先稀后稠，從水灰比2∶1 開始，注漿泵起壓一般不大于1.0 MPa，以無壓注漿為宜。

當(dāng)單個漏失點注入水泥漿量＞2000.0 t，且大流量（60.0 m3/h）注漿仍不起壓時，調(diào)稠水灰比至1∶1。

當(dāng)單個漏失點注入水泥漿量累計達(dá)到3000.0t，且大流量（60.0 m3/h）注漿仍不起壓時，添加速凝材料（水玻璃）。

3.3.3 注漿壓力

鑒于出水點工作面南側(cè)有采空區(qū)，出水點距三灰又較近，推斷三灰為間接導(dǎo)水通道，底板遭受破壞，壓力過大，易使底板破壞加劇，壓力太小，又影響進(jìn)漿量，綜合考慮確定注漿終壓為靜水壓的1.5倍（靜止水壓約6.5 MPa，設(shè)計終壓10.5 MPa）。當(dāng)注漿壓力達(dá)設(shè)計終壓且吸漿量＜50 L/min 時，終止注漿。

4 堵水效果

4.1 中靶點分布及注漿量

2 個蓋帽鉆孔XY-3、XY-4 揭露采空區(qū)位置與設(shè)計偏差分別為0.90 m 和2.50 m。2 個通道注漿鉆孔XY-1 號孔揭露煤層落點距離出水點16.68 m 處；XY-2 號因設(shè)計躲過采空區(qū)，繞過1313 工作面軌道順槽，揭露煤層點位于采空區(qū)外，距出水點約71.15 m 處（見圖2）。

根據(jù)注漿位置與通道的連通性分析，在巷道底板以上20.00 m 范圍內(nèi)均與采空區(qū)連通，該階段的注漿統(tǒng)計為蓋帽孔注漿量（包括通道孔在該范圍內(nèi)的注漿量），4 孔合計蓋帽注漿量15319.0 m3；4 個鉆孔在通道位置合計注漿量為36394.2 m3（見表4～7）。

表4 XY-1 孔注漿統(tǒng)計Table 4 Grouting data of XY-1

4.2 帽體防隔水能力評價

4.2.1 采空區(qū)充填系數(shù)

采空區(qū)體積（包括周邊巷道）計算：在采掘圖上用CAD 軟件直接讀取采空區(qū)面積（S=7406.0 m2），再乘以采掘厚度（m=4.0 m）。

考慮1313 采空區(qū)為現(xiàn)采采空區(qū)，頂板為軟巖，隨采掘及時垮落，采空區(qū)垮落后空隙計算系數(shù)取a=0.5，采空區(qū)垮落后可充填空隙體積：

由于采空區(qū)與兩巷連通，注漿沿兩巷延伸，兩巷各方向充填長度按100.0 m 計算，巷道寬4.0 m，巷道高2 m，體積應(yīng)為：V2=3200.0 m3。

表5 XY-2 孔注漿統(tǒng)計Table 5 Grouting data of XY-2

表6 XY-3 孔注漿統(tǒng)計表Table 6 Grouting data of XY-3

表7 XY-4 孔注漿統(tǒng)計表Table 7 Grouting data of XY-4

采空區(qū)應(yīng)充填的空間應(yīng)為：V采=V1+V2=18012.0 m3。

蓋 帽 總 注 漿 量：V總=15319.0 m3，采 空 區(qū) 充 填系 數(shù) 為：b=V總/V采=15319.0÷18012.0×100%=85%。

4.2.2 帽體防隔水能力評價

4.2.2.1 防隔水煤柱尺寸

按《煤礦防治水細(xì)則》附錄六之二［15］計算該處防隔水煤柱所需寬度：

式中：L——煤柱的留設(shè)寬度，m；K——安全系數(shù)，一般取2～5，本次取最大值5；M——煤層厚度或者采高，1313 工作面煤層采厚4.0 m；p——實際水頭值，按工作面標(biāo)高位置奧灰水頭值應(yīng)為6.5 MPa；Kp——煤的抗拉強(qiáng)度，按經(jīng)驗取值1.0 MPa。

根據(jù)以上取值，計算所需防隔水煤柱寬度為44.15 m。

按出水點周圍充填效果較好，帽體與停采線前煤層組合成一體，視為防隔水煤柱，寬度按100.0 m考慮，遠(yuǎn)大于安全防隔水煤柱寬度。

4.2.2.2 帽體抵抗壓力分析

XY-1 孔在蓋帽段（煤層底板20.0 m 以上）注漿5 次，4 次注漿終壓≥9.0 MPa，大于工作面處奧灰水頭壓力（6.5 MPa），且最大壓力12.0 MPa 未擊穿蓋帽體與煤層組合的防隔水煤柱。多次起壓后仍有消耗，推斷為起壓過程中水柱壓力加地面注漿泵壓力之和在16.0～19.0 MPa 之間，大于煤層的抗拉強(qiáng)度，在煤層造縫所致，最終漏失量＜l.0 L/min。XY-2 孔在蓋帽完成后，注漿1 次，終止壓力13.5 MPa，加漿柱壓力達(dá)20 MPa，不漏失。蓋帽足夠抵抗奧灰水壓。

4.3 突水通道隔水能力計算

4.3.1 通道類型分析

本工作面布置在斷層保護(hù)煤柱之外，附近也沒有落差超過5.0 m 以上的斷層，因此認(rèn)為本次突水不是斷層引起的突水。

據(jù)礦井水文地質(zhì)資料，三灰、八灰、十下灰等灰?guī)r地層富水性較弱，未發(fā)現(xiàn)有大的溶洞，裂隙不會存儲超過36000.0 m3的水泥漿，推斷在鉆孔軌跡附近存在大的導(dǎo)水構(gòu)造。

通道注漿過程中，吸漿量大，注漿時間長，井口產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象，說明通道十分暢通。

綜上，認(rèn)為導(dǎo)水構(gòu)造是隱伏陷落柱的可能性最大（參見圖3）。

圖3 陷落柱示意Fig.3 Sketch of the collapse column

4.3.2 通道加固垂直高度

XY-1 號孔終孔于煤層底板以下垂直深度115.35 m，XY-2 號孔終孔于煤層底板以下垂直深度120.09 m，按水泥漿下行30.0 m（巖石裂隙中最小值）計算，兩孔加固垂直高度應(yīng)分別為145.35 m 和150.09 m。

4.3.3 通道內(nèi)密實程度分析

XY-1 號孔經(jīng)多次注漿封堵通道后終壓達(dá)到12.0 MPa，XY-2 號孔經(jīng)多次注漿封堵通道后，終壓達(dá)到13.5 MPa，注漿終壓時吸漿量均小于設(shè)計終止吸漿量。

4.3.4 通道注漿后隔水能力評價

按《煤礦防治水細(xì)則》附錄五之二［14］突水系數(shù)計算公式，計算突水系數(shù)：

式中：Ts——突水系數(shù)；P——底板隔水層承受的實際水頭值，取3#煤底板以下145.35 m，對應(yīng)標(biāo)高-795.35 m，換算成奧灰水壓約為7.95 MPa（奧灰水位標(biāo)高-13.30 m）；M——底板隔水層厚度，取145.35 m。

經(jīng)計算，突水系數(shù)為0.055 MPa/m，小于《煤礦防治水細(xì)則》一般不大于0.06 MPa/m 的要求。另外，既有蓋帽，又有通道注漿，帽體與通道內(nèi)的充填物及水泥已連結(jié)為一體，足夠抵抗奧灰水壓。

4.4 副井排水過程對堵水效果的驗證

注漿封堵前后奧灰長觀孔水位和副井水位的變化見圖4。

圖4 副井排水過程中奧灰長觀孔和副井水位變化趨勢（2018 年9 月10 日—12 月18 日）Fig.4 Water level change in the ordovician limestone observation hole and the auxiliary well during dewatering with the auxiliary well

據(jù) 圖4，2018 年10 月1 日-12 月18 日 奧 灰 水 位值擬合曲線，直觀地反映了奧灰水位的上漲趨勢，中間未發(fā)現(xiàn)受副井井筒排水影響，說明奧灰水與井下空間的導(dǎo)水通道已基本封堵。

2018 年11 月11 日、27 日 和12 月12 日 分 別 化 驗了副井抽水水質(zhì)，通過對比原井下老空水、奧灰水和1313 工作面突水，發(fā)現(xiàn)Na+離子有較大幅度上升，Ca2+離子有大幅降低，Mg2+離子有小幅降低，Cl-離子有小幅降低，SO42-離子有小幅降低，HCO3-離子有大幅上升。分析水質(zhì)變化的原因認(rèn)為：奧灰水以高Ca2+、高SO42-、高礦化度和pH 值7～9 為主要特征（石灰?guī)rCaCO3，白云石（CaMg）CO3，石膏CaSO4）。砂巖裂隙水和老空水缺少Ca2+離子來源，水中富含HCO3-離子（平均約15 mol/L）。隨著副井排水，HCO3-離子和Ca2+離子結(jié)合生成CaCO3沉淀，造成Ca2+濃度急劇下降。由此說明奧灰水的補(bǔ)給已經(jīng)減小。

5 結(jié)論及建議

（1）對突水點周圍鉆孔資料和斷層發(fā)育情況進(jìn)行分析，否定了鉆孔、斷層構(gòu)造導(dǎo)水的可能性。突水事故發(fā)生后，通過水位、水溫及水質(zhì)化驗分析［15］，判斷本次突水水源為奧灰水。注漿時吸漿量大、孔口顯負(fù)壓，說明突水通道較大，而且暢通，斷定突水通道為隱伏的陷落柱。

（2）4 個鉆孔的軌跡和注漿終壓、注漿結(jié)束時吸漿量均滿足設(shè)計要求。

（3）副井排水過程證實，奧灰水已有效封堵；治理后的防隔水煤柱滿足《煤礦防治水細(xì)則》的要求。

（4）恢復(fù)生產(chǎn)期間，要加強(qiáng)對封堵區(qū)域的水文地質(zhì)監(jiān)測工作，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。

（5）進(jìn)一步完善礦井的水文觀測系統(tǒng)，為礦井的防治水提供依據(jù)。