山西離柳礦區導水陷落柱井下定向注漿治理

張滕滕

（中國煤炭地質總局第二勘探局，北京 102488）

煤炭作為我國主體能源，在我國一次能源消費構成的比例一直占60%左右。隨著煤礦開采深度的增加，礦井水害帶來的危害也相應增加［1］。導水陷落柱可形成導水通道，聯通頂底部含水層，造成礦井突水事故；同時，破壞可采煤層的連續性，影響采掘規劃，造成煤炭資源極大浪費。

山西河東煤田離柳礦區是全國重點煤炭規劃礦區之一，該區山西組3、4號煤層已基本采空，正開采8、9號煤層，區內陷落柱較發育，下部煤層帶壓開采，受奧灰水威脅。前人對該區沉積環境、聚煤特征、控煤構造特、伴生元素征等方面進行了研究［2-5］，但對陷落柱注漿治理研究較少。本文以山西離柳礦區郭家山煤礦工作面X4-2 陷落柱井下鉆探注漿治理為例，系統總結了陷落柱井下定向注漿治理技術，為今后煤礦陷落柱水害的防治和安全生產提供了有效的技術支撐和保障。

1 地質及水文地質條件

1.1 地層

本區位于河東煤田中部，地層由老至新為古生界中奧陶統，石炭系，下二疊統、中二疊統，中生界下三疊統、中三疊統，新生界新近系、第四系［6］。主要含煤地層為下石炭統太原組和下二疊統山西組，共含煤14層，可采煤層自上而下分別為山西組的3、4號煤層和太原組的8-1、8-2、9號煤層。

9 號煤層位于太原組中下部，上距8-2號煤層5.89～10.97m，平均8.93m。煤層厚度為3.63～5.35m，平均4.37m，煤層傾角3°～7°，含0～3 層厚度為0～0.45m 的夾矸，結構中等，屬全區可采的穩定煤層。頂板巖性為泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖；底板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖。

1.2 構造

本區位于鄂爾多斯斷塊、興縣-石樓南北向褶帶的東側，與離石-中陽菱形復向斜相鄰，地層總體傾向南西，整體呈一單斜構造，走向北西，傾向南西，地層傾角為3°～7°。郭家山煤礦在開采過程中發現14個陷落柱，陷落柱較發育，且存在導水現象。

1.3 水文地質條件

區內主要含水層為自上而下可分為第四系、新近系松散巖類孔隙潛水含水巖組，二疊系碎屑巖類裂隙承壓水含水巖組，石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水巖組，中奧陶統碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水巖組。

郭家山煤礦正采掘9號煤層。工作面直接充水含水層為太原組灰巖巖溶裂隙承壓水含水巖組，下部含水層為中奧陶統碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水巖組。煤層底板標高+768～+825m，低于奧灰水位標高，位于奧灰水突水威脅區范圍內，屬帶壓開采。

太原組灰巖巖溶裂隙承壓水含水巖組由太原組砂巖、泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、鋁土質泥巖、石灰巖等組成，含水層主要是5號煤層和8號煤層之間所夾的幾層生物碎屑灰巖（L1～L5），灰巖單層厚度1.25～12.2m，累計厚度20～30m，是下組煤的直接充水水源。含水層巖溶、裂隙發育程度較弱，僅見小型溶孔或溶蝕裂隙，連通性較差，水位標高795.63～900.32m，單位涌水量0.000 05～0.016 49L/（s·m），滲透系數0.000 04～0.94m/d，水質類型以HCO3·SO4-Na和SO4·HCO3-Na·Ca型為主，富水性弱。

中奧陶統碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水巖組由下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組組成，巖性以灰巖為主，次為泥灰巖、角礫狀泥灰巖及巨厚層石膏。由于巖溶裂隙發育程度、含水層厚度等水文地質條件的不同，中奧陶統峰峰組（O2f）和上馬家溝組（O2s）含水層的富水程度有明顯差異［7］。峰峰組含水層涌單位涌水量0.024 2L/（s.m），滲透系數0.035 7m/d，水質類型為SO4·HCO3－Na 型，富水性弱；上馬家溝組含水層水位標高797.57m，單位涌水量1.461 5L/（s·m），滲透系數0.618m/d，富水性強。

2 工作面陷落柱揭露情況

根據工作面上部4號煤層、8號煤層采掘揭露及9 號掘進無線坑透探測結果，工作面發育X8-1、X8-2、X4-2、X9-2 四個陷落柱。其中X8-1、X8-2 陷落柱為8 號煤層掘進揭露，陷落柱導水；X9-2 陷落柱為9號煤層掘進揭露，陷落柱導水。

本次重點對X4-2 陷落柱進行注漿治理。該該陷落柱為上部4 號煤層工作面回采揭露，長軸69.5m，短軸60.8m，涌水量為49.1m3/h，陷落柱導水。根據無線坑透探測成果，工作面存在E2 異常區，橫向影響范圍約90m，縱向影響范圍約100m，場強值衰減越20～25dB。

3 井下定向注漿治理方案

采用井下定向鉆探及注漿手段對陷落柱進行加固治理［8-10］，封堵導水通道，并進行效果檢驗，確保實現安全生產。

3.1 治理手段

治理工程總體思路和原則：探查、治理、驗證“三位一體”。

1）施工補充探查鉆孔（上斜孔、水平孔、下斜孔），探查陷落柱發育范圍、富水性及柱體周圍裂隙發育特征，并對陷落柱發育范圍進行注漿加固。

2）施工底板注漿鉆孔（下斜孔），對陷落柱進行井下注漿加固，封堵導水通道。布置頂板加固注漿鉆孔（上斜孔），防止回采時頂板發生大規模漏頂、冒頂事故，終孔層位至上覆煤層底板。

3）施工效果檢測孔（下斜孔），對陷落柱注漿效果進行檢驗。

4）對工作面注漿區域進行瞬變電磁、無線坑透探測，驗證注漿后構造是否具有富水性，確保實現安全生產。

3.2 底板治理層位選擇

采用經驗公式法進行計算。9 號煤底板破壞深度采用公式［11］如下：

式中：壁式工作面斜長L，m，取值為180m；開采深度H，m，取值為220m；煤層傾角α，°，取值為5°。求得h為17.77m。

綜上，本次底板治理層位分為兩層，分別為陷落柱中心下部15～20m（淺孔）、30～40m（中深孔）。

3.3 工程設計

3.3.1 鉆孔設計

設計補充探查鉆孔7 個（B1～B7 孔），對原物探圈定陷落柱探測范圍的擴大區域及E2 異常區進行探測，并進行注漿加固，見圖1。設計底板注漿鉆孔13 個（K1～K13 孔），其中：K1～K5 號鉆孔對陷落柱淺部（柱體中心下方15～20m）進行注漿加固，K6～K13號鉆孔對陷落柱中深部（柱體下方30～40m）進行注漿加固，見圖2、圖3。設計頂板加固注漿鉆孔8 個（G1～G8 孔），主要治理范圍為陷落柱探測區段以及原物探異常區擴大區域，終孔鉆進位置位于上覆8號煤層底板。設計效果檢測孔3 個（J1～J3 孔），對注漿加固效果進行驗證，如鉆孔有涌水現象，要進行補注漿，并要重新補打檢測孔，直至達到注漿效果（圖4）。

圖1 補充探查鉆孔工程布置Figure 1 Layout of supplementary exploration boreholes

圖2 中深部底板鉆孔工程布置及出水點分布Figure 2 Layout of medium and deep floor drilling projects and distribution of drainage points

圖3 淺部底板注漿鉆孔工程布置及出水點分布Figure 3 Layout of shallow floor grout injection drilling projects and distribution of drainage points

圖4 頂板加固鉆孔、效果檢測孔工程布置Figure 4 Roof reinforcement drilling and effect testing borehole layout

3.3.2 物探工程設計

采用瞬變電磁、無線坑透方法對陷落柱注漿后含、導水性進行探測，驗證注漿效果，為工作面安全回采提供地質依據［12-13］。探測范圍為陷落柱中心位置向前、后各100m。

1）瞬變電磁探測。在工作面進風巷、回風巷分別布置上45°、順層0°及下45°三條測線，以10m 的點距布置測點，共布置測線6條，測點126個。

2）無線坑透探測。使用同步法（一對多），布置測點間距為10m，發射點間距為50m，每個發射點對應6～11 個接收點，共布置發射點10 個，接收測點42個。

3.3.3 施工順序

補充探查鉆孔（對原陷落柱圈定范圍的擴大區域進行補充探測，注漿加固）→底板中深部注漿鉆孔（底板注漿加固治理）→底板淺部注漿鉆孔（底板注漿加固治理）→頂板加固鉆孔（頂板注漿加固治理）→效果檢測孔、物探驗證。

3.3.4 施工工藝

3.3.4.1 鉆探工藝

1）單孔孔口管。注漿治理區域底板（奧灰頂界面處）帶壓約0.66MPa，施工選擇單孔孔口管下設長度為6.4m，直徑選取?89mm。

2）鉆孔鉆進。開孔使用?94mm鉆頭鉆進，孔深6.5m，下設套管，注漿固結。掃孔并進行不少于30min 的耐壓試驗，套管下設合格后，更換?55mm鉆頭定向鉆進至終孔深度［14-15］。

3.3.4.2 注漿工藝

1）注漿標準。注漿壓力P=3MPa（靜水壓值的2.5倍），注漿結束標準為Q≤30L/min，維持30min。

2）注漿材料。材料主要采用42.5#普通硅酸鹽水泥，水為潔凈的非酸性水。

3）注漿方式。采用下行式連續注漿，對初始水量較大的鉆孔采用遇水就注方式注漿，分孔分序次連續灌注，直到達到終孔壓力為止，以最大量進漿、最大范圍擴散、最大限度充填巖溶裂隙［13］。

4）漿液參數。注單液水泥漿，水灰比控制在1.25∶1～0.6∶1，即密度1.2～1.7 kg/m3；注漿期間堅持先稀后濃再稀的注漿原則。

5）漿液黏度。從漿液可泵性和可注性角度來看，如果鉆孔涌水量小，可調小漿液的黏度，鉆孔水量大時，可適當加大漿液的黏度。

4 井下定向注漿治理

4.1 補充探查

B1 鉆孔終孔涌水量為27.5m3/h（底板下26m），經分析水源為下覆細粒砂巖含水層以及上覆薄層灰巖含水層水。B2 鉆孔終孔涌水量為0.5m3/h，B3鉆孔終孔涌水量為3.5m3/h，B4 鉆孔終孔涌水量為3m3/h，B5～B7 鉆孔無涌水，涌水量均較小，不存在鉆機給壓異常、巖層變化異常等情況。綜合分析，X4-2陷落柱的賦存位置位于B7以及B6鉆孔之間，距離回風順槽最近位置約為39m，最遠位置約為111m，陷落柱范圍為長軸70m、短軸40m（圖1）。

4.2 底板注漿

1）中深部底板注漿。K6鉆孔終孔水量為5m3/h，K7 鉆 孔 終孔水量為23m3/h，K8 鉆 孔終孔水量為27m3/h，K9鉆孔終孔水量為19m3/h，K10鉆孔終孔涌水量為36m3/h，K11鉆孔終孔涌水量為50m3/h，K12、K13 鉆孔無涌水現象發生。綜合分析，涌水量大鉆孔終孔位置已進入奧灰，涌水水源為奧灰水。鉆孔出水情況見圖2。

2）淺部底板注漿。K1、K2 孔涌水量較小，均在4m3/h 以下。K3～K5 存在不同程度的涌水現象，K3孔終孔涌水量為25m3/h，K4鉆孔終孔水量為17m3/h，K5 鉆孔終孔涌水量為64m3/h。經綜合分析，水源為煤層底板下細砂巖含水層（三層，累厚6.42m）、上覆薄層灰巖含水層（一層，厚度1.05m）以及奧灰含水層混合水。鉆孔出水情況見圖3。

4.3 頂板加固注漿

G1 鉆孔終孔涌水量為0.6m3/h，G2 鉆孔終孔涌水量為3m3/h，G3 鉆孔終孔涌水量為0.3m3/h，G7 鉆孔終孔涌水量為1m3/h，G4、G5、G6、G8 鉆孔無涌水，鉆孔涌水量小于4m3/h，也進一步驗證了底板注漿效果（圖4）。

4.4 出水量大鉆孔處置

對涌水量在5m3/h 以上的底板注漿孔采取反復掃孔注漿、封孔的施工措施，最大程度的封堵導水裂隙，提高底板巖層的整體性、阻抗水性能，出水量大鉆孔封堵效果情況見表1。

表1 出水量大鉆孔封堵前后水量對比Table 1 Comparison of water discharge before and after blocking large boreholes m3/h

5 治理效果驗證

5.1 檢測孔驗證

J1（終孔垂深為35.6m）、J2（終孔垂深34.2m）、J3（終孔垂深34.2m）終孔涌水量分別為2、2.5、2m3/h，注漿終壓達到3MPa，涌水量、吃漿量較其它底板注漿鉆孔均較小，驗證表明各類鉆孔注漿封堵效果良好（圖5）。

圖5 注漿效果檢測孔施工布置剖面Figure 5 Section diagram of grouting effect detection hole construction layout

5.2 物探驗證

瞬變電磁三個方向探測視電阻率等值線圖相對視電阻率值總體變化較小，未發現明顯低阻異常區，不存在明顯的含（導）水裂隙通道。無線坑透場強成果圖顯示異常范圍較注漿前減小約2/3，接收場強值由之前的18dB 增大到25dB。綜合兩種物探成果表明注漿效果較好。

5.3 治理區段突水危險程度分析

根據底板檢測孔施工情況可知，陷落柱底部導水通道得到了有效封堵，巖石整體性以及阻抗水性能得到了提升，改造區段隔水層厚度按照35m 計算，則此隔水層底面標高為785-35m=750m，奧灰水標高取最大值798m，則帶壓約為0.48MPa，突水系數T=0.48MPa/35m≈0.014MPa/m＜0.06MPa/m。根據《煤礦防治水細則》相關規定，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段在不大于0.10MPa/m 的情況下，一般不會發生底板突水事故。

6 結論

本文系統總結了陷落柱井下定向鉆探注漿治理技術。利用鉆探、注漿、物探綜合勘查手段，采用探查、治理、驗證“三位一體”方法，對陷落柱柱體及周圍裂隙進行全方位的注漿加固，有效封堵封堵導水通道，避免資源浪費，保障礦井生產接續和安全生產，具有重要的示范意義。

1）治理工程施工順序：補充探查鉆孔（上斜孔、水平孔、下斜孔）→底板中深部注漿鉆孔（下斜孔）→底板淺部注漿鉆孔（下斜孔）→頂板加固鉆孔（上斜孔）→效果驗證孔（下斜孔）→物探驗證。

2）通過實施補充探測鉆孔，進一步探查、控制了陷落柱發育范圍及富水性，并進行注漿加固，提升地層完整性；實施底板中深部、淺部底板注漿鉆孔，對陷落柱發育及影響范圍進行了全方位的覆蓋，封堵導水通道，提高底板完整性和抗壓能力，加強底板覆巖阻、隔水性能；實施頂板加固孔，提高頂板巖層強度和完整性，防止頂板冒頂、漏頂現象發生；對涌水量大的鉆孔采取反復掃孔注漿、封孔的施工措施，最大程度的封堵導水裂隙，提高底板巖層的整體性。

3）經效果驗證孔及瞬變電磁、無線坑透探測驗證，陷落柱底板覆巖阻、隔水性能得到了加強，注漿后加固、堵水效果明顯，方法有效。