導水陷落柱井下探查與治理

趙永強，劉彥俊

（1．霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400；2．霍州煤電集團防治水中心，山西 霍州 031400）

·技術經驗·

導水陷落柱井下探查與治理

趙永強1，劉彥俊2

（1．霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400；2．霍州煤電集團防治水中心，山西 霍州 031400）

以團柏煤礦為例，分析了在回采過程中因采動影響誘發陷落柱出水情況。通過分析該礦的地質和水文基礎條件，從構造突水機理出發，對出水陷落柱實施注漿治理，實現了工作面的安全回采，對同類礦區具有指導意義。

礦井水害；安全回采；出水分析；井下注漿；巖溶陷落柱

霍州煤電集團團柏礦煤層底板為厚層石灰巖的華北型煤田，由于導水陷落柱的存在，使某些處于上覆地層，本來沒有貫穿煤系基底強含水層的中、小型斷層或一些張裂隙，成為水源充沛、強富水的突水薄弱帶，一旦被揭穿，將引起突水。但是如果導水陷落柱直接導水，而初期水量不大，則可以通過井下注漿的方式將導水裂隙封堵。本文結合團柏煤礦10-106工作面對陷落柱出水的治理，論述了在回采過程中發現陷落柱導水時，應如何分析處理，如何消除陷落柱的導水性，實現安全回采。

團柏井田位于霍州礦區的南部，汾河西岸，主要可采煤層為10煤和11煤，礦井正常涌水量為985 m3/h，最大涌水量為1 600 m3/h，現礦井實際總涌水量為1 405 m3/h。近年來，隨著開采深度的不斷延伸，水文地質條件日益復雜，其下組煤開采除受頂板充水含水層K2灰巖影響外，還面臨下伏區域巨厚奧灰強含水層的突水威脅。本文中10-106工作面標高低于底板奧灰強含水層靜水位標高120 m，雖然10煤奧灰突水系數小于華北型煤田經驗值0．06 MPa/m，正常情況下突水危險性不大，但由于頂板K2灰巖為工作面涌水的直接來源，并且在本井田范圍內K2灰巖水與奧灰水存在一定的水力聯系，因此，研究該工作面陷落柱出水的防范與治理，會為該礦開采深部煤炭資源時提供有力的技術支持。

1 10煤頂底板含水層的賦水特征及涌水量情況

1．1 10煤頂底板灰巖含水層的賦水特征

團柏煤礦10煤頂板K2灰巖含水層厚2．75～15．23 m，平均厚9．20 m，單位涌水量q為0．009 4 L/s·m，礦化度1 290 mg/L，水質為HCO-·SO2-34或SO42-·HCO3-型，富水性好。該含水層為10煤開采的主要直接充水含水層，其富水性較好，井下涌水量比較大，因此，該灰巖為富水性中等的巖溶裂隙含水層。

10煤底板奧陶系中統石灰巖溶隙含水巖組是煤系地層下伏的主要含水層，是開采下組煤（9＃、10＃、11＃）的主要威脅。據區域資料，奧陶系碳酸鹽巖在礦區總厚約617 m。其中峰峰組上段（O2f2）塊狀石灰巖溶隙含水層組，平均厚度38．63 m，單位涌水量0．826 L/s·m，水質為硫酸鹽鈣型水，礦化度1 718 mg/L。上馬家溝組上段（O2s1）厚層狀石灰巖溶隙含水層組水質為HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型或HCO3-Ca2+·Mg2+型，礦化度為＜1 000 mg/L。該含水層位于10煤下部，距10煤平均間距36．0 m，根據霍州礦區開采煤層擾動破壞測試，預計10煤采后底板破壞深度為12 m，存在導水構造（導水陷落柱和斷裂）和底板薄弱帶的情況下，有發生突水的隱患，是影響生產的主要水患威脅。

1．2 10煤頂底板含水層的一般涌水規律

開采10煤時，直接充水含水層為10煤頂部的K2灰巖含水層，該含水層富水性較好，以靜儲量為主，頂板淋水和采后涌水為主要出水形式。但由于在井田局部而且可能與奧陶系灰巖含水層存在水力聯系，在疏干過程中水量減少緩慢。

2 陷落柱出水情況分析

2011年10月8日，工作面揭露陷落柱，巖性以泥巖為主，夾有K2灰巖及煤塊。至13日推進20 m，揭露軸向長度27 m時，在陷落柱中部底板方向發現冒水，初期水量為35～40 m3/h，經過1周的觀測，水量穩定在35 m3/h。

2．1 水質分析

團柏煤礦開采下組煤過程中對K2灰巖水進行了長達10余年的大流量疏排。根據以往對水質資料的分析，K2水和奧灰水在水質上已沒有什么差異，如在主要特征：水質類型、礦化度、陰離子重碳酸根與硫酸根比例等方面，尤其是在徑流條件對比情況下可以明顯看出：

1）在徑流條件好的情況下，兩者都是Ca2+-HCO3-·SO42-類型水，礦化度較低：800～1 000 mg/L，重碳酸根與硫酸根比例大于1（見表1）。

2）當徑流條件不好時，無論是奧灰水還是K2水，水質都差：為Ca2+-SO42-·HCO3-類型，礦化度變大，重碳酸根與硫酸根比例小于1（見表2）。

表1 徑流條件良好奧灰和K2水質特征表

表2 徑流條件欠佳奧灰和K2水質特征表

因此，奧陶紀灰巖水是K2灰巖水的補給水源。10-106工作面陷落柱出水后對出水點的水樣進行水質分析，并將出水點的水質與原水文鉆孔、底板試驗鉆孔、下組煤涌水點、主井底K2供水舊孔和地面奧灰水源井水質進行對比，類型為Ca2+-HCO3-· SO42-，水源為奧灰水。

2．2 陷落柱導水性探查

為查明出水點位置，在工作面副巷布置了4個探查孔，鉆孔裸孔為75 mm。在鉆探過程中，4個鉆孔均有涌水現象。探查孔詳細情況見表3。探查孔布置圖見圖1。

表3 探查孔詳細情況表

3 陷落柱注漿處理

根據探查結果團柏煤礦對陷落柱進行了注漿處理，由于陷落柱范圍、形態基本已查清，涌水量較小，且穩定。故治理方案確定在距陷落柱較近的副巷和采面，在井下施工還可以精確的定位鉆孔，有效地實施注漿封堵，加快施工進度。

3．1 注漿方案

充分利用井下已有巷道對陷落柱進行注漿治理，井下鉆進成孔，井下注漿，井下檢查注漿效果。注漿方式采用下行式連續注漿方式，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，最大限度的充填巖溶裂隙。對初始水量較大的鉆孔采用遇水就注的下行式注漿方式注漿，穿透含水層后達到注漿終孔標準。

3．2 鉆孔布置及結構

治理工程共施工注漿孔6個，孔號為Z1、Z2、Z3、

Z4、Z5、Z6，分別布置在采面陷落柱兩側。注驗孔2個布置在副巷。所有鉆孔均穿過陷落柱的邊緣，終孔為奧灰頂界面。設計的檢查孔布置在工作面副巷，分別為注檢1和注檢2（見表4）。

注漿孔平面布置圖見圖2，注漿孔剖面布置圖見圖3。

圖1 探查孔布置圖

表4 10-106工作面陷落柱治理注漿鉆孔一覽表

圖2 注漿孔平面布置圖

3．3 注漿參數及結束標準

本次注漿工程采用單液漿，水灰比為1∶1。水泥選用425＃普通硅酸鹽水泥，固結孔口管時添加5%水玻璃（42Be）。

從10＃煤斷面積圖上測算陷落柱斷面積為1 032．77 m2，把其近似按圓計算其半徑為18．13 m；再把陷落柱近似按圓臺，高按隔水層36 m，垮落角按75°考慮，可得到奧灰頂面陷落柱斷面半徑為22．99 m；因此，10＃煤與奧灰間陷落柱體積為48 031．54 m3。若空隙率按3%計算，則需要充填體積為1 441 m3。

水泥漿充填量按幕體所占空間計算：

式中：

V—待充填空隙體積，m3；

λ—漿液損失系數，取1．4；

β—漿液充填率，取0．85；

m—漿液結石率，取0．7。

將以上已知數據代入式中可得所需漿液總量2 449．61 m3，根據水泥漿液比重0．75 t/m3，可得此次注漿所需水泥量為1 837 t。

圖3 注漿孔剖面布置圖

在注漿過程中，若陷落柱出水點涌水量逐漸減少，說明注漿效果明顯。至出水點水量為零時停止注漿。

4 治理效果

由于此次工程為正在回采的工作面，注漿結束后仍然要進行回采工作，因此，對注漿效果的驗證尤為重要。

主要通過兩個方面進行對比：

1）探查孔水壓水量對比。在注漿過程中，觀測4個探查孔的水量和水壓，均有明顯減小的現象。

2）注驗孔巖心質量對比。在施工探查1和探查2的過程中均發現了被水泥充填過的巖心，說明此次注漿的漿液已經充填到了陷落柱裂隙當中，降低了陷落柱的導水性。

5 結 語

綜上所述，通過對團柏煤礦10-106工作面陷落柱的治理，對在采掘過程中遇到導水陷落柱時的治理方法總結如下：

1）回采工作面在生產過程中遇到陷落柱時，不宜立即推進，應采用綜合手段進一步探查。其富水性可用瞬變電磁等物探手段，導水性的探查可用井下鉆探的方法，根據水文資料來判斷。

2）采用井下注漿治理時，要充分考慮注漿效果和工程量，選擇合理位置進行布孔注漿，在保證安全的前提下，減少鉆探和注漿的工程量。

3）對回采工作面導水陷落柱的治理不只是一個簡單的施工過程，應通過綜合的水文資料分析，利用探查孔、注漿孔和注查孔等各種資料，確認陷落柱治理最終效果，確保能夠安全回采。

［1］姬中奎．導水陷落柱的注漿預治理［J］．西部探礦工程，2007（11）：124-128．

［2］李 剛，王海平，蘇軍輝．采動影響下的煤層底板巖層破壞特征-以團柏礦為例［J］．煤田地質與勘探，2012，2（40）：59-61．

Underground Detection and Treatment on Water Flowing Collapse Columns

Zhao Yong-qiang，Liu Yan-jun

Based on Tuanbo coal mine as an example，analyzed because of mining influence during the process of mining induced collapse column water inrush situation．Through the analysis of the geological and hydrological conditions of the mine，according to the mechanism of water inrush from the structure，implement grouting on water collapse column，realized safety mining of the working face，have the guide meaning to the similar mining areas．

Mine water disaster；Karst collapse column；Water inrush analysis；Borehole grouting

［TD741］

B

1672-0652（2013）05-0004-04

2013-02-20

趙永強（1971—），男，山西霍州人，1991年畢業于山東礦業學院，工程師，主要從事煤礦地質及管理工作（E-mail）fzszxjsk＠163．com