陷落柱探測及注漿加固一體化治理技術研究

李建力,竇文武

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 寺河礦,山西 晉城 048205; 2.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006)

寺河礦西井區3#煤屬帶壓開采，承壓水頭壓力最大2 MPa以上。受水患威脅較為明顯。X2陷落柱位于W2301工作面(東段)1 324 m處，根據三維地震資料顯示該陷落柱長軸長80 m，短軸長55 m左右。查閱相關文獻，針對承壓區具有導水可能性的陷落柱可利用物探方法查明大概位置和富水性[1]。楊振威[2]等在“煤礦陷落柱探測的井下綜合物探方法研究”中利用并行網絡直流電法和地震反射共偏移法探測陷落柱的位置和富水情況。于紹波[3]等在“采煤工作面內隱伏陷落柱的綜合探測與治理技術”采用坑透儀和瞬變電磁儀聯合手段探清楚陷落柱的位置及含水性后，采用了鉆探放水和強硬推過的辦法。針對承壓區具有導水可能性的陷落柱的治理方法主要有鉆探放水，堵水注漿、留設保護煤柱等。嚴強[4]在“煤礦陷落柱探測和注漿方案探討”中描述了承壓區陷落柱注漿加固技術。其他學者、專家在綜合物探、鉆探、注漿等綜合治理手段方面進行了不同程度的研究[5-11]，取得了較好的結果。寺河礦為了確保工作面安全回采，采取物探注漿一體化技術對陷落柱進行探測和治理。

1 陷落柱綜合物探

由于X2陷落柱位置的特殊性和不確定性，通過研究與探討決定對其采用多種物探手段明確其具體位置和導水性。物探方法采用地面井下聯合探測，地面采用大地電磁法和天然場源法的探測技術；井下采用礦井瞬變電磁法和無線電透視法，通過井上下聯合探測和綜合解釋，并結合井下鉆探成果確定陷落柱的位置分布和富水性。

1.1 大地電磁法(EH4)布置及探測結果

大地電磁法系統可根據探測目的位置確定儀器選擇的參數和觀測系統。為了對X2探測更加準確，成果分辨率小于5 m,選取地面探測面積300 m×300 m，測點密度5 m×5 m，共布置61條測線，3 721個測點。圖1為EH4施工及探測成果圖。

探測成果剖面圖圖1 EH4施工及探測成果Fig.1 Construction and detection results for EH4

圖可以看出，3號煤層到15號煤層之間視電阻率相對較高，3號煤層到9號煤層之間陷落柱疑似區域視電阻率相對偏低，推斷該區域相對富水。9號煤層至15號煤層視電阻率值相對較高，說明15號煤之下巖層富水較弱，分析認為該陷落柱導通了3號煤與9號煤之間的K6含水層，未導通15號煤及以下含水層，因此回采到陷落柱附近時需要預防底板K6承壓水。

1.2 瞬變電磁探測及解釋

瞬變電磁采用井下小線圈重疊回線探測，該方法具有施工簡單，操作方便，方向性強，可有針對性的探測異常目標體。探測方案：在W23011巷布置27個測點、W23013巷布置27個測點、輔助撤架巷布置30個測點(共布置84 個測點)進行探測，點間距10 m，每個測點探測5個方向，分別為順層方向、斜下15°、斜下30°、斜下45°、斜下60°，如圖2所示，箭頭方向為瞬變電磁線圈法相所指方向。

圖2 瞬變電磁探測方向示意圖Fig.2 Transient electromagnetic direction

圖3 礦井瞬變電磁低阻異常區分布圖Fig.3 Distribution of anomalous areas of transient electromagnetic low resistance in mines

圖3為礦井瞬變電磁低阻異常區分布圖，橫坐標對應輔助撤架巷，縱坐標對應33011巷，橫坐標0點對應3301巷與輔助撤架巷交匯處，視電阻率低的代表富水性相對較強。由圖3可知探測區域存在2處視電阻率較低區域，即黑色虛線區域，其中1處對應陷落柱位置，推測該陷落柱具有導水性。

2 井下鉆探

為進一步確定陷落柱大小及其含水性，根據物探探測結果，對X2陷落柱進行探放水設計。在切眼距33011巷120 m處布置一鉆場，鉆孔在平面上呈扇形布置，傾角沿3號煤層底板方向，鉆孔設計具體如表1所示。

表1 鉆孔設計表Table 1 Drilling design table

根據實際生產需求，在切眼巷向X2陷落柱布置14個探放水鉆孔，第一輪施工Z4、Z7、Z9、Z11、Z14五個鉆孔(鉆孔參數如表2所示)，主要目標是探清楚陷落柱范圍，同時探測陷落柱是否導水。根據鉆探結果確定是否進行第二輪注漿孔和第3輪檢驗孔。

表2 鉆孔巖性表Table 2 Drilling lithology table

經過第一輪鉆探，有效控制陷落柱的邊界及范圍，查明陷落柱在平面上大體呈橢圓狀，陷落柱長軸長152 m，短軸長55 m左右。在探放水鉆孔施工期間，鉆孔有少量涌水，經化驗判別，涌水主要來自于3號頂板砂巖含水層。

3 注漿加固

3.1 X2陷落柱突水風險性評價

根據數據模擬，揭露陷落柱前，隨著工作面的不斷向前推進，工作面前方的支承壓力隨采動向前推進而不斷前移，形成超前移動的支承壓力，并且垂直應力隨著煤柱減小而增大；推進陷落柱過程中，陷落柱X2塑性破壞的程度明顯比正常巖層塑性范圍大，陷落柱的活化裂隙沿著陷落柱的邊壁往下發育，發育深度可達57 m左右，而且陷落柱邊緣處有底臌，底板應力得到釋放，應力減小，這為底板含水層水力往上涌提供條件，如果陷落柱邊壁繼續活化，很有可能與下部的奧灰水導通，造成突水危險。因此很有必要在3#煤層底板進行陷落柱注漿加固。

3.2 注漿加固施工方案

1)終孔層位確定。根據水質分析資料涌水水源為頂板水，陷落柱內部主要以砂巖和泥巖為主。據此判斷X2陷落柱膠結較好，與奧灰水力聯系較弱。為防止在W3301開采過程中陷落柱活化，將終孔層位定位于9號煤層上部砂巖層位中，距3號底板約為40 m～50 m。如表1中Z1、Z3、Z5、Z8、Z10、Z12六個注漿孔；Z2、Z6、Z13三個檢測孔。

2)注漿方案。為充分利用井下已有的巷道系統，節約鉆探工程量，治理工程采用井下注漿方案，井下鉆進成孔，井下注漿，井下檢查注漿效果。注漿方式采用分段下行式注漿，孔口封閉靜壓注漿。每個注漿孔共分兩段注漿，從套管底部至陷落柱中部為第一段，從陷落柱中部至9號煤頂板為第二段，每孔注漿壓力達到6 MPa，注漿擴散半徑 20 m～30 m。

3)鉆孔結構。每孔下Φ89 mm套管，長度為6 m，終孔Φ75 mm，全孔采用無巖芯鉆進。第一輪施工：先對Z1、Z5、Z10鉆孔，進行注漿；第二輪施工：待漿液固結后，進行Z2、Z6、Z13注漿效果檢測，若封堵效果較好，檢查無涌水現象，則無需繼續施工，若檢測過程出現涌水現象，則停止檢測，繼續進行Z3、Z8、Z12鉆孔并注漿，當檢測孔不再涌水時，可以停止施工，若檢查孔涌水量和初始涌水量無基本變化，需進行第三輪補充注漿孔，直至檢測孔不再出現涌水現象為止。

3.3 注漿成果

當施工完第一輪鉆孔，即完成Z1、Z5、Z10注漿鉆孔后，探放水鉆孔內部無涌水涌出，即停止注漿，進行Z2、Z6、Z13注漿效果檢測，在進行Z6孔檢測時，又出現了涌水現象，于是對Z5進行二次注漿。為確保注漿效果穩定，對Z8孔注漿后，再次進行檢測，Z2、Z6、Z13孔均無涌水現象。通過對3號底板進行注漿加固，在3號煤層底板40 m～60 m位置區域，形成20 m厚的止水塞，能夠有效防止X2陷落柱受采掘活動影響而活化。在實際的回采揭露陷落柱過程中，回采順利，效率提高，未出現涌水現象，表明本次注漿效果較好，保障了W3301工作面的安全回采。

4 結論

通過對寺河礦西井區X2陷落柱探查、治理、驗正，總結得出： 1)寺河礦巖溶陷落柱具有導水性，主要導通3號煤層頂板含水層，但揭露陷落柱前，周邊圍巖比正常巖層塑性破壞范圍大，陷落柱的活化裂隙發育深度大于50 m，有可能導通下部的奧灰水，造成突水危險； 2)井上下聯合物探可以更準確的探測出陷落柱的范圍和導水性，為后期治理提供技術支撐；3)陷落柱探測及注漿加固一體化治理技術成果對寺河礦3號煤層回采工作面過陷落柱起到很好的作用，為其它類似陷落柱治理提供實踐依據。