立井井筒穿越多層采空區(qū)綜合預(yù)治理技術(shù)研究

王志曉

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

大同煤田屬于中國華北聚煤區(qū)北部的雙紀煤田，即上部侏羅紀煤層和下部石炭-二疊紀煤層重疊賦存。由于上部侏羅紀煤層大部分已被開采殆盡，部分礦井轉(zhuǎn)入深部石炭-二疊紀煤層的開采，需要新建井筒或?qū)υ械木策M行延深改造。長期大規(guī)模礦井開采及小煤窯無序開采而形成的淺層采空區(qū)，成為制約立井井筒建設(shè)的關(guān)鍵難題。上部采空區(qū)無論穩(wěn)定與否，若缺乏有效治理，都將給井筒的安全施工和使用帶來巨大危害。因此，如何對上部采空區(qū)進行有效的綜合治理成為深部煤層開采建設(shè)必須解決的技術(shù)難題。目前，井筒在穿越采空區(qū)的施工經(jīng)驗中，不乏有成功的案例，但多是在井筒施工過程中和井筒完成后進行治理。本文提出的綜合預(yù)治理技術(shù)是在井筒開鑿之前，利用物探技術(shù)和鉆孔勘探對其可能穿越的采空區(qū)及其危害進行探查和評估，根據(jù)確定的治理范圍和要求預(yù)先在地面對穿越的采空區(qū)進行綜合預(yù)注漿治理，治理后并進行效果評價。該技術(shù)在馬脊梁礦副立井和回風立井的井筒建設(shè)中得以應(yīng)用，并取得了良好的效果，為該項技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 立井井筒穿越采空區(qū)技術(shù)

煤礦廢棄采空區(qū)屬于地質(zhì)災(zāi)害的一種，它給交通設(shè)施、建(構(gòu))筑物、井筒等施工和安全使用帶來了一系列問題，對其影響規(guī)律和治理技術(shù)的研究也在實踐中逐步深入。建(構(gòu))筑物下采空區(qū)治理經(jīng)過多年的研究實踐，已有較為成熟的理論和技術(shù)體系。相比之下，井筒穿越采空區(qū)的治理更加復(fù)雜，需要解決多層采空區(qū)的水、火、有害氣體及地層破碎等多種災(zāi)害問題。

目前，國內(nèi)井筒穿越采空區(qū)治理的案例不多，且多是在井筒施工過程中和井筒完成后進行充填治理(以下簡稱“后治理”)。這種方法是在井筒掘進過程中對遇到的采空區(qū)進行充填加固，先確保基巖掘進的支護和井壁澆筑，井筒通過后再采取大量的壁后充填注漿進行補充加固，如果檢測到采空區(qū)和井筒有串(漏)風現(xiàn)象，在地面井筒周圍打孔，進行封閉注漿。相對于上述“后治理”施工方法，井筒穿越采空區(qū)綜合預(yù)治理施工工藝是通過物探技術(shù)和鉆孔勘探查明地層和采空區(qū)分布，并結(jié)合井筒技術(shù)參數(shù)確定采空區(qū)治理范圍、要求和充填體性能，通過合理可行的治理方案提前完成對采空區(qū)的治理，并進行效果評價。該方法在井筒掘進至采空區(qū)時，已對采空區(qū)的水、氣、破碎帶等災(zāi)害提前完成了治理，降低了井筒掘進的安全風險，提高了井筒施工效率，也確保了井筒日后的使用安全。

2 采空區(qū)探查技術(shù)

根據(jù)四老溝煤礦提供的煤層采掘工程平面圖及馬脊梁礦副立井工業(yè)場地總平面布置圖，得出井筒治理范圍內(nèi)的2#煤層為四老溝煤礦在1985-1986年進行采掘；11#煤層推斷為南羊路甘溝煤礦和小煤窯開采，但無明確的采掘平面布置圖。鑒于上述情況，為了準確了解采空區(qū)賦存情況及確保后續(xù)治理設(shè)計更具針對性，需要對擬建副立井工業(yè)廣場下伏采空區(qū)進行綜合物探勘察。地球物理勘探技術(shù)是通過專門的儀器研究各種地球物理場變化規(guī)律來解決地質(zhì)問題的一種手段。目前，常用于采空區(qū)探測的物探技術(shù)主要有電法勘探、地震勘探、電磁勘探、重力勘探及放射性(如氡射氣)勘探等。為了驗證物探結(jié)果，在重點部位多采用鉆孔進行驗證。

本工程擬采用瞬變電磁法宏觀圈定采空區(qū)范圍，并在兩個井筒等重點部位共布置6個鉆探驗證孔。瞬變電磁法的工作原理是采用不接地回線向地下發(fā)射脈沖式一次電磁場，用線圈觀測該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，從而來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。本勘探區(qū)內(nèi)共布置21條測線，線距為20 m，點距為20 m，瞬變電磁物理點共計304個。

在鉆孔施工過程中，6個鉆孔均出現(xiàn)鉆井液漏失情況，5個鉆孔出現(xiàn)了不同程度掉鉆現(xiàn)象，與物探結(jié)果較為吻合，鉆探情況詳見表1。通過統(tǒng)計各鉆孔漏失情況，漏失位置基本集中在地表以下20～40 m范圍內(nèi)，表明煤層采空區(qū)裂隙帶發(fā)育高度已經(jīng)到達地表以下20～40 m處。

表1 鉆探驗證情況統(tǒng)計表

3 注漿治理方案設(shè)計

3.1 治理范圍確定及鉆孔布設(shè)

為保證井筒施工及建成后的使用安全，必須對井筒穿越的采空區(qū)逐層進行充填加固。武劍通過分析同忻煤礦雙層采空區(qū)對巖層、井筒力學(xué)效應(yīng)的影響以及不同充填條件下巖層、井筒力學(xué)效應(yīng)的分析，提出對井筒穿越的采空區(qū)應(yīng)進行充填治理，充填范圍以井壁后15～25 m為宜。考慮到兩個井筒設(shè)計均具備通風功能及井筒最大凈徑為9.5 m，本工程井筒保護治理范圍取以井筒為中心、半徑40 m的區(qū)域，治理面積均為5027 m2。

每個井筒設(shè)計20個鉆孔，鉆孔的布置原則為：在半徑12 m的布孔圈徑上均勻布置4個鉆孔，半徑15 m的布孔圈徑上均勻布置4個鉆孔，交錯布置。在半徑30 m的布孔圈徑上均勻布置6個鉆孔，半徑36 m的布孔圈徑上均勻布置6個鉆孔，交錯布置，注漿鉆孔具體布置如圖1所示。

圖1 注漿鉆孔布置示意圖

3.2 鉆探設(shè)計

3.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

(1)注漿孔穿過采空區(qū)或進入煤層底板0.5～1.0 m。

(2)鉆孔開孔直徑宜控制在130～150 mm，經(jīng)一次或兩次變徑后，終孔孔徑不小于91 mm。

(3)鉆孔均應(yīng)進入完整基巖4～6 m處變徑。

(4)取芯孔的數(shù)量應(yīng)為注漿總數(shù)的3%～5%。采空區(qū)部位巖芯采取率不應(yīng)小于30%，其他部位巖芯采取率不應(yīng)小于60%。

(5)在鉆進過程，根據(jù)鉆進情況每50～100 m測斜一次，終孔時孔斜不宜超過1°/100 m。

3.2.2 鉆孔止?jié){

目前，采空區(qū)治理的止?jié){方式主要有埋設(shè)孔口注漿管、套管口壓蓋止?jié){、止?jié){塞等。由于大同地區(qū)侏羅系煤層的上覆巖層多為砂巖或砂質(zhì)泥巖，巖性比較完整，且井筒采空區(qū)有可能針對多個煤層采空區(qū)，上部采空區(qū)注漿結(jié)束后，需重復(fù)掃孔、繼續(xù)鉆進注漿，故一般多采用套管口壓蓋止?jié){，如圖2所示。

3.3 注漿設(shè)計

3.3.1 注漿量估算

井筒穿越多層采空區(qū)時，注漿量的計算要根據(jù)采空區(qū)(煤層)編號分層進行計算，其中每層采空區(qū)(煤層)的注漿量均可以按照下述公式進行計算，計算結(jié)果見表2。

(1)

式中：A——漿液損耗系數(shù)，一般取1.0～1.2，該工程取值1.05；

S——采空區(qū)治理面積，兩個井筒治理面積均取5027m2；

M——煤層平均采出厚度，根據(jù)井檢孔等地質(zhì)資料，副立井治理區(qū)域2#、11#煤層厚度分別取值4.0 m、3.2 m，回風立井治理區(qū)域2#、11#煤層厚度分別取值4.2 m、3.1 m；

K——治理范圍內(nèi)區(qū)域回采率，根據(jù)采掘布置圖及物探資料，副立井治理區(qū)域2#、11#煤層回采率分別取0.88、0.40，回風立井治理區(qū)域2#、11#煤層回采率分別取0.80、0.40；

ΔV——采空區(qū)剩余空隙率，2#煤層采空區(qū)取值0.40，11#煤層采空區(qū)取值0.45；

η——充填率，考慮到兩個井筒的保護等級，取值0.90；

c——漿液結(jié)實率，根據(jù)漿液配比試驗確定，該工程取值0.85。

圖2 套管口壓蓋止?jié){示意圖

3.3.2 注漿漿液及配比

目前，煤礦采空區(qū)常用的漿液有水泥砂漿類、水泥—粉煤灰類、膏體充填材料及高水充填材料等。從可行性及經(jīng)濟性角度考慮，本工程主要采用較為成熟的水泥-粉煤灰類漿液，井筒內(nèi)圈孔設(shè)計注入10%的單液水泥漿和5%的塑性早強漿液，保證注漿充填效果。漿液配比詳見表3，其水固質(zhì)量比宜取1∶1～1∶1.2。當治理井筒內(nèi)圈區(qū)域時，水泥宜占固相的 40%，粉煤灰占固相的60%；當治理井筒外圈區(qū)域時，水泥宜占固相的 30%，粉煤灰占固相的70% 。

表2 注漿量估算表

表3 漿液配比表

3.3.3 注漿壓力

注漿壓力的大小將決定漿液的擴散距離和充填、壓密的效果。壓力大，漿液擴散距離大，裂隙中漿液充填的效果也高。考慮到井筒11#煤層采空區(qū)埋深較深，因此本次設(shè)計井筒穿越的采空區(qū)治理注漿壓力取2.0～3.0 MPa。在注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當注漿達到2.0 MPa以上，泵量小于60 L/min，超過15 min時，該孔注漿結(jié)束。

3.4 施工工藝研究

(1)鉆孔應(yīng)分序次間隔進行，宜分2～3個序次成孔，一序次孔對采空區(qū)可以起到補勘的作用，根據(jù)實際地層及采空區(qū)情況對后序孔的孔位、孔距、孔數(shù)進行適當調(diào)整，彌補均勻布孔設(shè)計的不足。

(2)考慮到大同礦區(qū)侏羅紀煤層上部多為堅硬頂板，采空區(qū)溝通性較好，注漿過程中要控制單次注漿量，內(nèi)圈鉆孔漿液添加速凝劑、外圍鉆孔添加骨料等，從而控制漿液擴散范圍，避免漿液浪費。

(3)考慮到鉆孔的復(fù)雜情況，施工過程中要適時采用鉆孔成像儀對鉆孔內(nèi)巖層裂隙及采空區(qū)空洞進行觀測，從而根據(jù)上述情況及時調(diào)整注漿量和后續(xù)鉆孔位置，確保注漿帷幕的質(zhì)量。

4 注漿效果

兩個井筒合計施工44個鉆孔。其中，2#煤層采空區(qū)平均高度達到2 m左右，11#煤層采空區(qū)高度1 m左右。兩個井筒合計注漿量為33985 m3，其中回風立井累計注漿量為16750 m3，副立井累計注漿量為17235 m3。各注漿鉆孔經(jīng)過多次注漿后均達到或超過設(shè)計注漿壓力，滿足注漿結(jié)束標準。

通過注漿充填，井筒穿越的采空區(qū)得到了有效的預(yù)治理，漿液結(jié)石體對于采空區(qū)內(nèi)的瓦斯、一氧化碳等有害氣體也具有一定的封堵作用，從而確保了鑿井順利施工和井筒安全使用。通過井下照片可以看到井筒所穿越的采空區(qū)內(nèi)充滿了漿液結(jié)石體，治理效果良好，如圖3所示。

圖3 井下采空區(qū)漿液結(jié)石體照片

5 結(jié)語

(1)地球物理勘探手段宏觀上圈定采空區(qū)范圍，重點部位采用鉆孔驗證的綜合探查技術(shù)能夠較為準確地反映采空區(qū)賦存情況，從而提高采空區(qū)治理設(shè)計的針對性。

(2)進一步加大井筒穿越采空區(qū)注漿治理范圍的理論研究、不斷優(yōu)化鉆孔設(shè)計及注漿材料，完善注漿效果評價體系，從而形成一整套井筒穿越采空區(qū)綜合預(yù)治理的關(guān)鍵技術(shù)。

(3)晉蒙地區(qū)諸多煤田皆為雙紀賦存，由于煤炭開采力度的加大及開采深度的增加，更多的井筒建設(shè)會穿越多層采空區(qū)。該項技術(shù)的成功應(yīng)用為井筒穿越多層采空區(qū)提供了一種可靠的治理手段，具有重要的借鑒意義。