陷落柱探測(cè)及注漿加固一體化治理技術(shù)研究

李建力,竇文武

(1.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 寺河礦,山西 晉城 048205; 2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

寺河礦西井區(qū)3#煤屬帶壓開(kāi)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(jù)三維地震資料顯示該陷落柱長(zhǎng)軸長(zhǎng)80 m，短軸長(zhǎng)55 m左右。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)承壓區(qū)具有導(dǎo)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(cè)的井下綜合物探方法研究”中利用并行網(wǎng)絡(luò)直流電法和地震反射共偏移法探測(cè)陷落柱的位置和富水情況。于紹波[3]等在“采煤工作面內(nèi)隱伏陷落柱的綜合探測(cè)與治理技術(shù)”采用坑透儀和瞬變電磁儀聯(lián)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(qiáng)硬推過(guò)的辦法。針對(duì)承壓區(qū)具有導(dǎo)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(shè)保護(hù)煤柱等。嚴(yán)強(qiáng)[4]在“煤礦陷落柱探測(cè)和注漿方案探討”中描述了承壓區(qū)陷落柱注漿加固技術(shù)。其他學(xué)者、專家在綜合物探、鉆探、注漿等綜合治理手段方面進(jìn)行了不同程度的研究[5-11]，取得了較好的結(jié)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(shù)對(duì)陷落柱進(jìn)行探測(cè)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(guò)研究與探討決定對(duì)其采用多種物探手段明確其具體位置和導(dǎo)水性。物探方法采用地面井下聯(lián)合探測(cè)，地面采用大地電磁法和天然場(chǎng)源法的探測(cè)技術(shù)；井下采用礦井瞬變電磁法和無(wú)線電透視法，通過(guò)井上下聯(lián)合探測(cè)和綜合解釋，并結(jié)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(cè)結(jié)果

大地電磁法系統(tǒng)可根據(jù)探測(cè)目的位置確定儀器選擇的參數(shù)和觀測(cè)系統(tǒng)。為了對(duì)X2探測(cè)更加準(zhǔn)確，成果分辨率小于5 m,選取地面探測(cè)面積300 m×300 m，測(cè)點(diǎn)密度5 m×5 m，共布置61條測(cè)線，3 721個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖1為EH4施工及探測(cè)成果圖。

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

圖可以看出，3號(hào)煤層到15號(hào)煤層之間視電阻率相對(duì)較高，3號(hào)煤層到9號(hào)煤層之間陷落柱疑似區(qū)域視電阻率相對(duì)偏低，推斷該區(qū)域相對(duì)富水。9號(hào)煤層至15號(hào)煤層視電阻率值相對(duì)較高，說(shuō)明15號(hào)煤之下巖層富水較弱，分析認(rèn)為該陷落柱導(dǎo)通了3號(hào)煤與9號(hào)煤之間的K6含水層，未導(dǎo)通15號(hào)煤及以下含水層，因此回采到陷落柱附近時(shí)需要預(yù)防底板K6承壓水。

1.2 瞬變電磁探測(cè)及解釋

瞬變電磁采用井下小線圈重疊回線探測(cè)，該方法具有施工簡(jiǎn)單，操作方便，方向性強(qiáng)，可有針對(duì)性的探測(cè)異常目標(biāo)體。探測(cè)方案：在W23011巷布置27個(gè)測(cè)點(diǎn)、W23013巷布置27個(gè)測(cè)點(diǎn)、輔助撤架巷布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)(共布置84 個(gè)測(cè)點(diǎn))進(jìn)行探測(cè)，點(diǎn)間距10 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)5個(gè)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?yàn)樗沧冸姶啪€圈法相所指方向。

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

圖3 礦井瞬變電磁低阻異常區(qū)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(qū)分布圖，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)輔助撤架巷，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)33011巷，橫坐標(biāo)0點(diǎn)對(duì)應(yīng)3301巷與輔助撤架巷交匯處，視電阻率低的代表富水性相對(duì)較強(qiáng)。由圖3可知探測(cè)區(qū)域存在2處視電阻率較低區(qū)域，即黑色虛線區(qū)域，其中1處對(duì)應(yīng)陷落柱位置，推測(cè)該陷落柱具有導(dǎo)水性。

2 井下鉆探

為進(jìn)一步確定陷落柱大小及其含水性，根據(jù)物探探測(cè)結(jié)果，對(duì)X2陷落柱進(jìn)行探放水設(shè)計(jì)。在切眼距33011巷120 m處布置一鉆場(chǎng)，鉆孔在平面上呈扇形布置，傾角沿3號(hào)煤層底板方向，鉆孔設(shè)計(jì)具體如表1所示。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)表Table 1 Drilling design table

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，在切眼巷向X2陷落柱布置14個(gè)探放水鉆孔，第一輪施工Z4、Z7、Z9、Z11、Z14五個(gè)鉆孔(鉆孔參數(shù)如表2所示)，主要目標(biāo)是探清楚陷落柱范圍，同時(shí)探測(cè)陷落柱是否導(dǎo)水。根據(jù)鉆探結(jié)果確定是否進(jìn)行第二輪注漿孔和第3輪檢驗(yàn)孔。

表2 鉆孔巖性表Table 2 Drilling lithology table

經(jīng)過(guò)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(zhǎng)軸長(zhǎng)152 m，短軸長(zhǎng)55 m左右。在探放水鉆孔施工期間，鉆孔有少量涌水，經(jīng)化驗(yàn)判別，涌水主要來(lái)自于3號(hào)頂板砂巖含水層。

3 注漿加固

3.1 X2陷落柱突水風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬，揭露陷落柱前，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，工作面前方的支承壓力隨采動(dòng)向前推進(jìn)而不斷前移，形成超前移動(dòng)的支承壓力，并且垂直應(yīng)力隨著煤柱減小而增大；推進(jìn)陷落柱過(guò)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(fā)育，發(fā)育深度可達(dá)57 m左右，而且陷落柱邊緣處有底臌，底板應(yīng)力得到釋放，應(yīng)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(xù)活化，很有可能與下部的奧灰水導(dǎo)通，造成突水危險(xiǎn)。因此很有必要在3#煤層底板進(jìn)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(jù)水質(zhì)分析資料涌水水源為頂板水，陷落柱內(nèi)部主要以砂巖和泥巖為主。據(jù)此判斷X2陷落柱膠結(jié)較好，與奧灰水力聯(lián)系較弱。為防止在W3301開(kāi)采過(guò)程中陷落柱活化，將終孔層位定位于9號(hào)煤層上部砂巖層位中，距3號(hào)底板約為40 m～50 m。如表1中Z1、Z3、Z5、Z8、Z10、Z12六個(gè)注漿孔；Z2、Z6、Z13三個(gè)檢測(cè)孔。

2)注漿方案。為充分利用井下已有的巷道系統(tǒng)，節(jié)約鉆探工程量，治理工程采用井下注漿方案，井下鉆進(jìn)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(gè)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(hào)煤頂板為第二段，每孔注漿壓力達(dá)到6 MPa，注漿擴(kuò)散半徑 20 m～30 m。

3)鉆孔結(jié)構(gòu)。每孔下Φ89 mm套管，長(zhǎng)度為6 m，終孔Φ75 mm，全孔采用無(wú)巖芯鉆進(jìn)。第一輪施工：先對(duì)Z1、Z5、Z10鉆孔，進(jìn)行注漿；第二輪施工：待漿液固結(jié)后，進(jìn)行Z2、Z6、Z13注漿效果檢測(cè)，若封堵效果較好，檢查無(wú)涌水現(xiàn)象，則無(wú)需繼續(xù)施工，若檢測(cè)過(guò)程出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，則停止檢測(cè)，繼續(xù)進(jìn)行Z3、Z8、Z12鉆孔并注漿，當(dāng)檢測(cè)孔不再涌水時(shí)，可以停止施工，若檢查孔涌水量和初始涌水量無(wú)基本變化，需進(jìn)行第三輪補(bǔ)充注漿孔，直至檢測(cè)孔不再出現(xiàn)涌水現(xiàn)象為止。

3.3 注漿成果

當(dāng)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(nèi)部無(wú)涌水涌出，即停止注漿，進(jìn)行Z2、Z6、Z13注漿效果檢測(cè)，在進(jìn)行Z6孔檢測(cè)時(shí)，又出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，于是對(duì)Z5進(jìn)行二次注漿。為確保注漿效果穩(wěn)定，對(duì)Z8孔注漿后，再次進(jìn)行檢測(cè)，Z2、Z6、Z13孔均無(wú)涌水現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)3號(hào)底板進(jìn)行注漿加固，在3號(hào)煤層底板40 m～60 m位置區(qū)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(dòng)影響而活化。在實(shí)際的回采揭露陷落柱過(guò)程中，回采順利，效率提高，未出現(xiàn)涌水現(xiàn)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(jié)論

通過(guò)對(duì)寺河礦西井區(qū)X2陷落柱探查、治理、驗(yàn)正，總結(jié)得出： 1)寺河礦巖溶陷落柱具有導(dǎo)水性，主要導(dǎo)通3號(hào)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(fā)育深度大于50 m，有可能導(dǎo)通下部的奧灰水，造成突水危險(xiǎn)； 2)井上下聯(lián)合物探可以更準(zhǔn)確的探測(cè)出陷落柱的范圍和導(dǎo)水性，為后期治理提供技術(shù)支撐；3)陷落柱探測(cè)及注漿加固一體化治理技術(shù)成果對(duì)寺河礦3號(hào)煤層回采工作面過(guò)陷落柱起到很好的作用，為其它類似陷落柱治理提供實(shí)踐依據(jù)。