立井井筒穿越多層采空區綜合預治理技術研究

王志曉

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

大同煤田屬于中國華北聚煤區北部的雙紀煤田，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，部分礦井轉入深部石炭-二疊紀煤層的開采，需要新建井筒或對原有的井筒進行延深改造。長期大規模礦井開采及小煤窯無序開采而形成的淺層采空區，成為制約立井井筒建設的關鍵難題。上部采空區無論穩定與否，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，如何對上部采空區進行有效的綜合治理成為深部煤層開采建設必須解決的技術難題。目前，井筒在穿越采空區的施工經驗中，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。本文提出的綜合預治理技術是在井筒開鑿之前，利用物探技術和鉆孔勘探對其可能穿越的采空區及其危害進行探查和評估，根據確定的治理范圍和要求預先在地面對穿越的采空區進行綜合預注漿治理，治理后并進行效果評價。該技術在馬脊梁礦副立井和回風立井的井筒建設中得以應用，并取得了良好的效果，為該項技術的推廣應用奠定了基礎。

1 立井井筒穿越采空區技術

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

目前，國內井筒穿越采空區治理的案例不多，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，如果檢測到采空區和井筒有串(漏)風現象，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，井筒穿越采空區綜合預治理施工工藝是通過物探技術和鉆孔勘探查明地層和采空區分布，并結合井筒技術參數確定采空區治理范圍、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的治理，并進行效果評價。該方法在井筒掘進至采空區時，已對采空區的水、氣、破碎帶等災害提前完成了治理，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 采空區探查技術

根據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場地總平面布置圖，得出井筒治理范圍內的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賦存情況及確保后續治理設計更具針對性，需要對擬建副立井工業廣場下伏采空區進行綜合物探勘察。地球物理勘探技術是通過專門的儀器研究各種地球物理場變化規律來解決地質問題的一種手段。目前，常用于采空區探測的物探技術主要有電法勘探、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射脈沖式一次電磁場，用線圈觀測該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，從而來解決有關地質問題的時間域電磁法。本勘探區內共布置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個鉆孔均出現鉆井液漏失情況，5個鉆孔出現了不同程度掉鉆現象，與物探結果較為吻合，鉆探情況詳見表1。通過統計各鉆孔漏失情況，漏失位置基本集中在地表以下20～40 m范圍內，表明煤層采空區裂隙帶發育高度已經到達地表以下20～40 m處。

表1 鉆探驗證情況統計表

3 注漿治理方案設計

3.1 治理范圍確定及鉆孔布設

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逐層進行充填加固。武劍通過分析同忻煤礦雙層采空區對巖層、井筒力學效應的影響以及不同充填條件下巖層、井筒力學效應的分析，提出對井筒穿越的采空區應進行充填治理，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的區域，治理面積均為5027 m2。

每個井筒設計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 鉆探設計

3.2.1 鉆孔結構及技術要求

(1)注漿孔穿過采空區或進入煤層底板0.5～1.0 m。

(2)鉆孔開孔直徑宜控制在130～150 mm，經一次或兩次變徑后，終孔孔徑不小于91 mm。

(3)鉆孔均應進入完整基巖4～6 m處變徑。

(4)取芯孔的數量應為注漿總數的3%～5%。采空區部位巖芯采取率不應小于30%，其他部位巖芯采取率不應小于60%。

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

3.2.2 鉆孔止漿

目前，采空區治理的止漿方式主要有埋設孔口注漿管、套管口壓蓋止漿、止漿塞等。由于大同地區侏羅系煤層的上覆巖層多為砂巖或砂質泥巖，巖性比較完整，且井筒采空區有可能針對多個煤層采空區，上部采空區注漿結束后，需重復掃孔、繼續鉆進注漿，故一般多采用套管口壓蓋止漿，如圖2所示。

3.3 注漿設計

3.3.1 注漿量估算

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

(1)

式中：A——漿液損耗系數，一般取1.0～1.2，該工程取值1.05；

S——采空區治理面積，兩個井筒治理面積均取5027m2；

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

K——治理范圍內區域回采率，根據采掘布置圖及物探資料，副立井治理區域2#、11#煤層回采率分別取0.88、0.40，回風立井治理區域2#、11#煤層回采率分別取0.80、0.40；

ΔV——采空區剩余空隙率，2#煤層采空區取值0.40，11#煤層采空區取值0.45；

η——充填率，考慮到兩個井筒的保護等級，取值0.90；

c——漿液結實率，根據漿液配比試驗確定，該工程取值0.85。

圖2 套管口壓蓋止漿示意圖

3.3.2 注漿漿液及配比

目前，煤礦采空區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，井筒內圈孔設計注入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，其水固質量比宜取1∶1～1∶1.2。當治理井筒內圈區域時，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#煤層采空區埋深較深，因此本次設計井筒穿越的采空區治理注漿壓力取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，該孔注漿結束。

3.4 施工工藝研究

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

(2)考慮到大同礦區侏羅紀煤層上部多為堅硬頂板，采空區溝通性較好，注漿過程中要控制單次注漿量，內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)考慮到鉆孔的復雜情況，施工過程中要適時采用鉆孔成像儀對鉆孔內巖層裂隙及采空區空洞進行觀測，從而根據上述情況及時調整注漿量和后續鉆孔位置，確保注漿帷幕的質量。

4 注漿效果

兩個井筒合計施工44個鉆孔。其中，2#煤層采空區平均高度達到2 m左右，11#煤層采空區高度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。各注漿鉆孔經過多次注漿后均達到或超過設計注漿壓力，滿足注漿結束標準。

通過注漿充填，井筒穿越的采空區得到了有效的預治理，漿液結石體對于采空區內的瓦斯、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內充滿了漿液結石體，治理效果良好，如圖3所示。

圖3 井下采空區漿液結石體照片

5 結語

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

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

(3)晉蒙地區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，更多的井筒建設會穿越多層采空區。該項技術的成功應用為井筒穿越多層采空區提供了一種可靠的治理手段，具有重要的借鑒意義。