隱伏導(dǎo)水陷落柱探測與注漿加固技術(shù)

李向銀

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

0 引 言

煤礦巷道及工作面在經(jīng)過導(dǎo)水陷落柱時應(yīng)采取一定的加固措施，由于導(dǎo)水陷落柱為一種垂直導(dǎo)水構(gòu)造，能夠使得煤層與承壓含水層之間相互貫通，同時導(dǎo)水陷落柱具有隱蔽性、突發(fā)性等特征，故在巷道或工作面通過導(dǎo)水陷落柱之前未進(jìn)行有效的探查、治理時，易引起重大的突水事故，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。目前通過導(dǎo)水陷落柱時常采用的方法為在掘進(jìn)或回采前通過采取加固措施切斷突水水層與煤層之間的水力聯(lián)系，在加固導(dǎo)水陷落柱方面注漿加固技術(shù)的效果較為顯著，注漿加固技術(shù)在巷道或工作面通過地質(zhì)構(gòu)造帶時，能夠起到提高圍巖強度和增強圍巖整體性的效果，同時還能起到有效的堵水作用。

1 工程概況

某礦主采石炭系太原組4#、9#及11#煤層，4#煤層的均厚為10.5m，9#煤層的均厚為12.9m，11#煤層的均厚為3.8m。井田范圍內(nèi)主要含水層為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層、新近系空隙含水層及石炭二疊系砂巖裂隙含水層，同時井田范圍內(nèi)巖溶裂隙較為發(fā)育，主要以溶洞、溶孔及溶蝕裂隙等形態(tài)存在。19108工作面形成后采用音頻物探法對工作面范圍內(nèi)進(jìn)行探測[4-5]，發(fā)現(xiàn)4處異常區(qū)域，再通過對異常區(qū)區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗證后確認(rèn)存在一處導(dǎo)水陷落柱，該2#陷落柱短軸為33.8m、長軸為44.3m，面積約為1167m2，陷落柱與19108工作面輔助運輸巷的距離為33m，2#陷落柱具體位置示意圖如圖1所示。為了保證工作面回采期間的安全生產(chǎn)，必須解決進(jìn)導(dǎo)水陷落柱進(jìn)行治理，消除陷落柱突水淹井的重大隱患。

圖1 導(dǎo)水陷落柱具體位置示意圖

2 導(dǎo)水陷落柱治理方案及效果

2.1 初步方案及效果

根據(jù)19108工作面2#陷落柱的具體情況并結(jié)合導(dǎo)水陷落柱內(nèi)注漿擴散半徑，設(shè)計共打設(shè)鉆孔6個，其中4個鉆孔為先對陷落柱的裂隙發(fā)育程度及膠結(jié)裝填進(jìn)行探查，然后進(jìn)行注漿加固，另2個鉆孔為檢查注漿堵水效果的檢查孔，具體鉆孔位置剖面圖如圖2所示。具體注漿施工時，水泥采用P.C32.5R復(fù)合型硅酸鹽水泥，水灰配比控制在4：1～2：1之間，注漿孔口凈水壓力為0.6MPa，由于注4鉆孔所在位置為主要導(dǎo)水裂隙通道，注入水泥量305.9t，終孔水量為12.4m3/h，注2鉆孔注入水泥量0.8t，終孔水量為0.2m3/h，水泥漿液的擴散半徑未能達(dá)到原設(shè)計要求。根據(jù)初步治理方案實施過程中發(fā)現(xiàn)19108工作面2#陷落柱裂隙分布不均勻，柱體內(nèi)呈現(xiàn)各向異性，故應(yīng)采取在施工過程中同時進(jìn)行分析設(shè)計的原則對2#陷落柱進(jìn)行治理。

圖2 鉆孔位置剖面圖

2.2 奧灰頂部注漿加固及效果

通過鉆孔進(jìn)行探查具體情況后，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化后，制定具體的注漿措施，最終確定注漿鉆孔20個，共計注入水泥1158t，對奧灰層注漿加固的鉆孔布置平面圖如圖3所示。在對奧灰層注漿加固后，將2#陷落注的鉆孔涌水量由原本的6.4m3/h減小到0.413m3/h，由注漿后鉆孔基本無涌出量，能夠得知對奧灰?guī)r頂板10m范圍進(jìn)行注漿加固后取得了較好的效果。

圖3 奧灰層頂板注漿鉆孔布置平面圖

2.3 底板隔水層注漿方案及效果

為確保煤層底板形成有效隔水層，確保19108工作面通過陷落柱、正常回采，現(xiàn)對9#煤隔水層下部20m進(jìn)行注漿加固，底板隔水層下部注漿共布置8個鉆孔，鉆孔終孔均穿過陷落柱水平邊界10m，其中4個鉆孔終孔位置在奧灰頂面上方20m，另4個鉆孔的終孔位置在奧灰頂面上10m，底板隔水層注漿鉆孔布置平面圖如圖4所示。在8個注漿鉆孔施工完畢后共注水泥138.4t，注漿加固前鉆孔涌水量平均為1.5m3/h，加固后鉆孔內(nèi)基本無涌水現(xiàn)象，這表明對底板隔水層下部注漿加固后取得了較好的效果。

圖4 底板隔水層奧灰層上20m范圍注漿鉆孔布置平面圖

3 2#陷落柱注漿加固效果

3.1 檢查鉆孔的注漿效果

圖5 檢查鉆孔布置平面圖

為保證陷落柱的注漿加固效果，確保19108工作面安全的通過陷落柱，本次設(shè)置7個檢查鉆孔，其中J3、J4鉆孔為取芯鉆孔，鉆孔在進(jìn)入陷落注5m前進(jìn)行取芯對陷落柱內(nèi)水泥的充填情況進(jìn)行驗證；其余5個鉆孔對注漿加固的效果進(jìn)行驗證，具體檢查鉆孔布置如圖5所示。具體檢驗效果如下：①在J1、J2、J5、J6和J75個檢查鉆孔的鉆進(jìn)過程中均未出現(xiàn)進(jìn)尺變快、坍塌及漏失現(xiàn)象出現(xiàn)，這說明2#陷落柱的注漿加固的效果較好；②對于J3、J42個取芯鉆孔，通過取出巖芯內(nèi)水泥的充填情況，能夠得出注漿過程中水泥漿得到了有效擴散；③注漿結(jié)束后各檢查孔的終孔涌水量如表1所示，從表中能夠看出各檢查孔的終孔涌水量均小于1.4m3/h，其中終孔涌水量相對較大有J1鉆孔 1.2m3/h、J2鉆孔 1.33m3/h、J3鉆孔 1.34 m3/h，其余4個鉆孔的終孔涌水量均小于0.35m3/h，對涌水量較大的J1～J3鉆孔的涌水量分別為92.9m、84.7m及93.2m，故能得知J1～J3的出水層位均在奧灰頂?shù)慕缑嫦路剑@說明注漿后形成的結(jié)構(gòu)達(dá)到將奧灰水有效隔絕的作用[6]。

表1 2#陷落柱檢查孔終孔涌水量

3.2 探查孔注漿效果及水化學(xué)成分分析

在本次注漿孔施工過程中及結(jié)束后對4個探查孔及煤層4#孔進(jìn)行水量的持續(xù)觀測，在2#陷落柱未進(jìn)行注漿加固措施之前，5個鉆孔的總涌水量為16.3m3/h，待注漿完成后4個探查孔已無涌水，僅有煤層4#鉆孔存在涌水現(xiàn)象，涌水量為0.18m3/h，對比注漿前后5個孔總涌水量減少了16.12m3/h，減水量達(dá)到98.9%，在注漿孔終孔后各個探查孔的水量均有減小，這說明注漿孔與探查孔之間存在導(dǎo)水通道，另外在注漿過程中，部分探查孔的涌水量變大，其中一個孔出現(xiàn)反漿現(xiàn)象，且隨著注漿量的增大，探查孔內(nèi)的水量逐漸減小，這便從另外一個方面說明了探查孔與注漿孔之間存在導(dǎo)水通道。通過上述分析能夠得知對陷落柱進(jìn)行注漿加固后形成了有效的堵水、防突的目的。

在對2#陷落柱進(jìn)行注漿加固前對探查孔內(nèi)的涌水對2個探查孔、5個注漿孔進(jìn)行取水進(jìn)行了5次水質(zhì)分析，得出水中等離子含量，并將其與原有奧灰水水文相對比，根據(jù)分析煤層4#孔不同時期5次水質(zhì)化驗結(jié)果顯示Mg2+、Ca2+的含量基本無變化，含量在注漿加固后明顯增大，的含量在注漿后明顯減小，這說明煤層4#孔涌水水文變化明顯；將煤層4#鉆孔治理前水中離子的含量與原有奧灰水的水文資料對比能夠看出水中離子含量基本無差別，但隨著注漿加固的進(jìn)行含量逐漸增大含量逐漸減小，這意味著注漿加固攔截了奧灰水的補給。注6、注9、注13及補3鉆孔水中在注漿前后略有些變化，補7號鉆孔中離子含量與其他四個注漿鉆孔中含量相差較大，由于補7號鉆孔位于奧灰頂界面上方20m，另四個鉆孔層位位于奧灰頂界面下方5m或奧灰頂界面附近，這說明以奧灰頂界面上20m處為界限，界限上方與下方的水質(zhì)不同，即表明注漿加固后的結(jié)構(gòu)起到了很好的隔水效果。

3.3 19108工作面回采情況

在對2#陷落柱注漿加固處理完畢后，工作面從揭露2#陷落柱到回采通過陷落柱僅用9天的時間，并且在回采過陷落柱時未出現(xiàn)頂板冒落、涌水、底板下陷等現(xiàn)象，實現(xiàn)了19108工作面安全順利回采通過陷落柱。19108工作面通過陷落柱500m后，采空區(qū)也未出現(xiàn)異常涌水現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

通過對19108工作面2#陷落柱治理方案結(jié)合前人在注漿工藝、鉆探工藝及堵水效果等方面有了一些新的認(rèn)識，主要為以下幾點：

1）在布置鉆孔位置時，應(yīng)盡可能的將考慮范圍擴大，同時鉆孔應(yīng)在不同層位都有分布，在鉆孔鉆進(jìn)過程中注意觀察鉆壓變化、進(jìn)尺快慢、出水情況等，根據(jù)這些情況對參數(shù)進(jìn)對鉆孔布置進(jìn)行優(yōu)化。

2）在對陷落柱進(jìn)行注漿加固處理時應(yīng)首先探清陷落柱的主要導(dǎo)水通道，然后制定方案進(jìn)行治理，同時注漿時應(yīng)采用施工、分析、優(yōu)化設(shè)計的順序原則對陷落柱進(jìn)行治理。

3）通過注漿加固對陷落柱進(jìn)行處理后，采用打設(shè)檢查孔、取巖芯觀察、鉆孔水質(zhì)化學(xué)分析等方法能夠?qū)ψ{加固效果進(jìn)行驗證，且驗證方案合理有效。