導水陷落柱的水源判斷及注漿治理

曹國亮

（山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

陷落柱為垂直導水構造，如果奧灰發生陷落柱，且從其頂界面發育至煤層中，導通的煤層下部奧灰水，將使煤礦生產受到水害威脅。煤礦在采掘過程中會揭露大量的陷落柱，多數陷落柱是不導水的，但如果陷落柱導水，留設保護煤柱會極大地影響礦井的采掘規劃，并造成較大的壓煤量；而強行通過又會對礦井產生巨大的危害，造成淹井事故。本文結合柳林郭家山煤礦8105膠帶運輸順槽揭露的導水陷落柱，淺談如何在工作面開采前對導水陷落柱進行注漿治理，阻斷陷落柱的導水通道,確保工作面回采安全。

1 概述

1.1 礦井概況

郭家山煤礦位于柳林縣陳家灣鄉，為晉柳能源有限公司下屬礦井，礦井生產能力0.60 Mt/a。井田含煤地層主要為石炭系上統太原組（C3t）和二疊系下統山西組（P1s）。山西組和太原組共含煤14層，自上而下分別為山西組的1、3、4-1、4、5號煤層和太原組的6-1、6、7、7-2、8-1、8-2、9、10、11號煤層。井田內共含五層全區可采或局部可采煤層，自上而下依次為山西組的3、4號煤層和太原組的8-1、8-2、9號煤層。其中3、4號煤層屬大部可采的穩定煤層，均已采空。目前主采9號煤層，8號煤層配采。

8-1號煤層位于太原組的中下部，上距4號煤層53.0～65.47 m，平均61.90 m，煤層厚度為0.80～1.02 m，平均0.88 m，不含夾矸，結構簡單，屬全區可采的穩定煤層；8-2號煤層上距8-1號煤層0.97～1.78 m，平均1.43 m，煤層厚度為0.60～1.08 m，平均0.76 m，不含夾矸，結構簡單，屬大部可采的穩定煤層。9號煤層位于太原組中下部，上距8-2號煤層5.89～10.97 m，平均8.93 m，煤層厚度為1.63～4.82 m，平均4.02 m，含0-3層厚度為0～0.45 m的夾矸，結構復雜，屬全區可采的穩定煤層。

井田地層總體上為一單斜構造，走向北北西，傾向南西，地層傾角為3°～7°。

1.2 主要含水層

（1）碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組

該含水巖組主要指奧陶系中統石灰巖、泥灰巖和白云巖等可溶鹽巖。該組地層厚約450 m左右，巖溶裂隙發育，是區內最主要的含水巖組。該含水巖組的富水性在水平和垂直方向上都有較大差異。在垂直方向上：巖溶裂隙主要發育在上、下馬家溝組的石灰巖中，含水介質以溶洞、溶孔為主，溶洞直徑10～20 cm，溶孔直徑1～5 cm；峰峰組地層巖溶發育相對較弱。在水平方向上，受區域構造控制，補給區富水性較差，徑流區富水性逐步增強，在構造發育區和排泄區富水性較強，鉆孔單位涌水量在0.694～12.55 L/s·m之間。其中峰峰組水質類型為HCO3-·SO42--Ca2+·Na+型，礦化度1.15 g/L。

（2）碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組

本含水巖組為上石炭統太原組一套海陸交互沉積地層，由砂巖、泥巖、煤層及3～5層石灰巖組成，是區內主要含水巖組之一。含層間裂隙水，具承壓性，但富水性不均一，富水性強弱受構造和埋藏條件所控制，在構造發育和埋藏較淺的部位，巖溶裂隙發育，補給條件好，富水性相對較強，否則富水性弱。與奧灰水有相似性。鉆孔單位涌水量0.014～0.792 L/s·m，水質類型為SO42-·HCO3-Na+·Mg2+·Ca2+型。

（3）碎屑巖類砂巖裂隙含水巖組

主要包括二疊系的一套陸相，過渡相碎屑巖沉積地層，在區域東部溝谷中有出露，由砂巖、砂質泥巖夾煤層等組成。該地層含砂巖裂隙水，含水空間以風化裂隙和構造裂隙為主，泉流量0.1～1.0 L/s，鉆孔單位涌水量在0.00039～0.0041 L/s·m之間，水質類型為HCO3-·SO42--Na+·Mg2+型，礦化度0.77 g/L。

（4）松散巖類孔隙含水巖組

主要由上第三系上新統和第四系中、上更新統地層組成。

上第三系上新統含水層主要為紅土下半膠結狀礫石層，厚度不穩定，溝谷中多見有小泉水出露，泉流量較小，一般0.001～0.1 L/s，富水性較弱。

第四系中、上更新統含水層為黃土裂隙和黃土中的砂礫石層，多分布于梁峁之上，且連續性差，儲水條件不好，局部含上層滯水，富水性極弱，多為透水不含水巖層。

全新統含水層主要分布于區域西北部三川河的河漫灘和較大的溝谷中，含水層為砂卵礫石層，主要受季節性河流補給，富水性較弱。

1.3 陷落柱

8105膠帶運輸順槽掘進至228 m處底板揭露一陷落柱空洞，內有積水。經地測技術人員現場測量，該陷落柱長軸為10 m，短軸為8 m，陷落柱空洞深度約為15.2 m，水深約為9.3 m，該陷落柱內水位標高為+797.5 m，8#煤層底板高程為+801.5 m，如果對陷落柱回填后可正常掘進、回采；但其下方9號煤的9104工作面已形成，陷落柱對應下方9104工作面所屬區域為帶壓開采區域，該處第二回風順槽頂板高程為+788.2 m，低于陷落柱內水位標高。也就是說如果該陷落柱導水，將對9104工作面回采及礦井安全造成極大的影響，需提前進行注漿處理。

2 導水性判斷及水源分析

2.1 導水性判斷

由于附近L11水文觀測孔奧灰水位標高為+796.2 m，而陷落柱內水位標高為797.5 m，初步預測陷落柱內積水可能為奧灰水，也就是說該陷落柱導水的可能性較大。將潛水泵送入陷落柱積水區內進行排水，然后再觀察水位回升情況，確定了該陷落柱的導水性，并根據排水量與補給時間計算出補給量約為5.2 m3/h。

2.2 水源分析

為判斷該陷落柱導水提供合理的科學依據，礦地測科人員分別在9104機頭、機尾陷落柱空洞中及L11水文觀測孔中各提取了一份水樣，送相關資質單位進行了水質化驗。水樣分析結果顯示，各水樣的礦化度、硬度及硫酸根離子含量具有明顯差別。9104機頭機尾所取的頂板水與奧灰水水質類型有明顯區別，初步判斷為徑流條件差的太原組灰巖水。8105陷落柱水樣的礦化度高于水源井，由于水源井取用奧灰上馬家溝組含水層水，長期取水后含水層徑流條件好，硫酸根、鈣離子、碳酸氫根離子含量明顯低于陷落柱水樣，水源井與陷落柱水樣的水化學類型一致。根據水文地質補充勘探成果，峰峰組水質類型以SO42-·HCO3-- Ca2+.Na+型為主，礦化度約1.15 g/L，初步判斷陷落柱的充水水源為奧陶系峰峰組巖溶含水層水。

3 陷落柱注漿處理

表1 離子特征及水化學類型 單位:mg/L

編號 取樣點 9104 機頭 9104 機尾奧灰水源井8105 陷落柱10 Hco3- 593.26 436.63 278.56 439.04 11 礦化度 2240.25 3326.96 586.3 1047.72 12 總硬度 1377.32 2157.24 330.42 486.87 13 碳酸硬度 486.63 358.15 245.09 360.13 14 非碳酸硬度 890.69 1799.09 85.33 126.74 15 總堿度 486.63 358.15 245.09 360.13 16 總酸度 28.48 20.91 0 9.3 17 水化學類型 SO42-·HCO3—Mg2+·Ca2+ SO42—Ca2+·Mg2+HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+HCO3-·SO42—Ca2+·Na+

根據“技術上可行，經濟上合理”的設計原則，結合該礦的實際情況，本方案采用井下工作面注漿的方法，也就是通過井下施工注漿鉆孔、注漿、施工注漿檢查孔等工作內容，達到治理陷落柱導水性的目的。本方案的核心是在9104第二回風巷施工4個鉆孔，目的是切斷陷落柱中奧灰水的補給通道，具體方法為通過注漿封堵9#煤層底板以下30～40 m段陷落柱以及周圍裂隙。

3.1 注漿孔布置

陷落柱中心位于9104工作面285 m處，受現場鉆場條件限制，鉆機俯角最大只能達到28°，為了使鉆孔均勻分布在陷落柱的周邊，在9104第二回風巷陷落柱兩側20 m、30 m處各布置2個注漿孔，落點控制在9#煤層底板以下30～40 m，深度在80 m左右。

注漿孔設計個數為4個，編號依次為Z1、Z2、Z3、Z4，每個鉆孔終孔均穿過陷落柱落在奧灰頂界面。

設計注漿檢查孔1個，編號為J1。為了檢查陷落柱內由淺到深全段的注漿效果，J1孔布置在1號鉆場和2號鉆場之間的3號鉆場內。鉆孔詳細布置見表2、圖1、圖2。

表2 鉆孔布置參數

圖1 鉆孔布置平面

圖2 鉆孔布置剖面

3.2 注漿程度

注漿的壓力的大小最為重要，它將直接影響到漿液的充填效果。如果壓力太小，漿液往往不能有效的充填陷落柱及周圍裂隙，起不到注漿堵水的效果；壓力太大，漿液擴散距離會太遠，甚至使陷落柱原有的裂隙通道增大，效果適得其反。注漿的總壓力由兩部分組成；一是注漿泵運行時對漿柱產生的壓力；二是漿柱自身重力所產生的壓力。計算公式如下：

式中：P0為注漿總壓力，MPa；Pm為孔口壓力，MPa；H為孔口至受注漿層位1/2處的高度，m；r為漿液比重，g/cm3；h為注漿前注漿段1/2處的水柱高度，m。

取H 值 為25 m，h 取 值30 m，r 取 值1.5 g/cm3(水灰比為1:1)。

注漿總壓力暫無特定的規定，均是以往注漿的經驗數據。一般情況下，按注漿含水層最大靜水壓力的2 倍為注漿總壓力值，此處最大靜水壓力約為0.6 MPa，所以P0=1.2 MPa。計算得出孔口壓力Pm為1.1 MPa，也就是說當注漿時孔口壓力達到1.1 MPa時，此次注漿壓力便達到結束標準。

4 檢查治理效果

本工程實施的目地是預先對陷落柱進行治理，以阻斷陷落柱的導水通道，確保9104工作面回采安全。因此對陷落柱注漿治理效果的檢查特別重要。

孔口壓力達到標準后，注漿工作初步結束，等鉆孔中的泥漿徹底凝固后，在陷落柱中央部位向下施工J1檢查孔。J1檢查孔需進行取芯，通過取芯的巖石來觀察漿液在破碎帶中充填程度以及膠結情況，初步判斷注漿效果。在J1鉆孔施工結束后，通過對J1鉆孔涌水量的觀測，評判最終注漿效果。若J1鉆孔未有涌水現象，便說明注漿良好，已將陷落柱中裂隙充分的充填，使奧灰水失去了上涌的通道。