曹國(guó)亮

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

陷落柱為垂直導(dǎo)水構(gòu)造，如果奧灰發(fā)生陷落柱，且從其頂界面發(fā)育至煤層中，導(dǎo)通的煤層下部奧灰水，將使煤礦生產(chǎn)受到水害威脅。煤礦在采掘過(guò)程中會(huì)揭露大量的陷落柱，多數(shù)陷落柱是不導(dǎo)水的，但如果陷落柱導(dǎo)水，留設(shè)保護(hù)煤柱會(huì)極大地影響礦井的采掘規(guī)劃，并造成較大的壓煤量；而強(qiáng)行通過(guò)又會(huì)對(duì)礦井產(chǎn)生巨大的危害，造成淹井事故。本文結(jié)合柳林郭家山煤礦8105膠帶運(yùn)輸順槽揭露的導(dǎo)水陷落柱，淺談如何在工作面開(kāi)采前對(duì)導(dǎo)水陷落柱進(jìn)行注漿治理，阻斷陷落柱的導(dǎo)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(xiāng)，為晉柳能源有限公司下屬礦井，礦井生產(chǎn)能力0.60 Mt/a。井田含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)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(hào)煤層和太原組的6-1、6、7、7-2、8-1、8-2、9、10、11號(hào)煤層。井田內(nèi)共含五層全區(qū)可采或局部可采煤層，自上而下依次為山西組的3、4號(hào)煤層和太原組的8-1、8-2、9號(hào)煤層。其中3、4號(hào)煤層屬大部可采的穩(wěn)定煤層，均已采空。目前主采9號(hào)煤層，8號(hào)煤層配采。

8-1號(hào)煤層位于太原組的中下部，上距4號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層；8-2號(hào)煤層上距8-1號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬大部可采的穩(wěn)定煤層。9號(hào)煤層位于太原組中下部，上距8-2號(hào)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

井田地層總體上為一單斜構(gòu)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(tǒng)石灰?guī)r、泥灰?guī)r和白云巖等可溶鹽巖。該組地層厚約450 m左右，巖溶裂隙發(fā)育，是區(qū)內(nèi)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(fā)育在上、下馬家溝組的石灰?guī)r中，含水介質(zhì)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(fā)育相對(duì)較弱。在水平方向上，受區(qū)域構(gòu)造控制，補(bǔ)給區(qū)富水性較差，徑流區(qū)富水性逐步增強(qiáng)，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)和排泄區(qū)富水性較強(qiáng)，鉆孔單位涌水量在0.694～12.55 L/s·m之間。其中峰峰組水質(zhì)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(tǒng)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?guī)r組成，是區(qū)內(nèi)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(qiáng)弱受構(gòu)造和埋藏條件所控制，在構(gòu)造發(fā)育和埋藏較淺的部位，巖溶裂隙發(fā)育，補(bǔ)給條件好，富水性相對(duì)較強(qiáng)，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(zhì)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(guò)渡相碎屑巖沉積地層，在區(qū)域東部溝谷中有出露，由砂巖、砂質(zhì)泥巖夾煤層等組成。該地層含砂巖裂隙水，含水空間以風(fēng)化裂隙和構(gòu)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(zhì)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(tǒng)和第四系中、上更新統(tǒng)地層組成。

上第三系上新統(tǒng)含水層主要為紅土下半膠結(jié)狀礫石層，厚度不穩(wěn)定，溝谷中多見(jiàn)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(tǒng)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(xù)性差，儲(chǔ)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(tǒng)含水層主要分布于區(qū)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(jié)性河流補(bǔ)給，富水性較弱。

1.3 陷落柱

8105膠帶運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至228 m處底板揭露一陷落柱空洞，內(nèi)有積水。經(jīng)地測(cè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，該陷落柱長(zhǎng)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(nèi)水位標(biāo)高為+797.5 m，8#煤層底板高程為+801.5 m，如果對(duì)陷落柱回填后可正常掘進(jìn)、回采；但其下方9號(hào)煤的9104工作面已形成，陷落柱對(duì)應(yīng)下方9104工作面所屬區(qū)域?yàn)閹洪_(kāi)采區(qū)域，該處第二回風(fēng)順槽頂板高程為+788.2 m，低于陷落柱內(nèi)水位標(biāo)高。也就是說(shuō)如果該陷落柱導(dǎo)水，將對(duì)9104工作面回采及礦井安全造成極大的影響，需提前進(jìn)行注漿處理。

2 導(dǎo)水性判斷及水源分析

2.1 導(dǎo)水性判斷

由于附近L11水文觀測(cè)孔奧灰水位標(biāo)高為+796.2 m，而陷落柱內(nèi)水位標(biāo)高為797.5 m，初步預(yù)測(cè)陷落柱內(nèi)積水可能為奧灰水，也就是說(shuō)該陷落柱導(dǎo)水的可能性較大。將潛水泵送入陷落柱積水區(qū)內(nèi)進(jìn)行排水，然后再觀察水位回升情況，確定了該陷落柱的導(dǎo)水性，并根據(jù)排水量與補(bǔ)給時(shí)間計(jì)算出補(bǔ)給量約為5.2 m3/h。

2.2 水源分析

為判斷該陷落柱導(dǎo)水提供合理的科學(xué)依據(jù)，礦地測(cè)科人員分別在9104機(jī)頭、機(jī)尾陷落柱空洞中及L11水文觀測(cè)孔中各提取了一份水樣，送相關(guān)資質(zhì)單位進(jìn)行了水質(zhì)化驗(yàn)。水樣分析結(jié)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(jī)頭機(jī)尾所取的頂板水與奧灰水水質(zhì)類型有明顯區(qū)別，初步判斷為徑流條件差的太原組灰?guī)r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(zhǎng)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(xué)類型一致。根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探成果，峰峰組水質(zhì)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(xué)類型 單位:mg/L

編號(hào) 取樣點(diǎn) 9104 機(jī)頭 9104 機(jī)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(xué)類型 SO42-·HCO3—Mg2+·Ca2+ SO42—Ca2+·Mg2+HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+HCO3-·SO42—Ca2+·Na+

根據(jù)“技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合該礦的實(shí)際情況，本方案采用井下工作面注漿的方法，也就是通過(guò)井下施工注漿鉆孔、注漿、施工注漿檢查孔等工作內(nèi)容，達(dá)到治理陷落柱導(dǎo)水性的目的。本方案的核心是在9104第二回風(fēng)巷施工4個(gè)鉆孔，目的是切斷陷落柱中奧灰水的補(bǔ)給通道，具體方法為通過(guò)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(xiàn)場(chǎng)鉆場(chǎng)條件限制，鉆機(jī)俯角最大只能達(dá)到28°，為了使鉆孔均勻分布在陷落柱的周邊，在9104第二回風(fēng)巷陷落柱兩側(cè)20 m、30 m處各布置2個(gè)注漿孔，落點(diǎn)控制在9#煤層底板以下30～40 m，深度在80 m左右。

注漿孔設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)為4個(gè)，編號(hào)依次為Z1、Z2、Z3、Z4，每個(gè)鉆孔終孔均穿過(guò)陷落柱落在奧灰頂界面。

設(shè)計(jì)注漿檢查孔1個(gè)，編號(hào)為J1。為了檢查陷落柱內(nèi)由淺到深全段的注漿效果，J1孔布置在1號(hào)鉆場(chǎng)和2號(hào)鉆場(chǎng)之間的3號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)。鉆孔詳細(xì)布置見(jiàn)表2、圖1、圖2。

表2 鉆孔布置參數(shù)

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(kuò)散距離會(huì)太遠(yuǎn)，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(yùn)行時(shí)對(duì)漿柱產(chǎn)生的壓力；二是漿柱自身重力所產(chǎn)生的壓力。計(jì)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(wú)特定的規(guī)定，均是以往注漿的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。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(jì)算得出孔口壓力Pm為1.1 MPa，也就是說(shuō)當(dāng)注漿時(shí)孔口壓力達(dá)到1.1 MPa時(shí)，此次注漿壓力便達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4 檢查治理效果

本工程實(shí)施的目地是預(yù)先對(duì)陷落柱進(jìn)行治理，以阻斷陷落柱的導(dǎo)水通道，確保9104工作面回采安全。因此對(duì)陷落柱注漿治理效果的檢查特別重要。

孔口壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，注漿工作初步結(jié)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(jìn)行取芯，通過(guò)取芯的巖石來(lái)觀察漿液在破碎帶中充填程度以及膠結(jié)情況，初步判斷注漿效果。在J1鉆孔施工結(jié)束后，通過(guò)對(duì)J1鉆孔涌水量的觀測(cè)，評(píng)判最終注漿效果。若J1鉆孔未有涌水現(xiàn)象，便說(shuō)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。