楊勇勇

(山西柳林大莊煤礦有限責任公司,山西 柳林 033300)

隨著煤礦向深部延伸開采,煤礦開采的水文地質(zhì)條件變得越來越復雜,水害隱患越來越嚴重[1]。而注漿封堵技術在煤礦突水事故的搶險救災及突水治理過程中發(fā)揮著至關重要的作用,但是對于注漿改造效果尚未形成系統(tǒng)的評價方法[2]。劉小平等[3]通過眾多工程實踐,對注漿質(zhì)量的檢測方法、指標、合格標準、評價方法及檢測工作中存在的誤區(qū)進行了全面總結(jié),認為注漿工后質(zhì)量檢測是一項系統(tǒng)性工作,應根據(jù)建(構(gòu))筑物特點及注漿設計要求,遵循"內(nèi)外兼顧、前后一致、綜合檢測"的原則優(yōu)選檢測方法,提出了一種適宜于煤礦采空區(qū)注漿質(zhì)量百分制評定法,對地下隱蔽災害治理質(zhì)量及效果評價具有重要的意義。慕松利等[4]采用“27381注漿改造評價體系”,對趙固二礦14030工作面底板突水危險性及注漿加固效果進行了評價。李亞昊等[5]以顧北煤礦A組煤開采水害防治區(qū)域治理工程為例,從注漿過程、水壓(位)、水量、水質(zhì)、突水系數(shù)等方面開展了區(qū)域治理注漿效果驗證評價。王兵強[6]在深入剖析目前常用注漿效果檢測方法的基礎上,結(jié)合工程實例,從材料、制漿和灌漿3個直接影響采空區(qū)注漿質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)論述施工過程控制要點,并運用注漿過程分析法、檢查孔法、變形監(jiān)測法及物探法對注漿效果進行檢測評價,形成“即時檢測+工后檢測”的綜合檢測評價方法。楊志斌等[7]以安徽某礦奧灰特大突水搶險注漿堵水工程為例,提出采用鉆孔高壓壓水試驗方法,對太原組灰?guī)r堵源注漿效果進行定量評價。本文采用三維并行電法及無線電波透視2種探測技術對注漿效果進行查驗,并通過鉆探手段對注漿治理效果進行驗證,最后結(jié)合這物探、鉆探結(jié)果對注漿效果進行評價,為煤礦實際生產(chǎn)過程中驗證注漿效果提供了更為高效、簡便的評價方法。

1 概況

1.1 研究區(qū)概況

大莊公司所屬碾焉煤礦井田位于河東煤田中部,柳林國家規(guī)劃礦區(qū)柳林北區(qū)。井田地表大部分被黃土覆蓋,基巖零星出露。根據(jù)鉆探揭露,井田內(nèi)地層由老至新有:奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組；石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組以及上統(tǒng)上石盒子組；新近系；第四系中、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

8102綜采工作面位于井田西北部,工作面東部為8103膠帶進風順槽,西部為8101采空區(qū)。8101工作面回風、進風順槽斷層構(gòu)造位置出現(xiàn)了奧灰涌水現(xiàn)象(進風順槽涌水量20 m3/h,回風順槽涌水量約15 m3/h),該工作面停采于距構(gòu)造位置20 m處,并未推采過構(gòu)造帶,停采后順槽斷層構(gòu)造帶出現(xiàn)涌水。南部為8#一采區(qū)回風聯(lián)巷與膠帶聯(lián)巷,北部為礦界保安煤柱。工作面頂板為石灰?guī)r,平均厚度為5.10 m;抗壓強度為78.40～97.70 MPa,平均為88.05 MPa；抗拉強度3.01～3.77 MPa,平均為3.39 MPa,為堅硬巖,屬難冒落的堅硬頂板。底板大多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部為泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖或細砂巖,平均厚度為4.20 m；抗壓強度為18.00～22.40 MPa,平均為20.20 MPa；抗拉強度0.70～1.10 MPa,平均為0.90 MPa,為較軟巖。

8102綜采工作面為走向南北,傾向東西的單斜構(gòu)造。據(jù)8102進風順槽83 m處揭露的斷層與8102軌道順槽141 m處揭露的斷層推斷,該工作面斷層具有連續(xù)性,呈傾斜方向。進風順槽斷層走向47°,傾向不大于60°,落差0.8 m；回風順槽走向84°,傾向69°,落差1.2 m,對回采有一定影響。8102綜采工作面為走向南北,傾向東西的單斜構(gòu)造。工作面直接頂為石灰?guī)r,煤層起伏不大,但局部有破碎現(xiàn)象。工作面在回采過程可能有斷層導水、涌水量增大現(xiàn)象。

8102工作面于回采過程中揭露了一處陷落柱,該陷落柱靠近8102工作面回風順槽。目前，回采工作面已揭露陷落柱8 m左右。根據(jù)鉆探并參照物探資料,推測陷落柱長軸長35 m,短軸長30 m,膠結(jié)程度好,未發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象,存在方解石結(jié)晶,剛揭露時局部裂隙有少量滲水,現(xiàn)已經(jīng)無出水現(xiàn)象;陷落柱揭露位置8#煤底板標高527 m,奧灰水水位標高797 m,隔水層厚度74 m；該陷落柱在8#煤層突水系數(shù)0.046 MPa/m?？傮w而言,工作面地質(zhì)構(gòu)造復雜程度評級為簡單。

1.2 設計方法

陷落柱探查及注漿加固潛在性突防治理。針對陷落柱特征科學布控,初步設計對煤層底板控深70 m,頂板控深30 m,終孔間距布置10～35 m,著重陷落柱邊緣和邊緣外應力釋放松動影響較強圈10～15 m區(qū)間,必要時做孔與孔間壓水聯(lián)通測試及排組性聯(lián)通測試。

探查過程中需對底板水(太灰和奧灰水)進行注漿加固綜合治理,據(jù)實進行設計實施,最終達到封孔要求。

根據(jù)資料分析、現(xiàn)場調(diào)查以及對呂梁地區(qū)奧灰水含水層對煤層開采的威脅程度和目前奧灰水整體的防治現(xiàn)狀了解,對于8102工作面陷落柱的威脅必須重視,探測和治理必須采用綜合、有效的手段,具體主要的技術思路如圖1所示。

圖1 8012工作面陷落柱探測及治理技術路線圖Fig.1 Technical roadmap of collapse column detection and treatment in 8012 working face

1)物探探查。為確保8102工作面的安全回采,在工作面回采前需要提前開展物探工作,為安全生產(chǎn)提供保障。本次物探工作采用三維并行電法和無線電波透視2種探測技術。根據(jù)工作面實際情況及現(xiàn)場揭露的陷落柱位置,對8102工作面進風順槽、回風順槽及切眼布置電極和電法測線。其中進風順槽和回風順槽均布置30個電極,控制8102工作面走向長度約290 m；兩巷間的切眼位置布置11個電極及相關電法測線,形成三維全空間的電法觀測系統(tǒng)，如圖2、圖3所示。

圖2 工作面電法三維探測施工布置圖Fig.2 Construction layout of 3Delectrical detection method of working face

圖3 工作面無線電透視CT射線分布圖Fig.3 CT ray distribution of radio perspective method of working face

2)鉆探探查。本次工程鉆探使用ZDY-4000S鉆機2臺,ZDY-1200S型煤礦用全液壓坑道鉆機1臺,施工地點位于8102回風順槽工作面內(nèi),實際共施工59個鉆孔，如圖4所示。

圖4 鉆孔及設備布置圖Fig.4 Drilling and equipment layout

2 試驗成果

2.1 探查治理成果

2.1.1物探成果

本次探測采用三維全空間電阻率反演技術來反映煤層工作面底板電性參數(shù)變化情況。坐標系選取以8102工作面回風順槽中f5測點向8#一采區(qū)運輸聯(lián)巷方向32 m位置與其垂線的交點位置為平面直角坐標系原點O(0,0),沿8102工作面回風順槽指向切眼方向為X軸正向,垂向8102工作面回風順槽指向進風順槽方向為Y軸正向。對采集的工作面底板三維數(shù)據(jù)采用全空間三維電阻率法技術進行反演,其主要反映相對低阻區(qū)在工作面底板的分布范圍及連通情況。

通過8102工作面并行電法探測結(jié)果,得出該面4處局部相對低阻異常區(qū),分別為YC1、YC2、YC3和YC4。其中YC1和YC4發(fā)育深度相對較深,分析局部可能具有一定的富水性。YC2和YC3發(fā)育深度相對較淺,分析富水性較弱,對工作面回采影響較小。在該工作面的回風順槽與切眼的交口位置現(xiàn)場揭露一陷落柱,本次電法探測結(jié)果顯示,目前尚未發(fā)現(xiàn)該陷落柱具有明顯導水性,但不排除在后期工作面回采過程中引發(fā)陷落柱活化導水,因此該種情況應注意防范并加以重視。

根據(jù)坑透探測巖石吸收系數(shù)CT成像圖分析得出:8102工作面內(nèi)存在5個透視異常區(qū),其中1#異常區(qū)為受陷落柱影響導致電磁波快速衰減；2#異常區(qū)為受鐵器影響或存在隱伏斷層等地質(zhì)構(gòu)造；3#、4#異常區(qū)為受斷層及巖體相對破碎所致；5#異常區(qū)為可能存在隱伏斷層等構(gòu)造異常所致。

2.1.2鉆探成果

本工程實際完成59個鉆孔,總進尺4 027 m。固管用水泥16.65 t(333袋),玻璃水293.4 kg;共下入Φ108 mm控水套管653.9 m,固管測壓6～8 MPa,穩(wěn)壓時間30～37 min,無異常現(xiàn)象,符合設計要求;注漿水泥149.9 t(2 998袋),華千素1 493.5 kg;注漿終孔壓力均在5～10 MPa,壓力上升逐步性穩(wěn)定,穩(wěn)壓時間30～40 min,符合設計要求,鉆孔孔徑均在設計孔徑范圍內(nèi)(Φ85 mm)。施工的59個鉆孔中,35個鉆孔出水,34個壓力觀測得出鉆孔壓力為1.5～1.6 MPa(有4個鉆孔壓力為1.5 MPa,分別是9-2鉆孔，涌水量2 m3/h；2-3鉆孔，涌水量0.5 m3/h；6-5鉆孔，涌水量0.2 m3/h；7-2鉆孔，涌水量6 m3/h。有3個鉆孔壓力為1.55 MPa,分別是1-2鉆孔，涌水量3 m3/h；18-3鉆孔，涌水量3m3/h；17-4鉆孔，涌水量12 m3/h),注漿加固最后施工12-3孔水壓2.6 MPa,基本為本區(qū)域的真實水壓(理論值應為2.7 MPa,由于巖層的走向、坡度、含水層的流動性高差影響,附近區(qū)域構(gòu)造影響和涌水季節(jié)影響及涌水通道補給直接性和相對間隔性影響,最終均會影響到水位使其有一定的高差)。施工中涌水孔水壓相互泄放,鉆孔間距雖然不大,但邊打邊注的測試影響范圍不明顯的鉆孔占絕大多數(shù)。最終深入性探查施工的2個鉆孔,在注漿加固該陷落柱孔排間中間區(qū),底1#孔涌水量0.5 m3/h,底2#孔涌水量0.1 m3/h,水壓均為1.6 MPa,出水垂深分別為40.88 m、28.74 m,為石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層水,出水量小,說明陷落柱大的通道被有效封堵。通過對施工中每米的巖性巖粉變化情況分析,陷落柱內(nèi)充填物主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r和煤層,組成比較復雜,巖性松軟,膠結(jié)性差,整體性弱。

2.2 治理效果驗證

1)通過對8102工作面已治理陷落柱采用三維并行電法和無線電波透視兩種探測技術進行探測,根據(jù)注漿治理前后不同深度的視電阻率切片圖(圖5)綜合分析得出:注漿前由于陷落柱(圖5(a)中YC1區(qū)域,圖5(b)中YC3區(qū)域為注漿效果驗證時受到的工作面底板淺部積水影響)發(fā)育致使視電阻率變化復雜,淺部呈現(xiàn)低阻反應。注漿后由于陷落柱的裂隙與通道被泥漿填充,視電阻率整體升高,變化穩(wěn)定,呈現(xiàn)高阻反應。圖5(c)、(e)中的YC1、YC4及其他低阻區(qū)域,在注漿后都呈現(xiàn)高阻反應(圖5(d)、(f)),且8102進風順槽及其附近呈現(xiàn)高阻反應,推測是斷層裂隙被充填所致。注漿后工作面整體電阻率升高,電阻率分布比較均一,電性變化穩(wěn)定。本次注漿治理效果判定為良好。

2)鉆探驗證。本次施工59個鉆孔,其中35個鉆孔出水,34個壓力觀測得出鉆孔壓力為1.5～1.6 MPa,注漿加固最后施工12-3孔水壓2.6 MPa,基本為本區(qū)域的真實水壓(理論值應為2.7 MPa,由于巖層的走向、坡度、含水層的流動性高差影響,附近區(qū)域構(gòu)造影響，涌水季節(jié)影響及涌水通道補給直接性和相對間隔性影響,最終均會影響到水位使其有一定的高差)。最終深入性探查施工的2個鉆孔,在注漿加固該陷落柱孔排間中間區(qū),底1#孔涌水量0.5 m3/h,底2#孔涌水量0.1 m3/h,水壓均為1.6 MPa,出水垂深分別為40.88 m、28.74 m,為石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層水,出水量小,說明陷落柱大的通道被有效封堵。

通過對水壓、水量、水溫、鉆孔擴散半徑影響、水質(zhì)化驗、施工中每米的巖性巖粉變化情況以及物探探測情況進行分析,8102綜采工作面已揭露陷落柱探查治理工程注漿治理效果良好。

3 結(jié)論

1)為驗證8102綜采工作面已揭露陷落柱注漿治理效果,現(xiàn)場鉆探施工結(jié)束后,通過三維并行電法和無線電波透視兩種探測技術對注漿效果進行驗證并得出:注漿前由于陷落柱發(fā)育致使視電阻率變化復雜,淺部呈現(xiàn)低阻反應。注漿后由于陷落柱的裂隙與通道被泥漿填充,視電阻率整體升高,變化穩(wěn)定,呈現(xiàn)高阻反應；注漿后工作面整體電阻率升高,電阻率分布比較均一,電性變化穩(wěn)定。綜上，可以判定本次注漿治理效果良好。

2)為驗證8102綜采工作面已揭露陷落柱注漿治理效果,對底1#、底2#孔進行了壓注水試驗,壓注水所測注的結(jié)果,說明注漿加固擴散半徑影響,基本符合整體質(zhì)量要求。同時,通過對施工過程中鉆孔出水量、水壓、水溫、水質(zhì)分析、鉆孔擴散半徑影響、涌水點分布以及施工中每米的巖性巖粉變化情況進行分析,得知本次施工鉆孔、注漿質(zhì)量符合要求。治理過程發(fā)現(xiàn),陷落柱內(nèi)充填物主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r和煤層,充分表明陷落柱膠結(jié)性差,整體性弱,工作面回采過陷落柱應快速通過。本次陷落柱治理施工鉆孔、注漿質(zhì)量符合要求,各項經(jīng)濟技術指標均達到設計要求,驗證情況切合實際;該陷落柱導水及富水性較弱,經(jīng)過注漿加固后,在正常情況下回采工作通過陷落柱時及通過陷落柱后,奧灰水不會大量涌入工作面(根據(jù)底1#、底2#孔的注水實驗結(jié)果,出水層位為石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層水且出水量極小)。

圖5 注漿改造前后不同深度電法探測切片圖Fig.5 Electrical detection slices at different depths before and after grouting transformation