張國榮,王鵬威,任培元,郝辰偉

(1.山西中煤楊澗煤業(yè)有限公司,山西 朔州 036002;2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,山西 太原 030024)

煤炭開采受到多種水害的威脅,而且受水害威脅的范圍及程度比較嚴重。我國華北地區(qū)蘊含豐富的煤炭資源,隨著進一步的開發(fā),越來越多的陷落柱也被揭露。陷落柱是由溶洞塌陷而成,主要發(fā)育在華北地區(qū),是一種獨立的地質(zhì)體,在煤礦中分布廣泛且形態(tài)多樣。礦井內(nèi)陷落柱埋藏隱蔽,分布孤立,且與奧灰強巖溶含水層相通,一旦發(fā)生透水,往往是重大事故,造成被淹甚至人員傷亡。因此,陷落柱的探查一直是防治水工作者長期研究的難題,對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。

探查陷落柱常用的方法主要有鉆探、巷探、物探等[1-2]。針對陷落柱對煤礦的災(zāi)害,我國科研人員也進行性了一系列的研究。李坤等[3]提出的“三圖-雙預(yù)測”理論和技術(shù),解決了煤礦頂板含水層突水預(yù)測難題;董書寧等[4-5]分析了我國煤礦水災(zāi)害頻發(fā)的主要原因,研究了頂板水害防治技術(shù);虎維岳等[6]研究了我國煤礦水害主要類型、形成原因及防治技術(shù);尹尚先等[7]對陷落柱的突水模式及理論依據(jù)進行研究,預(yù)測并建立模型,得到了簡單實用的突水理論依據(jù)。曹國亮[8]對陷落柱的導水性判斷及水源分析做了研究,并對陷落柱注漿孔的布置及程度做出分析;李建力等[9]對陷落柱探查方法做出研究,得到可靠的數(shù)據(jù),對陷落柱治理提供可靠技術(shù)依據(jù);陜建龍等[10]對陷落柱回采及圍巖控制做出研究,找出加強陷落柱區(qū)圍巖穩(wěn)定性的方法。

本文針對楊澗煤礦90102工作面頂板淋水、底板涌水、底鼓等現(xiàn)象,提出了陷落柱探查-導水性研究-注漿堵截的陷落柱防治技術(shù)理論體系,對陷落柱底板堵截及加固做出研究。在充分分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件、排查水害隱患的基礎(chǔ)上,采用瞬變電磁探測技術(shù)、三維地震動態(tài)解釋技術(shù)對含水層富水性、斷層及陷落柱等構(gòu)造的富水性、導水性質(zhì)進行探測研究;同時以帶壓開采研究為突破口,開展礦井注漿加固底板及封堵突水通道技術(shù)應(yīng)用研究,該研究對完善礦井防治水體系,嚴防礦井水害發(fā)生、確保礦井的安全生產(chǎn)等具有一定參考價值。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

楊澗煤礦位于朔州市朔城區(qū)小平易鄉(xiāng)林家口村附近,為平魯區(qū)與朔城區(qū)交界處,行政區(qū)劃屬平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)及朔城區(qū)小平易鄉(xiāng)管轄,交通便利。

楊澗煤礦開采條件及水文地質(zhì)條件與擔水溝礦基本類似,主采4#、9#煤,礦井水文地質(zhì)柱狀如圖1所示。礦區(qū)地表水體主要有馬關(guān)河、馬營河、三眼河及趙家口水庫。本區(qū)含水層主要有寒武奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、太原組及本溪組砂巖裂隙含水層。

寒武奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。僅寧武盆地四周分布面積≥3 000 km2,成為灰?guī)r巖溶裂隙水的直接補給區(qū)和補給源。該含水層厚度≥800 m,在盆地內(nèi)埋深200～450 m,發(fā)育有裂隙節(jié)理。

太原組、本溪組砂巖裂隙含水層。主要是上部4#煤組和下部9#煤組附近及其間的砂巖體,滲透性差-中等。砂巖總厚平均5～30 m,含水性較弱且均一。

圖1 楊澗煤礦水文地質(zhì)柱狀概化圖Fig.1 Hydrogeological histogram of YangjianMine

1.2 90102工作面出水概況

90102兩順槽位于901采區(qū)北翼皮帶大巷的西部,90102工作面底板隔水層厚度約50 m,底板奧灰水壓約1.3 MPa,在只考慮水壓和隔水層厚度時,突水系數(shù)值在0.026 MPa/m左右(在0.06 MPa/m以下),屬于安全區(qū)。

9#煤頂板為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖、中粗砂巖;底板多為中砂巖:石英為主,長石次之,含黃鐵礦晶體和植物根莖化石碎片,屬軟-半堅硬巖石。由于受地質(zhì)構(gòu)造作用,9#煤頂板局部砂巖裂隙發(fā)育并含一定量的砂巖裂隙水,對施工有一定的影響。根據(jù)已掘的9#煤巷道,隱伏陷落柱有很大可能性存在,在斷層破碎帶頂板涌水量會增大。90102兩順槽掘進工作面對應(yīng)上部為40102、40103回采工作面,目前形成采空區(qū)積水。工作面對應(yīng)地表為低山丘陵區(qū),溝谷從分水嶺向兩側(cè)呈樹枝狀分布,各溝谷平時基本干枯無水,雨季匯集洪水。

1.2.190102工作面揭露陷落柱情況

楊澗煤礦4#煤開采過程中,在90102工作面上方揭露陷落柱兩個,即1和5號陷落柱,陷落柱的膠結(jié)和充填程度較好,較為密實,不富水也不導水,4#煤工作面回采順利。

根據(jù)90102工作面運輸順槽掘進過程中,先后出現(xiàn)頂板淋水、底板涌水、底鼓等現(xiàn)象,該巷道已揭露4號陷落柱(該陷落柱在4#煤回采過程中未揭露),據(jù)觀察,90102運輸順槽揭露陷落柱特征明顯,施工的探水孔揭露情況也表現(xiàn)為層序雜亂特征。

另外,根據(jù)開展的楊澗礦90102工作面無線電磁波透視探測結(jié)果,新發(fā)現(xiàn)陷落柱兩個,2號、3號陷落柱。由于物探結(jié)果存在多解性,在本次研究過程中,尤其是在對陷落柱形成機理進行探查過程中,需要布設(shè)一定鉆孔進行驗證。

1.2.2運輸順槽底鼓出水情況

在90102運輸順槽掘進過程中,靠近巷道右側(cè)底板揭露一長度0.6 m,寬度5～6 mm的裂縫,裂縫處向上冒水,出水量為1 m3/h,7 d后出水點增多至5處,范圍約4 m3,出水量增大到2 m3/h。5d后該地段底板出現(xiàn)底鼓,有明顯的裂縫5條,裂縫寬5～30 mm,長度不等,最長4.8 m。

20 d后該段底鼓較為明顯,普遍達到20 cm左右,目前底板出水點水量穩(wěn)定不到1 m3/h,底鼓位置伴隨6條較大的裂縫出現(xiàn)。根據(jù)該區(qū)地質(zhì)柱狀,9#煤底板為約3 m厚砂頁巖層,底板出水點附近存在富水異常區(qū)。對該底板出水點取水樣進行化驗,從化驗結(jié)果來看,陽離子主要為Ca2+、Mg2+,陰離子主要為HCO3-。同時,該出水點水樣含有臭雞蛋味,根據(jù)上述特征,分析該出水點可能為底板奧灰水,臭雞蛋氣味可能與該水樣經(jīng)過9#煤下方11#煤所致。另外根據(jù)90102運輸順槽的底板起伏情況來看,底鼓區(qū)位于巷道起伏最高點,因此,該地段發(fā)生底鼓現(xiàn)象,可能與該處構(gòu)造、底板巖性、奧灰水壓、礦壓等都具有關(guān)系,因此需對該處構(gòu)造及其導水性質(zhì)進行進一步探查研究。根據(jù)90102運輸機巷底板直流電法探測顯示,1號陷落柱附近的3號異常區(qū)內(nèi),灰?guī)r異常有向斜上方導升的趨勢。異常均發(fā)育在奧灰頂界面附近,而且上部的隔水層都不完整。

1.3 主要問題分析

由于楊澗礦90102工作面5個陷落柱的存在,雖然該陷落柱膠結(jié)充填程度較好,不富水、不導水,但考慮到該工作面采厚大、斜長長,采動形成的周期來壓既有可能導致陷落柱產(chǎn)生活化而致使災(zāi)害性突水事故的發(fā)生。同時,該工作面運輸順槽底鼓現(xiàn)象明顯,且伴隨出水情況,也是該工作面回采過程中的重要隱患。為確保該工作面的安全回采,需要對5個陷落柱及巷道底鼓區(qū),以及工作面回采過程中底板可能發(fā)生的底鼓現(xiàn)象進行治理。其中1號陷落柱等導水通道是治理的重點:①1號陷落柱在4#煤回采過程中未揭露,說明在4#煤底板至9#煤頂板之間51 m范圍可能存在陷落柱頂部空洞,需對其進行探查。②90102運輸順槽327.1～350.7 m段揭露1號陷落柱,對1號陷落柱及其周邊進行探測,重點是探測陷落柱邊界。③90102運輸順槽234 m處底板開裂涌水、在252～290 m段底鼓。據(jù)分析,底鼓的原因為地壓作用的可能性較大,但此區(qū)域距奧灰較近,應(yīng)對巷道底板向下布置鉆孔探注。

2 陷落柱治理技術(shù)

2.1 陷落柱治理整體思路

通過對煤層底板水文地質(zhì)的探查,尤其是奧灰水的流場特征、富水性規(guī)律等進行研究,結(jié)合放水實驗、聯(lián)通實驗等,確定工作面底鼓地段富水性異常區(qū)的水力聯(lián)系等,為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)資料。同時以區(qū)域地質(zhì)演化背景和巖溶、陷落柱形成機理等理論為基礎(chǔ),根據(jù)楊澗礦90102工作面揭露及原有4#煤開采中揭露的陷落柱資料,包括陷落柱探查結(jié)果等對陷落柱的發(fā)育規(guī)律和特點進行研究。通過鉆探取樣和必要的物理力學測試試驗,分析90102工作面煤層底板隔水層的厚度、結(jié)構(gòu)、含隔水性、物理力學性質(zhì),重點查明底板隔水層結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì),確定底板有效隔水層抗破壞能力,為底板突水危險性評價和底板注漿加固提供依據(jù)。

在上述研究的基礎(chǔ)上,針對楊澗礦90102工作面巖溶陷落柱發(fā)育特征和承壓含水層的水文地質(zhì)特征,確定相關(guān)參數(shù)、漿液配比等,開展注漿實踐以確定注漿壓力、充實率和充實強度等參數(shù);在巖體可注性較差的條件下,提出必要的可注性改進措施及可塑性好的化學注漿建議。結(jié)合上述底鼓地段探查及水化學分析結(jié)果,重點分析90102工作面巷道底鼓的發(fā)生機理,分析底板巖性結(jié)構(gòu)、構(gòu)造因素、底板奧灰水壓、礦壓等相關(guān)因素,結(jié)合現(xiàn)場底板注漿加固經(jīng)驗,為礦區(qū)底鼓治理等提供可行性的技術(shù)示范成果。

2.2 1號陷落柱探注孔治理

1號陷落柱探注加固深度按35 m考慮,探注孔按垂深35 m處預(yù)測的陷落柱邊界設(shè)計,為確保探孔處實際陷落柱邊界,設(shè)計時按出邊界后6 m為設(shè)計孔深,終孔垂深不超過40 m。1號陷落柱共設(shè)計11個探注孔,其中1個探陷落柱內(nèi)部,10個探陷落柱邊界。累計完成9個探注孔,累計孔深672.4 m。其中注漿量為:水泥32.4 t,膨脹劑2.07 t,水玻璃2.45 t。完成的9個陷落柱探注孔中,明顯出水孔有2個:1#孔深53 m(垂深35.5 m),出水0.2～0.3 m3/h;4#孔深94.5～95.5 m(垂深36 m左右),出水0.6 m3/h,水壓小于1 MPa。

根據(jù)1#孔打鉆終孔60 m只出少量水,4#孔打鉆終孔98.7 m只出少量水,約為0.6 m3/h;而2#、5#、6#、7#、9#、8#孔6個孔終孔無出水的情況分析,1號陷落柱邊緣導水性弱。根據(jù)0#孔打鉆終孔61 m無出水情況分析,1號陷落柱內(nèi)部較密實。

根據(jù)已完成的9個孔的鉆孔出水情況、注漿量情況分析,漿液擴散半徑小于24 m。但由于陷落柱導水性弱,而且通過注漿,陷落柱空隙已得到充填加固,如6#孔終孔時注漿前壓水壓力5～6 MPa,不進漿。

從圖2和圖3可以看出,隨著注漿量越來越大,注漿壓力也越來越大,最終注漿量不變,注漿壓力也保持穩(wěn)定。最開始的1.5 h是注漿的初始階段,注漿量迅速增大,漿液快速在陷落柱空隙內(nèi)運移,注漿壓力也隨之增大。1.5 h后,注漿量緩慢增加,該階段,漿液主要填充陷落柱內(nèi)的小空隙。在壓力作用下,漿液逐步填滿細小裂縫,最終注漿量保持穩(wěn)定,

圖2 1號陷落柱探注孔注漿壓力隨時間變化曲線圖Fig.2 Curves of grouting pressure in detection and injection boreholes of No.1 collapse column

圖3 1號陷落柱探注孔注漿量隨時間變化曲線圖Fig.3 Curves of grouting volume in detection and injection boreholes of No.1 collapse column

其中2#孔注漿量最小為2.3 m3,6#孔注漿量最大為12.1 m3。4 h后注漿壓力和注漿量基本保持不變,說明陷落柱空隙已經(jīng)被充分填充。其中8#孔注漿壓力最小為2 MPa,6#孔注漿壓力最大為5 MPa,0#、5#、7#、9#孔注漿壓力相同為4.5 MPa。

2.3 底鼓開裂區(qū)探注孔治理技術(shù)

底鼓開裂區(qū)初步設(shè)計2個探注孔,兩孔相距36 m。根據(jù)情況,又在底鼓1#探孔和陷落柱之間增加一個探注孔(底板探3#)(圖4,圖5),開孔位置在底板探1#西23.7 m。其中:底鼓區(qū)1#探注孔(底板探1#孔)孔口位置在1號陷落柱東40.8 m,該孔再往東36 m便是底鼓區(qū)2#探注孔(底板探2#孔)孔口位置。底板探1#孔、底板探2#孔的方位角均為90°,俯角均為60°,孔深分別為43.3 m、40.4 m。底鼓區(qū)3#探注孔,參數(shù)同底鼓區(qū)1#探注孔(底板探1#)。從底鼓區(qū)探注孔用漿量隨時間變化曲線圖可以看出,底板探孔注漿量隨時間逐漸增大,而且注漿量在最開始1.5 h內(nèi)急劇增大,在這個階段注漿壓力也迅速增大。其中,底板3#孔最高可以達到3.5 MPa,這是因為在注漿初始階段,漿液在底板底鼓裂隙發(fā)育區(qū)以及溶腔區(qū)域內(nèi)運移迅速,連通性比較好的裂隙區(qū)為這個階段漿液的主要運移通道;隨著注漿時間增大,注漿量和注漿壓力增長速度逐漸變緩,直到注漿持續(xù)4 h以后,3個孔的注漿量均不再增加。其中,3#孔注漿量最少為11.6 m3,1#孔注漿量最大為23.8 m3。底板探孔注漿壓力在5 h達到穩(wěn)定,其中,1#孔注注漿壓力最小為2 MPa,1#、3#孔注漿壓力相同為3.5 MPa。在這個階段,底板底鼓區(qū)連通性較好的裂隙及較大規(guī)模的溶隙基本被全部漿液充滿,發(fā)育較小的裂隙及連通性較差的裂隙區(qū)在注漿壓力的作用下,逐漸被填滿,直至漿液量和壓力不變?yōu)橹埂?/p>

圖4 1號底鼓區(qū)探注孔用漿量隨時間變化曲線圖Fig.4 Curves of slurry volume for detection and injection boreholes in No.1 heave area

圖5 1號底鼓區(qū)探注孔注漿壓力隨時間變化曲線圖Fig.5 Curves of grouting pressure of detection and injection boreholes in No.1 heave area

2.3.1底鼓開裂區(qū)打鉆注漿完成情況

由于底鼓區(qū)底板裂縫較寬,所以先直接對著裂縫進行了無壓灌漿,為底板打探孔注漿創(chuàng)造有利條件,減少或盡量避免因底板跑漿而中斷注漿的現(xiàn)象,提高注漿效率。

據(jù)調(diào)查資料及現(xiàn)場檢查,底鼓區(qū)主要裂縫有7條,自東向西依次編號為0#～6#。其中,0#裂縫是底板裂縫出水點;6#、5#裂縫較寬達60～80 mm;4#、1#裂縫次之;3#、2#裂縫較窄。首先對最寬的5#裂縫進行直接無壓灌注水泥漿,共灌注水泥和膨脹劑5 t、水玻璃200 kg。然后灌注6#裂縫和1#、4#裂縫,共灌注水泥和膨脹劑1.2 t。累計灌注裂縫用水泥和膨脹劑6.2 t、水玻璃200 kg。其余裂縫較小,而且裂縫里已有煤碴進入,未能繼續(xù)進行無壓灌注,只能采用打孔注漿的方式進行。

2.3.2底鼓區(qū)施工情況

1)底鼓區(qū)1#探孔。底鼓區(qū)1#探孔打鉆開孔時卡鉆嚴重,孔口不返水,需灌水泥漿再打。繼續(xù)打孔至孔深13.5 m(垂深11.5 m)時又不返水,需先注漿,注漿量大,注入水泥及膨脹劑12 t、水玻璃50 kg,注漿壓力僅0.5 MPa。底鼓區(qū)1#探孔鉆進至終孔43.5 m時,對全孔注漿一次,注水泥及膨脹劑4.5 t,終壓2 MPa。

2)底鼓區(qū)2#探孔。底板探2#孔擴孔至11 m固管后,掃孔鉆進至孔深16 m(垂深13.9 m)出水1.1 m3/h,繼續(xù)鉆進至孔深20 m注漿,注水泥及膨脹劑0.5 t。然后掃孔鉆進至26 m(垂深22.5 m)又出水1.8 m3/h,繼續(xù)鉆進至終孔40 m,壓水壓力為0,注漿壓力為0。停泵查看壓力表正常。打開孔口閥看孔內(nèi)漿液漏下2 m,但灌水不漏。

底板探3#孔打鉆孔深5～6 m卡鉆嚴重,孔深19 m注漿一次,繼續(xù)鉆進至終孔43 m無水,注漿。該孔共注水泥及膨脹劑8.7 t。注漿終壓3.5 MPa。

2.3.3施工效果評價

完成的2個底鼓區(qū)探注孔中,明顯出水孔有1個,底板探2#孔,孔深16 m(垂深13.5 m)出水1.1 m3/h,繼續(xù)鉆進至孔深20 m注漿。然后掃孔鉆進至26 m(垂深22.5 m)又出水1.8 m3/h,繼續(xù)鉆進至終孔40 m,壓水壓力為0。

根據(jù)探測資料,1號陷落柱東邊35 m是90102運輸機巷底鼓開裂區(qū),底鼓區(qū)范圍約60 m。但在陷落柱注漿治理施工中,陷落柱東邊在巷道底板上開孔的6#孔(孔口距陷落柱8.5 m)打鉆注漿時發(fā)現(xiàn),底鼓開裂區(qū)范圍已擴展至陷落柱東側(cè)邊界內(nèi)。

底鼓區(qū)3個探注孔進漿量較大,注漿加固效果會很明顯。從底板探1#孔的情況看,注漿前,抵抗水壓為0.5 MPa,注漿后可達2.0 MPa。從底板探2#孔的情況看,注漿前,垂深22.5 m處抵抗水壓僅為0,注漿后可達3.5 MPa。但由于底鼓區(qū)注漿僅能解決運輸機巷范圍,對于90102回采面內(nèi)部發(fā)生底鼓,則未能起到作用,特別是底鼓可發(fā)生在回采以后可能會有所發(fā)育。因此,底鼓區(qū)主要取決于9#煤底板20 m以下隔水層隔水能力。

通過對研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的綜合分析,對待采工作面面臨的水害危險性進行了分級,對工作面陷落柱、底鼓區(qū)等作為重點探查治理區(qū)段,進行專項探查治理。對于危險區(qū)以外的區(qū)域,結(jié)合物探成果開展針對性的探查驗證工作。通過上述工作的開展,保障了90102工作面的安全回采。表明了上述奧灰水害陷落柱探查治理思路的可行性,可以為礦井奧灰陷落柱水害防治工作提供參考。

3 結(jié)論

1)90102工作面1號陷落柱及底鼓區(qū)截堵工程的施工效果良好,可觀察到工作面內(nèi)有出水點消失。由此可見,陷落柱探查-導水性研究-注漿堵截的陷落柱防治技術(shù)理論體系是可行的,能夠?qū)崿F(xiàn)突水威脅通道截堵,確保礦井的安全生產(chǎn)。

2)區(qū)域內(nèi)陷落柱總體膠結(jié)程度好,充填密實,不富水也不導水,因此注漿量偏小,擴散半徑小,但由于陷落柱導水性弱,而且通過注漿,陷落柱空隙已得到充填加固,具有足夠的隔水能力。在注漿施工過程中,研究發(fā)現(xiàn)重點在柱體下段,通過形成阻隔塞,確保注漿段位于底板破壞帶以下,避免水平孔及順層注漿。

3)通過礦區(qū)的底板陷落柱注漿堵截現(xiàn)場實踐,礦區(qū)范圍內(nèi)巖體具有可注性特征,即通過注漿堵截、改造,可以實現(xiàn)底板加固,進而提升底板抗破壞能力,為朔州地區(qū)陷落柱治理提供技術(shù)示范成果。