导水陷落柱井下探查与治理

赵永强，刘彦俊

（1．霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西 霍州 031400；2．霍州煤电集团防治水中心，山西 霍州 031400）

·技术经验·

导水陷落柱井下探查与治理

赵永强1，刘彦俊2

（1．霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西 霍州 031400；2．霍州煤电集团防治水中心，山西 霍州 031400）

以团柏煤矿为例，分析了在回采过程中因采动影响诱发陷落柱出水情况。通过分析该矿的地质和水文基础条件，从构造突水机理出发，对出水陷落柱实施注浆治理，实现了工作面的安全回采，对同类矿区具有指导意义。

矿井水害；安全回采；出水分析；井下注浆；岩溶陷落柱

霍州煤电集团团柏矿煤层底板为厚层石灰岩的华北型煤田，由于导水陷落柱的存在，使某些处于上覆地层，本来没有贯穿煤系基底强含水层的中、小型断层或一些张裂隙，成为水源充沛、强富水的突水薄弱带，一旦被揭穿，将引起突水。但是如果导水陷落柱直接导水，而初期水量不大，则可以通过井下注浆的方式将导水裂隙封堵。本文结合团柏煤矿10-106工作面对陷落柱出水的治理，论述了在回采过程中发现陷落柱导水时，应如何分析处理，如何消除陷落柱的导水性，实现安全回采。

团柏井田位于霍州矿区的南部，汾河西岸，主要可采煤层为10煤和11煤，矿井正常涌水量为985 m3/h，最大涌水量为1 600 m3/h，现矿井实际总涌水量为1 405 m3/h。近年来，随着开采深度的不断延伸，水文地质条件日益复杂，其下组煤开采除受顶板充水含水层K2灰岩影响外，还面临下伏区域巨厚奥灰强含水层的突水威胁。本文中10-106工作面标高低于底板奥灰强含水层静水位标高120 m，虽然10煤奥灰突水系数小于华北型煤田经验值0．06 MPa/m，正常情况下突水危险性不大，但由于顶板K2灰岩为工作面涌水的直接来源，并且在本井田范围内K2灰岩水与奥灰水存在一定的水力联系，因此，研究该工作面陷落柱出水的防范与治理，会为该矿开采深部煤炭资源时提供有力的技术支持。

1 10煤顶底板含水层的赋水特征及涌水量情况

1．1 10煤顶底板灰岩含水层的赋水特征

团柏煤矿10煤顶板K2灰岩含水层厚2．75～15．23 m，平均厚9．20 m，单位涌水量q为0．009 4 L/s·m，矿化度1 290 mg/L，水质为HCO-·SO2-34或SO42-·HCO3-型，富水性好。该含水层为10煤开采的主要直接充水含水层，其富水性较好，井下涌水量比较大，因此，该灰岩为富水性中等的岩溶裂隙含水层。

10煤底板奥陶系中统石灰岩溶隙含水岩组是煤系地层下伏的主要含水层，是开采下组煤（9＃、10＃、11＃）的主要威胁。据区域资料，奥陶系碳酸盐岩在矿区总厚约617 m。其中峰峰组上段（O2f2）块状石灰岩溶隙含水层组，平均厚度38．63 m，单位涌水量0．826 L/s·m，水质为硫酸盐钙型水，矿化度1 718 mg/L。上马家沟组上段（O2s1）厚层状石灰岩溶隙含水层组水质为HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型或HCO3-Ca2+·Mg2+型，矿化度为＜1 000 mg/L。该含水层位于10煤下部，距10煤平均间距36．0 m，根据霍州矿区开采煤层扰动破坏测试，预计10煤采后底板破坏深度为12 m，存在导水构造（导水陷落柱和断裂）和底板薄弱带的情况下，有发生突水的隐患，是影响生产的主要水患威胁。

1．2 10煤顶底板含水层的一般涌水规律

开采10煤时，直接充水含水层为10煤顶部的K2灰岩含水层，该含水层富水性较好，以静储量为主，顶板淋水和采后涌水为主要出水形式。但由于在井田局部而且可能与奥陶系灰岩含水层存在水力联系，在疏干过程中水量减少缓慢。

2 陷落柱出水情况分析

2011年10月8日，工作面揭露陷落柱，岩性以泥岩为主，夹有K2灰岩及煤块。至13日推进20 m，揭露轴向长度27 m时，在陷落柱中部底板方向发现冒水，初期水量为35～40 m3/h，经过1周的观测，水量稳定在35 m3/h。

2．1 水质分析

团柏煤矿开采下组煤过程中对K2灰岩水进行了长达10余年的大流量疏排。根据以往对水质资料的分析，K2水和奥灰水在水质上已没有什么差异，如在主要特征：水质类型、矿化度、阴离子重碳酸根与硫酸根比例等方面，尤其是在径流条件对比情况下可以明显看出：

1）在径流条件好的情况下，两者都是Ca2+-HCO3-·SO42-类型水，矿化度较低：800～1 000 mg/L，重碳酸根与硫酸根比例大于1（见表1）。

2）当径流条件不好时，无论是奥灰水还是K2水，水质都差：为Ca2+-SO42-·HCO3-类型，矿化度变大，重碳酸根与硫酸根比例小于1（见表2）。

表1 径流条件良好奥灰和K2水质特征表

表2 径流条件欠佳奥灰和K2水质特征表

因此，奥陶纪灰岩水是K2灰岩水的补给水源。10-106工作面陷落柱出水后对出水点的水样进行水质分析，并将出水点的水质与原水文钻孔、底板试验钻孔、下组煤涌水点、主井底K2供水旧孔和地面奥灰水源井水质进行对比，类型为Ca2+-HCO3-· SO42-，水源为奥灰水。

2．2 陷落柱导水性探查

为查明出水点位置，在工作面副巷布置了4个探查孔，钻孔裸孔为75 mm。在钻探过程中，4个钻孔均有涌水现象。探查孔详细情况见表3。探查孔布置图见图1。

表3 探查孔详细情况表

3 陷落柱注浆处理

根据探查结果团柏煤矿对陷落柱进行了注浆处理，由于陷落柱范围、形态基本已查清，涌水量较小，且稳定。故治理方案确定在距陷落柱较近的副巷和采面，在井下施工还可以精确的定位钻孔，有效地实施注浆封堵，加快施工进度。

3．1 注浆方案

充分利用井下已有巷道对陷落柱进行注浆治理，井下钻进成孔，井下注浆，井下检查注浆效果。注浆方式采用下行式连续注浆方式，分孔、分序次连续灌注，直到达到终孔压力为止，以最大量进浆，最大范围扩散，最大限度的充填岩溶裂隙。对初始水量较大的钻孔采用遇水就注的下行式注浆方式注浆，穿透含水层后达到注浆终孔标准。

3．2 钻孔布置及结构

治理工程共施工注浆孔6个，孔号为Z1、Z2、Z3、

Z4、Z5、Z6，分别布置在采面陷落柱两侧。注验孔2个布置在副巷。所有钻孔均穿过陷落柱的边缘，终孔为奥灰顶界面。设计的检查孔布置在工作面副巷，分别为注检1和注检2（见表4）。

注浆孔平面布置图见图2，注浆孔剖面布置图见图3。

图1 探查孔布置图

表4 10-106工作面陷落柱治理注浆钻孔一览表

图2 注浆孔平面布置图

3．3 注浆参数及结束标准

本次注浆工程采用单液浆，水灰比为1∶1。水泥选用425＃普通硅酸盐水泥，固结孔口管时添加5%水玻璃（42Be）。

从10＃煤断面积图上测算陷落柱断面积为1 032．77 m2，把其近似按圆计算其半径为18．13 m；再把陷落柱近似按圆台，高按隔水层36 m，垮落角按75°考虑，可得到奥灰顶面陷落柱断面半径为22．99 m；因此，10＃煤与奥灰间陷落柱体积为48 031．54 m3。若空隙率按3%计算，则需要充填体积为1 441 m3。

水泥浆充填量按幕体所占空间计算：

式中：

V—待充填空隙体积，m3；

λ—浆液损失系数，取1．4；

β—浆液充填率，取0．85；

m—浆液结石率，取0．7。

将以上已知数据代入式中可得所需浆液总量2 449．61 m3，根据水泥浆液比重0．75 t/m3，可得此次注浆所需水泥量为1 837 t。

图3 注浆孔剖面布置图

在注浆过程中，若陷落柱出水点涌水量逐渐减少，说明注浆效果明显。至出水点水量为零时停止注浆。

4 治理效果

由于此次工程为正在回采的工作面，注浆结束后仍然要进行回采工作，因此，对注浆效果的验证尤为重要。

主要通过两个方面进行对比：

1）探查孔水压水量对比。在注浆过程中，观测4个探查孔的水量和水压，均有明显减小的现象。

2）注验孔岩心质量对比。在施工探查1和探查2的过程中均发现了被水泥充填过的岩心，说明此次注浆的浆液已经充填到了陷落柱裂隙当中，降低了陷落柱的导水性。

5 结 语

综上所述，通过对团柏煤矿10-106工作面陷落柱的治理，对在采掘过程中遇到导水陷落柱时的治理方法总结如下：

1）回采工作面在生产过程中遇到陷落柱时，不宜立即推进，应采用综合手段进一步探查。其富水性可用瞬变电磁等物探手段，导水性的探查可用井下钻探的方法，根据水文资料来判断。

2）采用井下注浆治理时，要充分考虑注浆效果和工程量，选择合理位置进行布孔注浆，在保证安全的前提下，减少钻探和注浆的工程量。

3）对回采工作面导水陷落柱的治理不只是一个简单的施工过程，应通过综合的水文资料分析，利用探查孔、注浆孔和注查孔等各种资料，确认陷落柱治理最终效果，确保能够安全回采。

［1］姬中奎．导水陷落柱的注浆预治理［J］．西部探矿工程，2007（11）：124-128．

［2］李 刚，王海平，苏军辉．采动影响下的煤层底板岩层破坏特征-以团柏矿为例［J］．煤田地质与勘探，2012，2（40）：59-61．

Underground Detection and Treatment on Water Flowing Collapse Columns

Zhao Yong-qiang，Liu Yan-jun

Based on Tuanbo coal mine as an example，analyzed because of mining influence during the process of mining induced collapse column water inrush situation．Through the analysis of the geological and hydrological conditions of the mine，according to the mechanism of water inrush from the structure，implement grouting on water collapse column，realized safety mining of the working face，have the guide meaning to the similar mining areas．

Mine water disaster；Karst collapse column；Water inrush analysis；Borehole grouting

［TD741］

B

1672-0652（2013）05-0004-04

2013-02-20

赵永强（1971—），男，山西霍州人，1991年毕业于山东矿业学院，工程师，主要从事煤矿地质及管理工作（E-mail）fzszxjsk＠163．com