陷落柱探测及注浆加固一体化治理技术研究

李建力,窦文武

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河矿,山西 晋城 048205; 2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006)

寺河矿西井区3#煤属带压开采，承压水头压力最大2 MPa以上。受水患威胁较为明显。X2陷落柱位于W2301工作面(东段)1 324 m处，根据三维地震资料显示该陷落柱长轴长80 m，短轴长55 m左右。查阅相关文献，针对承压区具有导水可能性的陷落柱可利用物探方法查明大概位置和富水性[1]。杨振威[2]等在“煤矿陷落柱探测的井下综合物探方法研究”中利用并行网络直流电法和地震反射共偏移法探测陷落柱的位置和富水情况。于绍波[3]等在“采煤工作面内隐伏陷落柱的综合探测与治理技术”采用坑透仪和瞬变电磁仪联合手段探清楚陷落柱的位置及含水性后，采用了钻探放水和强硬推过的办法。针对承压区具有导水可能性的陷落柱的治理方法主要有钻探放水，堵水注浆、留设保护煤柱等。严强[4]在“煤矿陷落柱探测和注浆方案探讨”中描述了承压区陷落柱注浆加固技术。其他学者、专家在综合物探、钻探、注浆等综合治理手段方面进行了不同程度的研究[5-11]，取得了较好的结果。寺河矿为了确保工作面安全回采，采取物探注浆一体化技术对陷落柱进行探测和治理。

1 陷落柱综合物探

由于X2陷落柱位置的特殊性和不确定性，通过研究与探讨决定对其采用多种物探手段明确其具体位置和导水性。物探方法采用地面井下联合探测，地面采用大地电磁法和天然场源法的探测技术；井下采用矿井瞬变电磁法和无线电透视法，通过井上下联合探测和综合解释，并结合井下钻探成果确定陷落柱的位置分布和富水性。

1.1 大地电磁法(EH4)布置及探测结果

大地电磁法系统可根据探测目的位置确定仪器选择的参数和观测系统。为了对X2探测更加准确，成果分辨率小于5 m,选取地面探测面积300 m×300 m，测点密度5 m×5 m，共布置61条测线，3 721个测点。图1为EH4施工及探测成果图。

探测成果剖面图图1 EH4施工及探测成果Fig.1 Construction and detection results for EH4

图可以看出，3号煤层到15号煤层之间视电阻率相对较高，3号煤层到9号煤层之间陷落柱疑似区域视电阻率相对偏低，推断该区域相对富水。9号煤层至15号煤层视电阻率值相对较高，说明15号煤之下岩层富水较弱，分析认为该陷落柱导通了3号煤与9号煤之间的K6含水层，未导通15号煤及以下含水层，因此回采到陷落柱附近时需要预防底板K6承压水。

1.2 瞬变电磁探测及解释

瞬变电磁采用井下小线圈重叠回线探测，该方法具有施工简单，操作方便，方向性强，可有针对性的探测异常目标体。探测方案：在W23011巷布置27个测点、W23013巷布置27个测点、辅助撤架巷布置30个测点(共布置84 个测点)进行探测，点间距10 m，每个测点探测5个方向，分别为顺层方向、斜下15°、斜下30°、斜下45°、斜下60°，如图2所示，箭头方向为瞬变电磁线圈法相所指方向。

图2 瞬变电磁探测方向示意图Fig.2 Transient electromagnetic direction

图3 矿井瞬变电磁低阻异常区分布图Fig.3 Distribution of anomalous areas of transient electromagnetic low resistance in mines

图3为矿井瞬变电磁低阻异常区分布图，横坐标对应辅助撤架巷，纵坐标对应33011巷，横坐标0点对应3301巷与辅助撤架巷交汇处，视电阻率低的代表富水性相对较强。由图3可知探测区域存在2处视电阻率较低区域，即黑色虚线区域，其中1处对应陷落柱位置，推测该陷落柱具有导水性。

2 井下钻探

为进一步确定陷落柱大小及其含水性，根据物探探测结果，对X2陷落柱进行探放水设计。在切眼距33011巷120 m处布置一钻场，钻孔在平面上呈扇形布置，倾角沿3号煤层底板方向，钻孔设计具体如表1所示。

表1 钻孔设计表Table 1 Drilling design table

根据实际生产需求，在切眼巷向X2陷落柱布置14个探放水钻孔，第一轮施工Z4、Z7、Z9、Z11、Z14五个钻孔(钻孔参数如表2所示)，主要目标是探清楚陷落柱范围，同时探测陷落柱是否导水。根据钻探结果确定是否进行第二轮注浆孔和第3轮检验孔。

表2 钻孔岩性表Table 2 Drilling lithology table

经过第一轮钻探，有效控制陷落柱的边界及范围，查明陷落柱在平面上大体呈椭圆状，陷落柱长轴长152 m，短轴长55 m左右。在探放水钻孔施工期间，钻孔有少量涌水，经化验判别，涌水主要来自于3号顶板砂岩含水层。

3 注浆加固

3.1 X2陷落柱突水风险性评价

根据数据模拟，揭露陷落柱前，随着工作面的不断向前推进，工作面前方的支承压力随采动向前推进而不断前移，形成超前移动的支承压力，并且垂直应力随着煤柱减小而增大；推进陷落柱过程中，陷落柱X2塑性破坏的程度明显比正常岩层塑性范围大，陷落柱的活化裂隙沿着陷落柱的边壁往下发育，发育深度可达57 m左右，而且陷落柱边缘处有底臌，底板应力得到释放，应力减小，这为底板含水层水力往上涌提供条件，如果陷落柱边壁继续活化，很有可能与下部的奥灰水导通，造成突水危险。因此很有必要在3#煤层底板进行陷落柱注浆加固。

3.2 注浆加固施工方案

1)终孔层位确定。根据水质分析资料涌水水源为顶板水，陷落柱内部主要以砂岩和泥岩为主。据此判断X2陷落柱胶结较好，与奥灰水力联系较弱。为防止在W3301开采过程中陷落柱活化，将终孔层位定位于9号煤层上部砂岩层位中，距3号底板约为40 m～50 m。如表1中Z1、Z3、Z5、Z8、Z10、Z12六个注浆孔；Z2、Z6、Z13三个检测孔。

2)注浆方案。为充分利用井下已有的巷道系统，节约钻探工程量，治理工程采用井下注浆方案，井下钻进成孔，井下注浆，井下检查注浆效果。注浆方式采用分段下行式注浆，孔口封闭静压注浆。每个注浆孔共分两段注浆，从套管底部至陷落柱中部为第一段，从陷落柱中部至9号煤顶板为第二段，每孔注浆压力达到6 MPa，注浆扩散半径 20 m～30 m。

3)钻孔结构。每孔下Φ89 mm套管，长度为6 m，终孔Φ75 mm，全孔采用无岩芯钻进。第一轮施工：先对Z1、Z5、Z10钻孔，进行注浆；第二轮施工：待浆液固结后，进行Z2、Z6、Z13注浆效果检测，若封堵效果较好，检查无涌水现象，则无需继续施工，若检测过程出现涌水现象，则停止检测，继续进行Z3、Z8、Z12钻孔并注浆，当检测孔不再涌水时，可以停止施工，若检查孔涌水量和初始涌水量无基本变化，需进行第三轮补充注浆孔，直至检测孔不再出现涌水现象为止。

3.3 注浆成果

当施工完第一轮钻孔，即完成Z1、Z5、Z10注浆钻孔后，探放水钻孔内部无涌水涌出，即停止注浆，进行Z2、Z6、Z13注浆效果检测，在进行Z6孔检测时，又出现了涌水现象，于是对Z5进行二次注浆。为确保注浆效果稳定，对Z8孔注浆后，再次进行检测，Z2、Z6、Z13孔均无涌水现象。通过对3号底板进行注浆加固，在3号煤层底板40 m～60 m位置区域，形成20 m厚的止水塞，能够有效防止X2陷落柱受采掘活动影响而活化。在实际的回采揭露陷落柱过程中，回采顺利，效率提高，未出现涌水现象，表明本次注浆效果较好，保障了W3301工作面的安全回采。

4 结论

通过对寺河矿西井区X2陷落柱探查、治理、验正，总结得出： 1)寺河矿岩溶陷落柱具有导水性，主要导通3号煤层顶板含水层，但揭露陷落柱前，周边围岩比正常岩层塑性破坏范围大，陷落柱的活化裂隙发育深度大于50 m，有可能导通下部的奥灰水，造成突水危险； 2)井上下联合物探可以更准确的探测出陷落柱的范围和导水性，为后期治理提供技术支撑；3)陷落柱探测及注浆加固一体化治理技术成果对寺河矿3号煤层回采工作面过陷落柱起到很好的作用，为其它类似陷落柱治理提供实践依据。