立井井筒穿越多层采空区综合预治理技术研究

王志晓

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

大同煤田属于中国华北聚煤区北部的双纪煤田，即上部侏罗纪煤层和下部石炭-二叠纪煤层重叠赋存。由于上部侏罗纪煤层大部分已被开采殆尽，部分矿井转入深部石炭-二叠纪煤层的开采，需要新建井筒或对原有的井筒进行延深改造。长期大规模矿井开采及小煤窑无序开采而形成的浅层采空区，成为制约立井井筒建设的关键难题。上部采空区无论稳定与否，若缺乏有效治理，都将给井筒的安全施工和使用带来巨大危害。因此，如何对上部采空区进行有效的综合治理成为深部煤层开采建设必须解决的技术难题。目前，井筒在穿越采空区的施工经验中，不乏有成功的案例，但多是在井筒施工过程中和井筒完成后进行治理。本文提出的综合预治理技术是在井筒开凿之前，利用物探技术和钻孔勘探对其可能穿越的采空区及其危害进行探查和评估，根据确定的治理范围和要求预先在地面对穿越的采空区进行综合预注浆治理，治理后并进行效果评价。该技术在马脊梁矿副立井和回风立井的井筒建设中得以应用，并取得了良好的效果，为该项技术的推广应用奠定了基础。

1 立井井筒穿越采空区技术

煤矿废弃采空区属于地质灾害的一种，它给交通设施、建(构)筑物、井筒等施工和安全使用带来了一系列问题，对其影响规律和治理技术的研究也在实践中逐步深入。建(构)筑物下采空区治理经过多年的研究实践，已有较为成熟的理论和技术体系。相比之下，井筒穿越采空区的治理更加复杂，需要解决多层采空区的水、火、有害气体及地层破碎等多种灾害问题。

目前，国内井筒穿越采空区治理的案例不多，且多是在井筒施工过程中和井筒完成后进行充填治理(以下简称“后治理”)。这种方法是在井筒掘进过程中对遇到的采空区进行充填加固，先确保基岩掘进的支护和井壁浇筑，井筒通过后再采取大量的壁后充填注浆进行补充加固，如果检测到采空区和井筒有串(漏)风现象，在地面井筒周围打孔，进行封闭注浆。相对于上述“后治理”施工方法，井筒穿越采空区综合预治理施工工艺是通过物探技术和钻孔勘探查明地层和采空区分布，并结合井筒技术参数确定采空区治理范围、要求和充填体性能，通过合理可行的治理方案提前完成对采空区的治理，并进行效果评价。该方法在井筒掘进至采空区时，已对采空区的水、气、破碎带等灾害提前完成了治理，降低了井筒掘进的安全风险，提高了井筒施工效率，也确保了井筒日后的使用安全。

2 采空区探查技术

根据四老沟煤矿提供的煤层采掘工程平面图及马脊梁矿副立井工业场地总平面布置图，得出井筒治理范围内的2#煤层为四老沟煤矿在1985-1986年进行采掘；11#煤层推断为南羊路甘沟煤矿和小煤窑开采，但无明确的采掘平面布置图。鉴于上述情况，为了准确了解采空区赋存情况及确保后续治理设计更具针对性，需要对拟建副立井工业广场下伏采空区进行综合物探勘察。地球物理勘探技术是通过专门的仪器研究各种地球物理场变化规律来解决地质问题的一种手段。目前，常用于采空区探测的物探技术主要有电法勘探、地震勘探、电磁勘探、重力勘探及放射性(如氡射气)勘探等。为了验证物探结果，在重点部位多采用钻孔进行验证。

本工程拟采用瞬变电磁法宏观圈定采空区范围，并在两个井筒等重点部位共布置6个钻探验证孔。瞬变电磁法的工作原理是采用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁场，用线圈观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。本勘探区内共布置21条测线，线距为20 m，点距为20 m，瞬变电磁物理点共计304个。

在钻孔施工过程中，6个钻孔均出现钻井液漏失情况，5个钻孔出现了不同程度掉钻现象，与物探结果较为吻合，钻探情况详见表1。通过统计各钻孔漏失情况，漏失位置基本集中在地表以下20～40 m范围内，表明煤层采空区裂隙带发育高度已经到达地表以下20～40 m处。

表1 钻探验证情况统计表

3 注浆治理方案设计

3.1 治理范围确定及钻孔布设

为保证井筒施工及建成后的使用安全，必须对井筒穿越的采空区逐层进行充填加固。武剑通过分析同忻煤矿双层采空区对岩层、井筒力学效应的影响以及不同充填条件下岩层、井筒力学效应的分析，提出对井筒穿越的采空区应进行充填治理，充填范围以井壁后15～25 m为宜。考虑到两个井筒设计均具备通风功能及井筒最大净径为9.5 m，本工程井筒保护治理范围取以井筒为中心、半径40 m的区域，治理面积均为5027 m2。

每个井筒设计20个钻孔，钻孔的布置原则为：在半径12 m的布孔圈径上均匀布置4个钻孔，半径15 m的布孔圈径上均匀布置4个钻孔，交错布置。在半径30 m的布孔圈径上均匀布置6个钻孔，半径36 m的布孔圈径上均匀布置6个钻孔，交错布置，注浆钻孔具体布置如图1所示。

图1 注浆钻孔布置示意图

3.2 钻探设计

3.2.1 钻孔结构及技术要求

(1)注浆孔穿过采空区或进入煤层底板0.5～1.0 m。

(2)钻孔开孔直径宜控制在130～150 mm，经一次或两次变径后，终孔孔径不小于91 mm。

(3)钻孔均应进入完整基岩4～6 m处变径。

(4)取芯孔的数量应为注浆总数的3%～5%。采空区部位岩芯采取率不应小于30%，其他部位岩芯采取率不应小于60%。

(5)在钻进过程，根据钻进情况每50～100 m测斜一次，终孔时孔斜不宜超过1°/100 m。

3.2.2 钻孔止浆

目前，采空区治理的止浆方式主要有埋设孔口注浆管、套管口压盖止浆、止浆塞等。由于大同地区侏罗系煤层的上覆岩层多为砂岩或砂质泥岩，岩性比较完整，且井筒采空区有可能针对多个煤层采空区，上部采空区注浆结束后，需重复扫孔、继续钻进注浆，故一般多采用套管口压盖止浆，如图2所示。

3.3 注浆设计

3.3.1 注浆量估算

井筒穿越多层采空区时，注浆量的计算要根据采空区(煤层)编号分层进行计算，其中每层采空区(煤层)的注浆量均可以按照下述公式进行计算，计算结果见表2。

(1)

式中：A——浆液损耗系数，一般取1.0～1.2，该工程取值1.05；

S——采空区治理面积，两个井筒治理面积均取5027m2；

M——煤层平均采出厚度，根据井检孔等地质资料，副立井治理区域2#、11#煤层厚度分别取值4.0 m、3.2 m，回风立井治理区域2#、11#煤层厚度分别取值4.2 m、3.1 m；

K——治理范围内区域回采率，根据采掘布置图及物探资料，副立井治理区域2#、11#煤层回采率分别取0.88、0.40，回风立井治理区域2#、11#煤层回采率分别取0.80、0.40；

ΔV——采空区剩余空隙率，2#煤层采空区取值0.40，11#煤层采空区取值0.45；

η——充填率，考虑到两个井筒的保护等级，取值0.90；

c——浆液结实率，根据浆液配比试验确定，该工程取值0.85。

图2 套管口压盖止浆示意图

3.3.2 注浆浆液及配比

目前，煤矿采空区常用的浆液有水泥砂浆类、水泥—粉煤灰类、膏体充填材料及高水充填材料等。从可行性及经济性角度考虑，本工程主要采用较为成熟的水泥-粉煤灰类浆液，井筒内圈孔设计注入10%的单液水泥浆和5%的塑性早强浆液，保证注浆充填效果。浆液配比详见表3，其水固质量比宜取1∶1～1∶1.2。当治理井筒内圈区域时，水泥宜占固相的 40%，粉煤灰占固相的60%；当治理井筒外圈区域时，水泥宜占固相的 30%，粉煤灰占固相的70% 。

表2 注浆量估算表

表3 浆液配比表

3.3.3 注浆压力

注浆压力的大小将决定浆液的扩散距离和充填、压密的效果。压力大，浆液扩散距离大，裂隙中浆液充填的效果也高。考虑到井筒11#煤层采空区埋深较深，因此本次设计井筒穿越的采空区治理注浆压力取2.0～3.0 MPa。在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当注浆达到2.0 MPa以上，泵量小于60 L/min，超过15 min时，该孔注浆结束。

3.4 施工工艺研究

(1)钻孔应分序次间隔进行，宜分2～3个序次成孔，一序次孔对采空区可以起到补勘的作用，根据实际地层及采空区情况对后序孔的孔位、孔距、孔数进行适当调整，弥补均匀布孔设计的不足。

(2)考虑到大同矿区侏罗纪煤层上部多为坚硬顶板，采空区沟通性较好，注浆过程中要控制单次注浆量，内圈钻孔浆液添加速凝剂、外围钻孔添加骨料等，从而控制浆液扩散范围，避免浆液浪费。

(3)考虑到钻孔的复杂情况，施工过程中要适时采用钻孔成像仪对钻孔内岩层裂隙及采空区空洞进行观测，从而根据上述情况及时调整注浆量和后续钻孔位置，确保注浆帷幕的质量。

4 注浆效果

两个井筒合计施工44个钻孔。其中，2#煤层采空区平均高度达到2 m左右，11#煤层采空区高度1 m左右。两个井筒合计注浆量为33985 m3，其中回风立井累计注浆量为16750 m3，副立井累计注浆量为17235 m3。各注浆钻孔经过多次注浆后均达到或超过设计注浆压力，满足注浆结束标准。

通过注浆充填，井筒穿越的采空区得到了有效的预治理，浆液结石体对于采空区内的瓦斯、一氧化碳等有害气体也具有一定的封堵作用，从而确保了凿井顺利施工和井筒安全使用。通过井下照片可以看到井筒所穿越的采空区内充满了浆液结石体，治理效果良好，如图3所示。

图3 井下采空区浆液结石体照片

5 结语

(1)地球物理勘探手段宏观上圈定采空区范围，重点部位采用钻孔验证的综合探查技术能够较为准确地反映采空区赋存情况，从而提高采空区治理设计的针对性。

(2)进一步加大井筒穿越采空区注浆治理范围的理论研究、不断优化钻孔设计及注浆材料，完善注浆效果评价体系，从而形成一整套井筒穿越采空区综合预治理的关键技术。

(3)晋蒙地区诸多煤田皆为双纪赋存，由于煤炭开采力度的加大及开采深度的增加，更多的井筒建设会穿越多层采空区。该项技术的成功应用为井筒穿越多层采空区提供了一种可靠的治理手段，具有重要的借鉴意义。