隐伏导水陷落柱快速判识与超前探查治理技术

杨本水，翟孟娟，宣以琼、2，程爱民，刘结高，翟恩发

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，安徽 宿州 234000；3.鄂尔多斯市华兴能源唐家会煤矿，内蒙古自治区 鄂尔多斯市 017000 )

0 引言

岩溶陷落柱在我国华北型煤田广泛发育，陷落柱的存在直接影响了煤矿的安全高效生产。隐伏陷落柱是煤矿水害重要的致灾因素，具有隐蔽性、难以发现、水害来势猛、水量大，破坏力强，经常造成重大的地质灾害。如神华集团骆驼山煤矿“3.1”特大突水事故，涌水量最大达65 000 m3/h，造成了大量的经济损失和人员伤亡。因此，假如我们在突水之前找到一定的征兆、能够探查出陷落柱的位置、大小与形态特征，超前治理，主动控灾，将大突水扼杀在摇篮中，为煤矿处理隐伏导水陷落柱突水灾害提供有效措施具有非常重大的工程意义。针对上述假设，结合内蒙古某矿61101 工作面机巷顶板锚索钻孔眼出水，超前探查治理隐伏导水陷落柱的工程实践进行了系统深入的研究。

1 61101工作面机巷出水简况

1.1 水文地质背景

该矿主采煤层为6 煤层，平均开采厚度约17.2 m，采用综采放顶煤方法回采。开采煤系地层属石炭二叠系，主要的充水水源含水层为煤系顶板砂岩裂隙含水层。煤系基底为奥陶系岩溶石灰岩。奥灰含水层1①奥灰含水层指煤系底板砂岩裂隙含水层和奥陶系石灰岩含水层距开采的6 煤层33.5～56.4 m，突水系数0.020～0.038 m/d。综上所述，煤层底板若无复杂的大型垂向导水构造，发生奥灰水直接突水的可能性比较小。

1.2 出水过程

2015 年10 月12 日夜班，61101 工作面在掘进1 787 m 后，施工顶板锚索钻孔时，发生淋水现象，随着工作面继续推进，20 m 段范围发生大面积淋水，其中前12 m 段淋滴水出现在巷道上帮及中部，后12 m 段主要在巷道下帮。锚索钻孔初始出水量5～8 m3/h，初始水温23 ℃。随着时间推移，透水量逐渐增大达100 m3/h，水温也逐渐上升至27 ℃。其演化过程详见表1。

2 突水水源及导水通道分析

2.1 突水水源分析

(1) 水量

表1 数据表明，随着时间推移，涌水量逐渐增大至100 m3/h，表明有充分的动储量水源，且补给水源富水性较强。

(2) 水温

61101 出水点自突水以来，水温逐渐增至27 ℃，结合矿井实测地质资料，说明突水点受到底板深部高温水的补给。

(3)水位

由表2 可知，水6 孔(奥灰长观孔)水位无明显变化，但3 个砂岩观测孔水1、水7 和水9 孔，水位呈上升的趋势。而61101 突水量最初仅5 m3/h，奥灰水位无明显变化，然而在10 月20 日到30 日期间，奥灰水位下降量达0.06 m；与此同时，7 号孔水位和9 号孔水位上升了1.6 m 和0.74 m。造成这一现象的原因可能是奥灰水在补给矿井水源时，也改变了出水点顶板砂岩含水层特性，即由单一砂岩含水层渐变为复合含水层(砂岩-奥灰)，最终导致砂岩含水层水位上升。

表1 61101突水点水量、水温观测成果表

表2 61101突水点突水期间长观孔水位观测成果表

(4)水质

出水后，地测通防部立即取水样，经水质化验阴离子CI—含量高达493.1 毫克，远远高于本矿砂岩水CI—的正常含量，具有砂岩-奥灰混合水的显著特征；3 月18 日61101 运顺槽13 号钻场1#孔顶板放水孔出水量为25 m3/h 左右，水质化验阴离子CI—含量也高达443.79 mg，现11 号钻场水质化验CI—含量也高达453.33 mg，且出水水质异常范围具有逐渐加大的趋势，详见图1。化验结果表明，水质为CI-SO42 -- K++ Na+Ca2+型，永久硬度为50～55，全硬度为63～68，与该矿的顶、底板砂岩裂隙水明显不同；同“奥灰”的水质极为相似。

图1 锚索眼CI—和占比动态变化图

综合上述分析判断辨识，确定61101 机巷锚索的出水水源为底板奥灰水。

2.2 导水通道判识

出水巷道地层连续，61101 工作面风巷及周边巷道未揭露大的构造，结合出水后水量、水温、水位、水质演化特征，判断出水通道应为隐伏导水陷落柱。

2.3 61101突水治理的基本思路

治理突水的基本思路可归纳为图2。[1]

3 61101机巷的封堵

3.1 封堵的必要性

综上所述，确认61101 机巷出水水源为深部奥灰水，导水通道为隐伏陷落柱。但无法准确、快速判断出隐伏陷落柱的分布情况；61101 机巷动储量水补给较充分，补给水源富水性较强；随着时间推移，突水点水位逐渐上升。结合实测资料综合分析，为了预防突水点灾害持续恶化，避免突水水量增大导致淹井；为了保证矿井安全高效开采，封堵61101 机巷势在必行。

图2 治理61101突水基本流框图

3.2 封堵段长度计算公式

防水密闭墙厚度计算[1]：

式中L-煤柱留设的宽度，m；

K-安全系数，一般取2-5；此处取2

M-煤层厚度或采高，m；取4m

P-水头压力，MPa

KP-煤的抗拉强度，MPa；取0.3，参照煤层抗拉强度的波速测定值。

计算得：L =12.64 m。

为了安全考虑，设计防水密闭墙总厚度15 m。设计在两顺槽切眼里约100 m 处各施工截流挡水墙，每处施工2 道混凝土墙，里墙3 m，外墙2 m，两墙之间10 m，采用灌注水泥浆充填。

4 隐伏导水陷落柱形态特征的综合探查

4.1 井下物探探查

井下槽波地震和音频电透视：出水巷道封堵后，采用音频电透视和槽波地震对机巷出水区域进行了物探探查，音频电透视在设计工作面内切眼附近圈定了2 处较大异常范围和10 处较小异常范围，槽波地震圈定了2 处异常。音频电透视2#异常区与槽波地震圈定异常区重合度较好。见图3和图4。

图3 槽波地震成果图

图4 音频电透视底板下0～40 m成果图

综合二种物探成果可见，音频电透视2#异常区与槽波地震圈定异常区重合度较好，推测出在61101 机巷与风巷之间可能存在隐伏导水陷落柱，并且距离切眼位置较近。下一步井下钻探重点验证该异常范围。

4.2 井下钻孔探查

针对音频电透视和槽波地震圈定的异常区，设计井下探查钻孔25 个，见图5，对物探异常区进行钻探验证治理，工程量2 834 m，其中：顶板孔6 个，工程量407 m，出水量2～62 m3/h，水质表现为砂岩裂隙水；底板探查孔17 个，工程量1 898.2 m；工程检验孔1 个，工程量49 m；主采煤层35 m 处施工顺层长钻孔1 个，工程量480 m。最大出水量发生在2#孔为93.1 m3/h，qt6 出水量25.7 m3/h，D1顺层长钻孔出水量12 m3/h，其余出水量均小于15 m3/h 下，基本查明了隐伏陷落柱的形态、大小和摆动范围。

图5 井下探查钻孔布置图

5 隐伏导水陷落柱的注浆治理

5.1 注浆加固的基本思路

借助上文的分析陈述再结合矿井现有的探孔，为了确保封堵质量，制定了两步走的注浆治理方案。第一步，通过实验分析陷落柱周边岩石力学参数，构建计算机分析模型，对注浆加固钻孔的数量、布置方式、施工顺序等治理方案、注浆加固段的厚度、层位、浆液浓度、水灰比、注浆参数等进行了优化设计。确定在导水陷落柱中深部、6 煤底板下30 m 处进行“底部封堵、上部充填的注浆隔断技术”；第二步，井下风顺槽、运顺槽相结合，风顺槽检查，风顺槽、运顺槽交替循环加固，以确保注浆封堵质量。

由于受井下空间大小、岩性强弱等多种条件的限制，井下物探和钻探探测结果只是对陷落柱的深部和东西边界柱体有所控制，其余柱体边界尚不完全掌握。因此，井下布设的钻孔既是探查孔，又是注浆孔，也是验证孔。如果在预想位置进入隐伏导水陷落柱柱体，则采用下行方式进行注浆加固，否则，采用陀螺受控定向技术打多个分支孔进行注浆加固。

5.2 注浆堵水段的层位和长度的优化确定

安徽建筑大学安全工程研究所通过对煤系地层及导水陷落柱及其周边部位的岩体抗剪、抗压、抗渗透能力、抗水压、可注性的测试分析后，本着安全上可靠、经济上合理、技术上可行的原则，经计算机仿真分析及优化处理后，确定6 煤下30 m 底板中层位稳定、厚度大、强度高，浆液扩散性能好，水解泥化程度低的砂岩、中砂岩、砂质泥岩互层段为注浆加固层位；注浆加固段高度经优化计算为15～20 m[2]。

5.3 建立“底部封堵、上部充填”止水层段的技术方法与工艺

针对61101 工作面陷落柱发育较低的特点，通过计算机仿真和BIM 技术，创新地提出了在陷落柱柱体建立“底部封堵、上部充填的止水加固层段”技术与治理方法，见图6。避免了通常采用的在整个柱体内建立“止水塞”和“一次性全部无差别注实”，须厚度大、范围广、深度深、扩散强、注浆材料消耗大的缺点。其技术要点是：充分利用陷落柱中深部类似于底板开采破坏的“下三带”岩层移动特征及柱体边缘间隙大、裂隙导水性强陷落柱渗流特性，把止水加固层段分成上、中、下三段，上、下两段采用下行方式法无压、低压间歇性灌注注浆工艺，中段采用下行法无压大浆量连续灌注工艺注浆；待整个预设止水加固层段基本充满后，再采用下行加压法对中间段进行带压加固，此时止水层段上有盖、下有托，既有效防止大量浆液的流失，又能加压灌注，快速形成坚固的止水层段，有效地阻挡采动裂隙扩展和奥灰水与煤层的水力联系[3]。

5.4 钻探布置与注浆加固

根据61101 陷落柱的发育形态，8 个注浆孔，1个顺层长钻孔，12 个分支孔，4 个施工检查孔，2 个延伸原探查孔，见图5。采用风、机巷相结合的引流受控技术进行加固注浆，即风巷钻孔注浆的同时，机巷钻孔放水，形成泄压区，人为控制浆液向泄压区运移，从而达到加固薄弱带的作用，见图7。如通过分析认为陷落柱北部为薄弱带，井下施工了6 号孔，进入该薄弱带后，出水量达10 m3/h，后降至2.5 m3/h。11 月24 日，进行引流注浆，井下探注5号孔注浆，井下6 号孔放水引流，仅30 min 后就出水泥浆，两孔相距近40 m，说明引流效果良好[4-5]。

图6 底部封堵上部充填治理示意图

图7 注浆治理工程平剖面示意图

6 结论

(1)针对隐伏陷落柱突水具有隐蔽性、滞后性、突水量大、破坏力强、防治难度大等特点，利用槽波地震和音频电透视、钻探等综合探查和计算机仿真技术，确定了隐伏导水陷落柱的位置、范围与空间形态，模拟了隐伏导水陷落柱在采矿扰动作用下应力场、位移场和渗透场的动态演化特征，构建了“阻止采动裂隙向下扩展与奥灰水向上渗流的隔水层段”充填加固技术方案[6]。

(2)61101 工作面机巷突水灾害的超前治理，共施工井下探查注浆孔33 个，检查加固孔8 个，注入水泥912.86 t，堵水率达100%，现工作面已经安全跨采了此陷落柱，工作面实际揭露陷落柱几何尺寸为39.5 m×16.3 m。通过边治理、边生产，有效控制了水情发展，避免重大恶性突水灾害的重演，创造了“绿色快省高效”的预防、探查与超前治理导水陷落柱的新模式[6]。