导水陷落柱突水淹井综合治理技术
2006-03-21
来源:《劳动保护》
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1引言
岩溶陷落柱是埋藏在煤系地层下部的巨厚可深岩体，在地下水溶蚀作用下，形成巨大的岩溶空洞。空洞顶部岩层，当其失去对上覆岩体支撑能力时，上覆岩体在重力作用下向下垮落，充填于溶蚀空间中，因其剖面形态似一柱体，故称岩溶陷落柱。我国岩溶陷落柱多发育于北方石炭二叠系煤田，在山西、河北、河南、陕西、山东、江苏、安徽等20多个煤田中，已发现陷落柱45处，总数已接近3000个，特别是山西、河北较多，尤其以汾西两岸、太行山两侧煤田为多，如西山矿区已发现陷落柱1300多个，密度可达到70个/km2。岩溶陷落柱的这种特殊地质现象的存在，不仅破坏煤层，减少可采储量，巷道的掘进和煤层的开采，而且是特殊的异水通道，是很难防治的充水因素。我国开滦、焦作、皖北、徐州、邢台等矿区都发生过特大陷落柱突水淹井事故，造成了重大的经济损失和社会影响，其中开滦范各庄矿突水淹井事故是世界采矿史上最大的一次淹井事故。尽管陷落柱突水淹井事故难以有效预防，但突水后可以采取综合治理技术将复矿的时间大大缩短，将灾害损失降低到最低限度。本文重点探讨我国陷落柱突水淹井的综合治理技术。
2导水陷落柱的基本特征
陷落柱的导水性可分为3种类型；强充水型、边缘充水型、弱充水型。从已发现的陷落柱来看，绝大多数的陷落柱是弱充水型，陷落柱内充填物压实紧密，风化程度极强，边缘裂隙水已被疏降，煤矿在回采过程中，没有水或少量滴水；边缘充水型的陷落柱内充填物压实紧密，风化程度较强，柱内水力联系不好，只是陷落柱边缘发育的次生裂隙充水，对奥灰水的导通性不好，采掘工程揭露时一般以淋、滴水为主，涌水量不大；强充水型陷落柱内充填物未被压实，柱内水力联系良好，直接导通奥灰高压水，沟通了煤系地层各含水层，采掘工程一旦揭露就发生突水，水量大而稳定，对矿井造成灾难性的淹井事故，防排水设施很难起作用，建国后我国已发生多起陷落柱突水淹井事故，详见表1。
表1陷落柱突水淹井一览
3综合治理技术
3.1巷道截流技术
打钻命中巷道，钻孔终孔孔径不小于100mm，打透巷道后先投注骨料，再注浆加压，最后引流注浆。适用条件：陷落柱突水点位于独头巷道，巷道加固较好。关键技术：巷道的测量资料准确，钻孔定位正确，命中巷道的几率100％，灌注骨料先粗后细，动水条件下，可投注骨料30～50mm，静水条件下，可投注细砂，注骨料后期要反复捅孔，当吸水系数小于5～81/min?m时，方可进行注浆。
徐州张集煤矿1997年2月18日矿井西-300水平21号煤层轨道下山发生陷落柱突水，最大突水量402 m3/min，从发现淋水到淹井仅10h。发生突水后，首先在轨道下山布置了3个透巷孔，注入骨料210 m3，在3个截流孔注入水泥4960t时，奥灰水水位持续上升，比副井水位高出19.5m，表明巷道截流已见成效，水流由“管道流”变为“渗透流”，副井可以开始引流注浆。引流注浆期间，又在3个截流孔注入水泥1629t，为了防止陷落柱内部奥灰水对煤系地层的影响，在陷落柱内部相当于奥灰顶界面附近建造“止水塞”，施工3个钻孔，共注入水泥2421t，本工程累计注入水泥9010t，堵水率100％，整个工期历时98d。
3.2建立“止水塞”技术
查清陷落柱的基本形态后，沿陷落柱的边缘钻进至一定深度后导斜进入陷落柱，在可采煤层之下一定深度建造一定厚度的“止水塞”，切断奥灰水与煤系地层的水力联系。适用条件：突水构造基本确定，在巷道截流技术不能快速封堵成功的情况下，采取“止水塞”封堵方法。关键技术：首先要判断确定陷落柱的构造位置，再利用定向导斜技术，使钻孔的轨迹沿陷落柱的边缘钻进，到一定深度后再导斜进入陷落柱；定向导斜钻探技术的成功是决定堵水成功的关键。
皖北任楼煤矿1996年3月4日发生特大陷落柱突水，最大突水量达到576 m3/min，从发生滴淋水到淹井仅8.5h。淹井后，考虑到突水点附近巷道为煤巷，利用巷道截流后不能确保矿井排水后巷道截流的安全可靠性，为尽快恢复生产，制定了在陷落柱中建立“止水塞”快速切断水源的方案。“止水塞”的位置选 在最下部可采煤层以下15～75m砂岩段，厚60m。沿陷落柱边缘施工的4个钻孔，从不同方向导斜进入陷落柱进行注浆，注入7600t水泥后，经计算60m“止水塞”附近的细小裂隙也起不到加固作用。为了对“止水塞”进行加固，实施在副井引流排水，各注浆孔正常游资，并根据副井和长观孔的水位调节注浆量。引流注浆期间又注入水泥7432t，各注浆孔均达结束标准，副井水位已排至井底，堵水率达100％。本工程工施工探查孔5个，截流孔1个，注浆孔5个，检查加固孔2个，注料130 m3，注水泥15032t，实现了当年突水，当年治理，当年恢复生产。
3.3陷落柱“三段式”堵水技术
陷落柱突水后，在顶部留下空洞，并且在动水条件下，打钻先命中陷落柱顶部的空洞，充填骨料将动水流变为渗透流，再在陷落柱下部建立止水段和加固段，俗称“三段式”堵水技术。
1984年6月2日，开滦范各庄煤矿2171工作面发生特大陷落柱突水，最大突水量达2053 m3/min，全矿停产，同时造成吕家索和林西矿淹井，与其相邻的赵各庄矿、唐家庄矿也受到地下水的严重威胁。经勘探查明，该陷落柱体积大，柱内水流速度快，顶部又有空洞，决定采用上部灌注骨料充填压实，中部注浆堵截通道，下部充填灌注拦截水源的三段式综合治水技术。首先对陷落柱顶部8～32m高的空洞充填骨料30681 m3，通过充填骨料使得陷落柱中被水流冲动的破碎岩块在上部荷重加大的情况下，得到压实增加阻水能力；上部充填骨料完成之后，在12 #煤层以下到唐山灰岩之间，该段高100m左右，这一段的注浆孔在400m深处进入陷落柱，用下行法注浆到500m左右；由于开始在动水条件下注浆，故从下部奥灰含水层部位进行充填骨料，以增加阻力，拦截水源，降低流速，为中段注浆堵水创造条件，并对中段的“堵水塞”起到支撑、防止松动坍塌破坏作用。本工程共打钻24829 m，注水泥62900t，砂子4756 m3，石碴25925 m3，水玻璃4269t，粉煤灰300t，合计注入约100000 m3的充填物，堵水效果100％。
3.4直接封堵技术
陷落柱的发育高度较低时，一般发育高度到奥灰上部的石炭纪地层，可直接从地面打钻命中陷落柱采用下行法直接注浆。
河南安阳铜冶矿1965年发生的陷落柱突水，最大突水量为23 m3/min，造成全井淹没。突水后直接在陷落柱的上部打钻，命中陷落柱后，通过钻孔充填砂石形成砂垫后进行注浆加固。为了封堵陷落柱体内的形态多样和大小不一的空隙，通过不同位置的钻孔和同一钻孔的不同深度反复多次灌注砂石和水泥浆，共注入砂石1622 m3，注入水泥2454t，堵水率100％，这种注浆工艺适合于静水条件下岩溶陷落柱的导水通道注浆。
3.5反流注浆技术
陷落柱的突水在截流基本成功后，为了减少打钻的数量，加快堵水进程，在陷落柱构造范围不确定的情况下，可在截流堵水段与突水陷落柱之间打1～2个钻孔，通过下行法加压注浆返流加固陷落柱的空隙。
辉县市吴村煤矿32031工作面1999年11月15日发生隐伏陷落柱突水，最大突水量40m3/min，突水后陷落柱冲出的岩石被碎物堵死了下副巷，突水从上副巷流入一水平。工程布置3个钻孔，其中注1孔布设在工作面上安全口下侧3m处，主要是打中棚架区进行骨料注浆，对上副巷进行截流，迅速降低水量，防止全井淹没，使水流由管道流变为渗透流；查1孔布设在上安全口下侧20m处突1附近，查2孔布设在工作面下安全口上5m处突2附近。在注1孔截流成功后利用查1和查2孔进行了返流注浆，注1孔注骨料1123m3，注水泥307t；查1孔注骨料100m3后，突水点水量已减少了32m3/min；查1孔和查2孔利用注1孔截流成功后分别返流注入水泥405t和1561t，井下突水点封堵成功，堵水率达100％。工程累注骨料1535m3，累注水泥2273t，时间仅用70天（扣除天气、工农关系、停电等因素影响），创造了显著的经济效益。
3.6引流注浆技术
在注浆封堵导水陷落柱通道基本成功后，为了防止在加压注浆条件下，浆液的大量流失，利用井筒排水，既可对注浆堵水进行检验，同时还可以加固突水点附近的细小裂隙，加快注浆堵水进度和复矿速度。引流注浆的时期和注浆量取决于长观孔水位和井筒的排水情况，引流注浆期间长观孔水位若下降则应加大注浆量，或停止引流排水；引流注浆期间若长观孔水位不下降，则可根据钻孔吸浆情况继续加固注浆。
邢台东庞矿二水平南翼2903工作面下副巷于2003年4月12日发生陷落柱特大突水，最大突水量1167m3/min，造成全井淹没。为了尽快恢复生产，拟在突水点以外的巷道布置透巷孔进行封堵巷道。布孔原则：沿突水巷道的突破口向外5m处布置1号钻孔，自1号孔以外有15m布一个孔，共布8个孔进行骨料充填注浆，以便形成105m长的巷内堵水段，截断过水道。第一阶段依次施工了1号、6号、8号、7号、3号、4号孔，其中1号孔提前遇见陷落柱，作为注浆期间的水文观测孔，其它5个孔透巷后，充填骨料和加压注浆。由于陷落柱水冲出的破碎岩石较多，在巷道累注骨料4586m3，比设计注骨料减少2/3。注浆采用了气动射流搅拌系统，最高日注灰量达634t大大加快了堵水进度，5个透巷截流孔共注入水泥17214t，对巷内和巷顶以上裂隙进行了多次反复的高压注浆，终压达10MPa。第二阶段施工了2号和5号孔，其中5号孔为截流段中部的检查加固孔，2号孔为截流段尾部的检查加固孔，5号孔又加压注476t，达到了终压终量，副井水位持续下降，奥灰长观孔水位持续上升，表明巷道已基本封死。第三阶段开始引流注浆，利用副井排水，2号孔注浆，若巷道彻底封死后，则2号孔所注的浆液将返流进入陷落柱，起到加固陷落柱的作用，2号孔累计注入水泥9176t，大部分水泥进入了陷落柱，少部分水泥通过引流注浆对巷道的薄弱地带也进行了加固。工程累注水泥26866t，注骨料4586m3，锯末196袋，仅用5个多月时间就完成了注浆堵水任务，堵水率达100％。
4 结束语
(1)导水陷落柱的突水，往往造成灾难性的淹井后果，且难以有效预防。
(2)陷落柱突水淹井后，为了加快复矿速度，减少淹井的损失，根据不同条件采用几种堵水技术，综合治理，效果比较好。（赵苏启 武强 郭启文