隐伏导水陷落柱探测与注浆加固技术

李向银

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿，山西 洪洞 041600）

0 引 言

煤矿巷道及工作面在经过导水陷落柱时应采取一定的加固措施，由于导水陷落柱为一种垂直导水构造，能够使得煤层与承压含水层之间相互贯通，同时导水陷落柱具有隐蔽性、突发性等特征，故在巷道或工作面通过导水陷落柱之前未进行有效的探查、治理时，易引起重大的突水事故，严重威胁矿井的安全生产[1-3]。目前通过导水陷落柱时常采用的方法为在掘进或回采前通过采取加固措施切断突水水层与煤层之间的水力联系，在加固导水陷落柱方面注浆加固技术的效果较为显著，注浆加固技术在巷道或工作面通过地质构造带时，能够起到提高围岩强度和增强围岩整体性的效果，同时还能起到有效的堵水作用。

1 工程概况

某矿主采石炭系太原组4#、9#及11#煤层，4#煤层的均厚为10.5m，9#煤层的均厚为12.9m，11#煤层的均厚为3.8m。井田范围内主要含水层为奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层、新近系空隙含水层及石炭二叠系砂岩裂隙含水层，同时井田范围内岩溶裂隙较为发育，主要以溶洞、溶孔及溶蚀裂隙等形态存在。19108工作面形成后采用音频物探法对工作面范围内进行探测[4-5]，发现4处异常区域，再通过对异常区区域进行钻孔验证后确认存在一处导水陷落柱，该2#陷落柱短轴为33.8m、长轴为44.3m，面积约为1167m2，陷落柱与19108工作面辅助运输巷的距离为33m，2#陷落柱具体位置示意图如图1所示。为了保证工作面回采期间的安全生产，必须解决进导水陷落柱进行治理，消除陷落柱突水淹井的重大隐患。

图1 导水陷落柱具体位置示意图

2 导水陷落柱治理方案及效果

2.1 初步方案及效果

根据19108工作面2#陷落柱的具体情况并结合导水陷落柱内注浆扩散半径，设计共打设钻孔6个，其中4个钻孔为先对陷落柱的裂隙发育程度及胶结装填进行探查，然后进行注浆加固，另2个钻孔为检查注浆堵水效果的检查孔，具体钻孔位置剖面图如图2所示。具体注浆施工时，水泥采用P.C32.5R复合型硅酸盐水泥，水灰配比控制在4：1～2：1之间，注浆孔口净水压力为0.6MPa，由于注4钻孔所在位置为主要导水裂隙通道，注入水泥量305.9t，终孔水量为12.4m3/h，注2钻孔注入水泥量0.8t，终孔水量为0.2m3/h，水泥浆液的扩散半径未能达到原设计要求。根据初步治理方案实施过程中发现19108工作面2#陷落柱裂隙分布不均匀，柱体内呈现各向异性，故应采取在施工过程中同时进行分析设计的原则对2#陷落柱进行治理。

图2 钻孔位置剖面图

2.2 奥灰顶部注浆加固及效果

通过钻孔进行探查具体情况后，对设计进行优化后，制定具体的注浆措施，最终确定注浆钻孔20个，共计注入水泥1158t，对奥灰层注浆加固的钻孔布置平面图如图3所示。在对奥灰层注浆加固后，将2#陷落注的钻孔涌水量由原本的6.4m3/h减小到0.413m3/h，由注浆后钻孔基本无涌出量，能够得知对奥灰岩顶板10m范围进行注浆加固后取得了较好的效果。

图3 奥灰层顶板注浆钻孔布置平面图

2.3 底板隔水层注浆方案及效果

为确保煤层底板形成有效隔水层，确保19108工作面通过陷落柱、正常回采，现对9#煤隔水层下部20m进行注浆加固，底板隔水层下部注浆共布置8个钻孔，钻孔终孔均穿过陷落柱水平边界10m，其中4个钻孔终孔位置在奥灰顶面上方20m，另4个钻孔的终孔位置在奥灰顶面上10m，底板隔水层注浆钻孔布置平面图如图4所示。在8个注浆钻孔施工完毕后共注水泥138.4t，注浆加固前钻孔涌水量平均为1.5m3/h，加固后钻孔内基本无涌水现象，这表明对底板隔水层下部注浆加固后取得了较好的效果。

图4 底板隔水层奥灰层上20m范围注浆钻孔布置平面图

3 2#陷落柱注浆加固效果

3.1 检查钻孔的注浆效果

图5 检查钻孔布置平面图

为保证陷落柱的注浆加固效果，确保19108工作面安全的通过陷落柱，本次设置7个检查钻孔，其中J3、J4钻孔为取芯钻孔，钻孔在进入陷落注5m前进行取芯对陷落柱内水泥的充填情况进行验证；其余5个钻孔对注浆加固的效果进行验证，具体检查钻孔布置如图5所示。具体检验效果如下：①在J1、J2、J5、J6和J75个检查钻孔的钻进过程中均未出现进尺变快、坍塌及漏失现象出现，这说明2#陷落柱的注浆加固的效果较好；②对于J3、J42个取芯钻孔，通过取出岩芯内水泥的充填情况，能够得出注浆过程中水泥浆得到了有效扩散；③注浆结束后各检查孔的终孔涌水量如表1所示，从表中能够看出各检查孔的终孔涌水量均小于1.4m3/h，其中终孔涌水量相对较大有J1钻孔 1.2m3/h、J2钻孔 1.33m3/h、J3钻孔 1.34 m3/h，其余4个钻孔的终孔涌水量均小于0.35m3/h，对涌水量较大的J1～J3钻孔的涌水量分别为92.9m、84.7m及93.2m，故能得知J1～J3的出水层位均在奥灰顶的界面下方，这说明注浆后形成的结构达到将奥灰水有效隔绝的作用[6]。

表1 2#陷落柱检查孔终孔涌水量

3.2 探查孔注浆效果及水化学成分分析

在本次注浆孔施工过程中及结束后对4个探查孔及煤层4#孔进行水量的持续观测，在2#陷落柱未进行注浆加固措施之前，5个钻孔的总涌水量为16.3m3/h，待注浆完成后4个探查孔已无涌水，仅有煤层4#钻孔存在涌水现象，涌水量为0.18m3/h，对比注浆前后5个孔总涌水量减少了16.12m3/h，减水量达到98.9%，在注浆孔终孔后各个探查孔的水量均有减小，这说明注浆孔与探查孔之间存在导水通道，另外在注浆过程中，部分探查孔的涌水量变大，其中一个孔出现反浆现象，且随着注浆量的增大，探查孔内的水量逐渐减小，这便从另外一个方面说明了探查孔与注浆孔之间存在导水通道。通过上述分析能够得知对陷落柱进行注浆加固后形成了有效的堵水、防突的目的。

在对2#陷落柱进行注浆加固前对探查孔内的涌水对2个探查孔、5个注浆孔进行取水进行了5次水质分析，得出水中等离子含量，并将其与原有奥灰水水文相对比，根据分析煤层4#孔不同时期5次水质化验结果显示Mg2+、Ca2+的含量基本无变化，含量在注浆加固后明显增大，的含量在注浆后明显减小，这说明煤层4#孔涌水水文变化明显；将煤层4#钻孔治理前水中离子的含量与原有奥灰水的水文资料对比能够看出水中离子含量基本无差别，但随着注浆加固的进行含量逐渐增大含量逐渐减小，这意味着注浆加固拦截了奥灰水的补给。注6、注9、注13及补3钻孔水中在注浆前后略有些变化，补7号钻孔中离子含量与其他四个注浆钻孔中含量相差较大，由于补7号钻孔位于奥灰顶界面上方20m，另四个钻孔层位位于奥灰顶界面下方5m或奥灰顶界面附近，这说明以奥灰顶界面上20m处为界限，界限上方与下方的水质不同，即表明注浆加固后的结构起到了很好的隔水效果。

3.3 19108工作面回采情况

在对2#陷落柱注浆加固处理完毕后，工作面从揭露2#陷落柱到回采通过陷落柱仅用9天的时间，并且在回采过陷落柱时未出现顶板冒落、涌水、底板下陷等现象，实现了19108工作面安全顺利回采通过陷落柱。19108工作面通过陷落柱500m后，采空区也未出现异常涌水现象。

4 结 论

通过对19108工作面2#陷落柱治理方案结合前人在注浆工艺、钻探工艺及堵水效果等方面有了一些新的认识，主要为以下几点：

1）在布置钻孔位置时，应尽可能的将考虑范围扩大，同时钻孔应在不同层位都有分布，在钻孔钻进过程中注意观察钻压变化、进尺快慢、出水情况等，根据这些情况对参数进对钻孔布置进行优化。

2）在对陷落柱进行注浆加固处理时应首先探清陷落柱的主要导水通道，然后制定方案进行治理，同时注浆时应采用施工、分析、优化设计的顺序原则对陷落柱进行治理。

3）通过注浆加固对陷落柱进行处理后，采用打设检查孔、取岩芯观察、钻孔水质化学分析等方法能够对注浆加固效果进行验证，且验证方案合理有效。