导水陷落柱的水源判断及注浆治理

曹国亮

（山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 兴县 033602）

陷落柱为垂直导水构造，如果奥灰发生陷落柱，且从其顶界面发育至煤层中，导通的煤层下部奥灰水，将使煤矿生产受到水害威胁。煤矿在采掘过程中会揭露大量的陷落柱，多数陷落柱是不导水的，但如果陷落柱导水，留设保护煤柱会极大地影响矿井的采掘规划，并造成较大的压煤量；而强行通过又会对矿井产生巨大的危害，造成淹井事故。本文结合柳林郭家山煤矿8105胶带运输顺槽揭露的导水陷落柱，浅谈如何在工作面开采前对导水陷落柱进行注浆治理，阻断陷落柱的导水通道,确保工作面回采安全。

1 概述

1.1 矿井概况

郭家山煤矿位于柳林县陈家湾乡，为晋柳能源有限公司下属矿井，矿井生产能力0.60 Mt/a。井田含煤地层主要为石炭系上统太原组（C3t）和二叠系下统山西组（P1s）。山西组和太原组共含煤14层，自上而下分别为山西组的1、3、4-1、4、5号煤层和太原组的6-1、6、7、7-2、8-1、8-2、9、10、11号煤层。井田内共含五层全区可采或局部可采煤层，自上而下依次为山西组的3、4号煤层和太原组的8-1、8-2、9号煤层。其中3、4号煤层属大部可采的稳定煤层，均已采空。目前主采9号煤层，8号煤层配采。

8-1号煤层位于太原组的中下部，上距4号煤层53.0～65.47 m，平均61.90 m，煤层厚度为0.80～1.02 m，平均0.88 m，不含夹矸，结构简单，属全区可采的稳定煤层；8-2号煤层上距8-1号煤层0.97～1.78 m，平均1.43 m，煤层厚度为0.60～1.08 m，平均0.76 m，不含夹矸，结构简单，属大部可采的稳定煤层。9号煤层位于太原组中下部，上距8-2号煤层5.89～10.97 m，平均8.93 m，煤层厚度为1.63～4.82 m，平均4.02 m，含0-3层厚度为0～0.45 m的夹矸，结构复杂，属全区可采的稳定煤层。

井田地层总体上为一单斜构造，走向北北西，倾向南西，地层倾角为3°～7°。

1.2 主要含水层

（1）碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组

该含水岩组主要指奥陶系中统石灰岩、泥灰岩和白云岩等可溶盐岩。该组地层厚约450 m左右，岩溶裂隙发育，是区内最主要的含水岩组。该含水岩组的富水性在水平和垂直方向上都有较大差异。在垂直方向上：岩溶裂隙主要发育在上、下马家沟组的石灰岩中，含水介质以溶洞、溶孔为主，溶洞直径10～20 cm，溶孔直径1～5 cm；峰峰组地层岩溶发育相对较弱。在水平方向上，受区域构造控制，补给区富水性较差，径流区富水性逐步增强，在构造发育区和排泄区富水性较强，钻孔单位涌水量在0.694～12.55 L/s·m之间。其中峰峰组水质类型为HCO3-·SO42--Ca2+·Na+型，矿化度1.15 g/L。

（2）碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组

本含水岩组为上石炭统太原组一套海陆交互沉积地层，由砂岩、泥岩、煤层及3～5层石灰岩组成，是区内主要含水岩组之一。含层间裂隙水，具承压性，但富水性不均一，富水性强弱受构造和埋藏条件所控制，在构造发育和埋藏较浅的部位，岩溶裂隙发育，补给条件好，富水性相对较强，否则富水性弱。与奥灰水有相似性。钻孔单位涌水量0.014～0.792 L/s·m，水质类型为SO42-·HCO3-Na+·Mg2+·Ca2+型。

（3）碎屑岩类砂岩裂隙含水岩组

主要包括二叠系的一套陆相，过渡相碎屑岩沉积地层，在区域东部沟谷中有出露，由砂岩、砂质泥岩夹煤层等组成。该地层含砂岩裂隙水，含水空间以风化裂隙和构造裂隙为主，泉流量0.1～1.0 L/s，钻孔单位涌水量在0.00039～0.0041 L/s·m之间，水质类型为HCO3-·SO42--Na+·Mg2+型，矿化度0.77 g/L。

（4）松散岩类孔隙含水岩组

主要由上第三系上新统和第四系中、上更新统地层组成。

上第三系上新统含水层主要为红土下半胶结状砾石层，厚度不稳定，沟谷中多见有小泉水出露，泉流量较小，一般0.001～0.1 L/s，富水性较弱。

第四系中、上更新统含水层为黄土裂隙和黄土中的砂砾石层，多分布于梁峁之上，且连续性差，储水条件不好，局部含上层滞水，富水性极弱，多为透水不含水岩层。

全新统含水层主要分布于区域西北部三川河的河漫滩和较大的沟谷中，含水层为砂卵砾石层，主要受季节性河流补给，富水性较弱。

1.3 陷落柱

8105胶带运输顺槽掘进至228 m处底板揭露一陷落柱空洞，内有积水。经地测技术人员现场测量，该陷落柱长轴为10 m，短轴为8 m，陷落柱空洞深度约为15.2 m，水深约为9.3 m，该陷落柱内水位标高为+797.5 m，8#煤层底板高程为+801.5 m，如果对陷落柱回填后可正常掘进、回采；但其下方9号煤的9104工作面已形成，陷落柱对应下方9104工作面所属区域为带压开采区域，该处第二回风顺槽顶板高程为+788.2 m，低于陷落柱内水位标高。也就是说如果该陷落柱导水，将对9104工作面回采及矿井安全造成极大的影响，需提前进行注浆处理。

2 导水性判断及水源分析

2.1 导水性判断

由于附近L11水文观测孔奥灰水位标高为+796.2 m，而陷落柱内水位标高为797.5 m，初步预测陷落柱内积水可能为奥灰水，也就是说该陷落柱导水的可能性较大。将潜水泵送入陷落柱积水区内进行排水，然后再观察水位回升情况，确定了该陷落柱的导水性，并根据排水量与补给时间计算出补给量约为5.2 m3/h。

2.2 水源分析

为判断该陷落柱导水提供合理的科学依据，矿地测科人员分别在9104机头、机尾陷落柱空洞中及L11水文观测孔中各提取了一份水样，送相关资质单位进行了水质化验。水样分析结果显示，各水样的矿化度、硬度及硫酸根离子含量具有明显差别。9104机头机尾所取的顶板水与奥灰水水质类型有明显区别，初步判断为径流条件差的太原组灰岩水。8105陷落柱水样的矿化度高于水源井，由于水源井取用奥灰上马家沟组含水层水，长期取水后含水层径流条件好，硫酸根、钙离子、碳酸氢根离子含量明显低于陷落柱水样，水源井与陷落柱水样的水化学类型一致。根据水文地质补充勘探成果，峰峰组水质类型以SO42-·HCO3-- Ca2+.Na+型为主，矿化度约1.15 g/L，初步判断陷落柱的充水水源为奥陶系峰峰组岩溶含水层水。

3 陷落柱注浆处理

表1 离子特征及水化学类型 单位:mg/L

编号 取样点 9104 机头 9104 机尾奥灰水源井8105 陷落柱10 Hco3- 593.26 436.63 278.56 439.04 11 矿化度 2240.25 3326.96 586.3 1047.72 12 总硬度 1377.32 2157.24 330.42 486.87 13 碳酸硬度 486.63 358.15 245.09 360.13 14 非碳酸硬度 890.69 1799.09 85.33 126.74 15 总碱度 486.63 358.15 245.09 360.13 16 总酸度 28.48 20.91 0 9.3 17 水化学类型 SO42-·HCO3—Mg2+·Ca2+ SO42—Ca2+·Mg2+HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+HCO3-·SO42—Ca2+·Na+

根据“技术上可行，经济上合理”的设计原则，结合该矿的实际情况，本方案采用井下工作面注浆的方法，也就是通过井下施工注浆钻孔、注浆、施工注浆检查孔等工作内容，达到治理陷落柱导水性的目的。本方案的核心是在9104第二回风巷施工4个钻孔，目的是切断陷落柱中奥灰水的补给通道，具体方法为通过注浆封堵9#煤层底板以下30～40 m段陷落柱以及周围裂隙。

3.1 注浆孔布置

陷落柱中心位于9104工作面285 m处，受现场钻场条件限制，钻机俯角最大只能达到28°，为了使钻孔均匀分布在陷落柱的周边，在9104第二回风巷陷落柱两侧20 m、30 m处各布置2个注浆孔，落点控制在9#煤层底板以下30～40 m，深度在80 m左右。

注浆孔设计个数为4个，编号依次为Z1、Z2、Z3、Z4，每个钻孔终孔均穿过陷落柱落在奥灰顶界面。

设计注浆检查孔1个，编号为J1。为了检查陷落柱内由浅到深全段的注浆效果，J1孔布置在1号钻场和2号钻场之间的3号钻场内。钻孔详细布置见表2、图1、图2。

表2 钻孔布置参数

图1 钻孔布置平面

图2 钻孔布置剖面

3.2 注浆程度

注浆的压力的大小最为重要，它将直接影响到浆液的充填效果。如果压力太小，浆液往往不能有效的充填陷落柱及周围裂隙，起不到注浆堵水的效果；压力太大，浆液扩散距离会太远，甚至使陷落柱原有的裂隙通道增大，效果适得其反。注浆的总压力由两部分组成；一是注浆泵运行时对浆柱产生的压力；二是浆柱自身重力所产生的压力。计算公式如下：

式中：P0为注浆总压力，MPa；Pm为孔口压力，MPa；H为孔口至受注浆层位1/2处的高度，m；r为浆液比重，g/cm3；h为注浆前注浆段1/2处的水柱高度，m。

取H 值 为25 m，h 取 值30 m，r 取 值1.5 g/cm3(水灰比为1:1)。

注浆总压力暂无特定的规定，均是以往注浆的经验数据。一般情况下，按注浆含水层最大静水压力的2 倍为注浆总压力值，此处最大静水压力约为0.6 MPa，所以P0=1.2 MPa。计算得出孔口压力Pm为1.1 MPa，也就是说当注浆时孔口压力达到1.1 MPa时，此次注浆压力便达到结束标准。

4 检查治理效果

本工程实施的目地是预先对陷落柱进行治理，以阻断陷落柱的导水通道，确保9104工作面回采安全。因此对陷落柱注浆治理效果的检查特别重要。

孔口压力达到标准后，注浆工作初步结束，等钻孔中的泥浆彻底凝固后，在陷落柱中央部位向下施工J1检查孔。J1检查孔需进行取芯，通过取芯的岩石来观察浆液在破碎带中充填程度以及胶结情况，初步判断注浆效果。在J1钻孔施工结束后，通过对J1钻孔涌水量的观测，评判最终注浆效果。若J1钻孔未有涌水现象，便说明注浆良好，已将陷落柱中裂隙充分的充填，使奥灰水失去了上涌的通道。