山西离柳矿区导水陷落柱井下定向注浆治理

张滕滕

（中国煤炭地质总局第二勘探局，北京 102488）

煤炭作为我国主体能源，在我国一次能源消费构成的比例一直占60%左右。随着煤矿开采深度的增加，矿井水害带来的危害也相应增加［1］。导水陷落柱可形成导水通道，联通顶底部含水层，造成矿井突水事故；同时，破坏可采煤层的连续性，影响采掘规划，造成煤炭资源极大浪费。

山西河东煤田离柳矿区是全国重点煤炭规划矿区之一，该区山西组3、4号煤层已基本采空，正开采8、9号煤层，区内陷落柱较发育，下部煤层带压开采，受奥灰水威胁。前人对该区沉积环境、聚煤特征、控煤构造特、伴生元素征等方面进行了研究［2-5］，但对陷落柱注浆治理研究较少。本文以山西离柳矿区郭家山煤矿工作面X4-2 陷落柱井下钻探注浆治理为例，系统总结了陷落柱井下定向注浆治理技术，为今后煤矿陷落柱水害的防治和安全生产提供了有效的技术支撑和保障。

1 地质及水文地质条件

1.1 地层

本区位于河东煤田中部，地层由老至新为古生界中奥陶统，石炭系，下二叠统、中二叠统，中生界下三叠统、中三叠统，新生界新近系、第四系［6］。主要含煤地层为下石炭统太原组和下二叠统山西组，共含煤14层，可采煤层自上而下分别为山西组的3、4号煤层和太原组的8-1、8-2、9号煤层。

9 号煤层位于太原组中下部，上距8-2号煤层5.89～10.97m，平均8.93m。煤层厚度为3.63～5.35m，平均4.37m，煤层倾角3°～7°，含0～3 层厚度为0～0.45m 的夹矸，结构中等，属全区可采的稳定煤层。顶板岩性为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩；底板岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。

1.2 构造

本区位于鄂尔多斯断块、兴县-石楼南北向褶带的东侧，与离石-中阳菱形复向斜相邻，地层总体倾向南西，整体呈一单斜构造，走向北西，倾向南西，地层倾角为3°～7°。郭家山煤矿在开采过程中发现14个陷落柱，陷落柱较发育，且存在导水现象。

1.3 水文地质条件

区内主要含水层为自上而下可分为第四系、新近系松散岩类孔隙潜水含水岩组，二叠系碎屑岩类裂隙承压水含水岩组，石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水岩组，中奥陶统碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水岩组。

郭家山煤矿正采掘9号煤层。工作面直接充水含水层为太原组灰岩岩溶裂隙承压水含水岩组，下部含水层为中奥陶统碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水岩组。煤层底板标高+768～+825m，低于奥灰水位标高，位于奥灰水突水威胁区范围内，属带压开采。

太原组灰岩岩溶裂隙承压水含水岩组由太原组砂岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、铝土质泥岩、石灰岩等组成，含水层主要是5号煤层和8号煤层之间所夹的几层生物碎屑灰岩（L1～L5），灰岩单层厚度1.25～12.2m，累计厚度20～30m，是下组煤的直接充水水源。含水层岩溶、裂隙发育程度较弱，仅见小型溶孔或溶蚀裂隙，连通性较差，水位标高795.63～900.32m，单位涌水量0.000 05～0.016 49L/（s·m），渗透系数0.000 04～0.94m/d，水质类型以HCO3·SO4-Na和SO4·HCO3-Na·Ca型为主，富水性弱。

中奥陶统碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水岩组由下马家沟组、上马家沟组和峰峰组组成，岩性以灰岩为主，次为泥灰岩、角砾状泥灰岩及巨厚层石膏。由于岩溶裂隙发育程度、含水层厚度等水文地质条件的不同，中奥陶统峰峰组（O2f）和上马家沟组（O2s）含水层的富水程度有明显差异［7］。峰峰组含水层涌单位涌水量0.024 2L/（s.m），渗透系数0.035 7m/d，水质类型为SO4·HCO3－Na 型，富水性弱；上马家沟组含水层水位标高797.57m，单位涌水量1.461 5L/（s·m），渗透系数0.618m/d，富水性强。

2 工作面陷落柱揭露情况

根据工作面上部4号煤层、8号煤层采掘揭露及9 号掘进无线坑透探测结果，工作面发育X8-1、X8-2、X4-2、X9-2 四个陷落柱。其中X8-1、X8-2 陷落柱为8 号煤层掘进揭露，陷落柱导水；X9-2 陷落柱为9号煤层掘进揭露，陷落柱导水。

本次重点对X4-2 陷落柱进行注浆治理。该该陷落柱为上部4 号煤层工作面回采揭露，长轴69.5m，短轴60.8m，涌水量为49.1m³/h，陷落柱导水。根据无线坑透探测成果，工作面存在E2 异常区，横向影响范围约90m，纵向影响范围约100m，场强值衰减越20～25dB。

3 井下定向注浆治理方案

采用井下定向钻探及注浆手段对陷落柱进行加固治理［8-10］，封堵导水通道，并进行效果检验，确保实现安全生产。

3.1 治理手段

治理工程总体思路和原则：探查、治理、验证“三位一体”。

1）施工补充探查钻孔（上斜孔、水平孔、下斜孔），探查陷落柱发育范围、富水性及柱体周围裂隙发育特征，并对陷落柱发育范围进行注浆加固。

2）施工底板注浆钻孔（下斜孔），对陷落柱进行井下注浆加固，封堵导水通道。布置顶板加固注浆钻孔（上斜孔），防止回采时顶板发生大规模漏顶、冒顶事故，终孔层位至上覆煤层底板。

3）施工效果检测孔（下斜孔），对陷落柱注浆效果进行检验。

4）对工作面注浆区域进行瞬变电磁、无线坑透探测，验证注浆后构造是否具有富水性，确保实现安全生产。

3.2 底板治理层位选择

采用经验公式法进行计算。9 号煤底板破坏深度采用公式［11］如下：

式中：壁式工作面斜长L，m，取值为180m；开采深度H，m，取值为220m；煤层倾角α，°，取值为5°。求得h为17.77m。

综上，本次底板治理层位分为两层，分别为陷落柱中心下部15～20m（浅孔）、30～40m（中深孔）。

3.3 工程设计

3.3.1 钻孔设计

设计补充探查钻孔7 个（B1～B7 孔），对原物探圈定陷落柱探测范围的扩大区域及E2 异常区进行探测，并进行注浆加固，见图1。设计底板注浆钻孔13 个（K1～K13 孔），其中：K1～K5 号钻孔对陷落柱浅部（柱体中心下方15～20m）进行注浆加固，K6～K13号钻孔对陷落柱中深部（柱体下方30～40m）进行注浆加固，见图2、图3。设计顶板加固注浆钻孔8 个（G1～G8 孔），主要治理范围为陷落柱探测区段以及原物探异常区扩大区域，终孔钻进位置位于上覆8号煤层底板。设计效果检测孔3 个（J1～J3 孔），对注浆加固效果进行验证，如钻孔有涌水现象，要进行补注浆，并要重新补打检测孔，直至达到注浆效果（图4）。

图1 补充探查钻孔工程布置Figure 1 Layout of supplementary exploration boreholes

图2 中深部底板钻孔工程布置及出水点分布Figure 2 Layout of medium and deep floor drilling projects and distribution of drainage points

图3 浅部底板注浆钻孔工程布置及出水点分布Figure 3 Layout of shallow floor grout injection drilling projects and distribution of drainage points

图4 顶板加固钻孔、效果检测孔工程布置Figure 4 Roof reinforcement drilling and effect testing borehole layout

3.3.2 物探工程设计

采用瞬变电磁、无线坑透方法对陷落柱注浆后含、导水性进行探测，验证注浆效果，为工作面安全回采提供地质依据［12-13］。探测范围为陷落柱中心位置向前、后各100m。

1）瞬变电磁探测。在工作面进风巷、回风巷分别布置上45°、顺层0°及下45°三条测线，以10m 的点距布置测点，共布置测线6条，测点126个。

2）无线坑透探测。使用同步法（一对多），布置测点间距为10m，发射点间距为50m，每个发射点对应6～11 个接收点，共布置发射点10 个，接收测点42个。

3.3.3 施工顺序

补充探查钻孔（对原陷落柱圈定范围的扩大区域进行补充探测，注浆加固）→底板中深部注浆钻孔（底板注浆加固治理）→底板浅部注浆钻孔（底板注浆加固治理）→顶板加固钻孔（顶板注浆加固治理）→效果检测孔、物探验证。

3.3.4 施工工艺

3.3.4.1 钻探工艺

1）单孔孔口管。注浆治理区域底板（奥灰顶界面处）带压约0.66MPa，施工选择单孔孔口管下设长度为6.4m，直径选取ϕ89mm。

2）钻孔钻进。开孔使用ϕ94mm钻头钻进，孔深6.5m，下设套管，注浆固结。扫孔并进行不少于30min 的耐压试验，套管下设合格后，更换ϕ55mm钻头定向钻进至终孔深度［14-15］。

3.3.4.2 注浆工艺

1）注浆标准。注浆压力P=3MPa（静水压值的2.5倍），注浆结束标准为Q≤30L/min，维持30min。

2）注浆材料。材料主要采用42.5#普通硅酸盐水泥，水为洁净的非酸性水。

3）注浆方式。采用下行式连续注浆，对初始水量较大的钻孔采用遇水就注方式注浆，分孔分序次连续灌注，直到达到终孔压力为止，以最大量进浆、最大范围扩散、最大限度充填岩溶裂隙［13］。

4）浆液参数。注单液水泥浆，水灰比控制在1.25∶1～0.6∶1，即密度1.2～1.7 kg/m³；注浆期间坚持先稀后浓再稀的注浆原则。

5）浆液黏度。从浆液可泵性和可注性角度来看，如果钻孔涌水量小，可调小浆液的黏度，钻孔水量大时，可适当加大浆液的黏度。

4 井下定向注浆治理

4.1 补充探查

B1 钻孔终孔涌水量为27.5m³/h（底板下26m），经分析水源为下覆细粒砂岩含水层以及上覆薄层灰岩含水层水。B2 钻孔终孔涌水量为0.5m³/h，B3钻孔终孔涌水量为3.5m³/h，B4 钻孔终孔涌水量为3m³/h，B5～B7 钻孔无涌水，涌水量均较小，不存在钻机给压异常、岩层变化异常等情况。综合分析，X4-2陷落柱的赋存位置位于B7以及B6钻孔之间，距离回风顺槽最近位置约为39m，最远位置约为111m，陷落柱范围为长轴70m、短轴40m（图1）。

4.2 底板注浆

1）中深部底板注浆。K6钻孔终孔水量为5m³/h，K7 钻 孔 终孔水量为23m³/h，K8 钻 孔终孔水量为27m³/h，K9钻孔终孔水量为19m³/h，K10钻孔终孔涌水量为36m³/h，K11钻孔终孔涌水量为50m³/h，K12、K13 钻孔无涌水现象发生。综合分析，涌水量大钻孔终孔位置已进入奥灰，涌水水源为奥灰水。钻孔出水情况见图2。

2）浅部底板注浆。K1、K2 孔涌水量较小，均在4m³/h 以下。K3～K5 存在不同程度的涌水现象，K3孔终孔涌水量为25m³/h，K4钻孔终孔水量为17m³/h，K5 钻孔终孔涌水量为64m³/h。经综合分析，水源为煤层底板下细砂岩含水层（三层，累厚6.42m）、上覆薄层灰岩含水层（一层，厚度1.05m）以及奥灰含水层混合水。钻孔出水情况见图3。

4.3 顶板加固注浆

G1 钻孔终孔涌水量为0.6m³/h，G2 钻孔终孔涌水量为3m³/h，G3 钻孔终孔涌水量为0.3m³/h，G7 钻孔终孔涌水量为1m³/h，G4、G5、G6、G8 钻孔无涌水，钻孔涌水量小于4m³/h，也进一步验证了底板注浆效果（图4）。

4.4 出水量大钻孔处置

对涌水量在5m³/h 以上的底板注浆孔采取反复扫孔注浆、封孔的施工措施，最大程度的封堵导水裂隙，提高底板岩层的整体性、阻抗水性能，出水量大钻孔封堵效果情况见表1。

表1 出水量大钻孔封堵前后水量对比Table 1 Comparison of water discharge before and after blocking large boreholes m3/h

5 治理效果验证

5.1 检测孔验证

J1（终孔垂深为35.6m）、J2（终孔垂深34.2m）、J3（终孔垂深34.2m）终孔涌水量分别为2、2.5、2m³/h，注浆终压达到3MPa，涌水量、吃浆量较其它底板注浆钻孔均较小，验证表明各类钻孔注浆封堵效果良好（图5）。

图5 注浆效果检测孔施工布置剖面Figure 5 Section diagram of grouting effect detection hole construction layout

5.2 物探验证

瞬变电磁三个方向探测视电阻率等值线图相对视电阻率值总体变化较小，未发现明显低阻异常区，不存在明显的含（导）水裂隙通道。无线坑透场强成果图显示异常范围较注浆前减小约2/3，接收场强值由之前的18dB 增大到25dB。综合两种物探成果表明注浆效果较好。

5.3 治理区段突水危险程度分析

根据底板检测孔施工情况可知，陷落柱底部导水通道得到了有效封堵，岩石整体性以及阻抗水性能得到了提升，改造区段隔水层厚度按照35m 计算，则此隔水层底面标高为785-35m=750m，奥灰水标高取最大值798m，则带压约为0.48MPa，突水系数T=0.48MPa/35m≈0.014MPa/m＜0.06MPa/m。根据《煤矿防治水细则》相关规定，隔水层完整无断裂构造破坏的地段在不大于0.10MPa/m 的情况下，一般不会发生底板突水事故。

6 结论

本文系统总结了陷落柱井下定向钻探注浆治理技术。利用钻探、注浆、物探综合勘查手段，采用探查、治理、验证“三位一体”方法，对陷落柱柱体及周围裂隙进行全方位的注浆加固，有效封堵封堵导水通道，避免资源浪费，保障矿井生产接续和安全生产，具有重要的示范意义。

1）治理工程施工顺序：补充探查钻孔（上斜孔、水平孔、下斜孔）→底板中深部注浆钻孔（下斜孔）→底板浅部注浆钻孔（下斜孔）→顶板加固钻孔（上斜孔）→效果验证孔（下斜孔）→物探验证。

2）通过实施补充探测钻孔，进一步探查、控制了陷落柱发育范围及富水性，并进行注浆加固，提升地层完整性；实施底板中深部、浅部底板注浆钻孔，对陷落柱发育及影响范围进行了全方位的覆盖，封堵导水通道，提高底板完整性和抗压能力，加强底板覆岩阻、隔水性能；实施顶板加固孔，提高顶板岩层强度和完整性，防止顶板冒顶、漏顶现象发生；对涌水量大的钻孔采取反复扫孔注浆、封孔的施工措施，最大程度的封堵导水裂隙，提高底板岩层的整体性。

3）经效果验证孔及瞬变电磁、无线坑透探测验证，陷落柱底板覆岩阻、隔水性能得到了加强，注浆后加固、堵水效果明显，方法有效。