楊澗煤礦陷落柱探查治理技術研究及工程應用

張國榮,王鵬威,任培元,郝辰偉

(1.山西中煤楊澗煤業有限公司,山西 朔州 036002;2.太原理工大學 礦業工程學院,山西 太原 030024)

煤炭開采受到多種水害的威脅,而且受水害威脅的范圍及程度比較嚴重。我國華北地區蘊含豐富的煤炭資源,隨著進一步的開發,越來越多的陷落柱也被揭露。陷落柱是由溶洞塌陷而成,主要發育在華北地區,是一種獨立的地質體,在煤礦中分布廣泛且形態多樣。礦井內陷落柱埋藏隱蔽,分布孤立,且與奧灰強巖溶含水層相通,一旦發生透水,往往是重大事故,造成被淹甚至人員傷亡。因此,陷落柱的探查一直是防治水工作者長期研究的難題,對煤礦安全生產具有重要的意義。

探查陷落柱常用的方法主要有鉆探、巷探、物探等[1-2]。針對陷落柱對煤礦的災害,我國科研人員也進行性了一系列的研究。李坤等[3]提出的“三圖-雙預測”理論和技術,解決了煤礦頂板含水層突水預測難題;董書寧等[4-5]分析了我國煤礦水災害頻發的主要原因,研究了頂板水害防治技術;虎維岳等[6]研究了我國煤礦水害主要類型、形成原因及防治技術;尹尚先等[7]對陷落柱的突水模式及理論依據進行研究,預測并建立模型,得到了簡單實用的突水理論依據。曹國亮[8]對陷落柱的導水性判斷及水源分析做了研究,并對陷落柱注漿孔的布置及程度做出分析;李建力等[9]對陷落柱探查方法做出研究,得到可靠的數據,對陷落柱治理提供可靠技術依據;陜建龍等[10]對陷落柱回采及圍巖控制做出研究,找出加強陷落柱區圍巖穩定性的方法。

本文針對楊澗煤礦90102工作面頂板淋水、底板涌水、底鼓等現象,提出了陷落柱探查-導水性研究-注漿堵截的陷落柱防治技術理論體系,對陷落柱底板堵截及加固做出研究。在充分分析研究區水文地質條件、排查水害隱患的基礎上,采用瞬變電磁探測技術、三維地震動態解釋技術對含水層富水性、斷層及陷落柱等構造的富水性、導水性質進行探測研究;同時以帶壓開采研究為突破口,開展礦井注漿加固底板及封堵突水通道技術應用研究,該研究對完善礦井防治水體系,嚴防礦井水害發生、確保礦井的安全生產等具有一定參考價值。

1 研究區概況

1.1 地質及水文地質條件

楊澗煤礦位于朔州市朔城區小平易鄉林家口村附近,為平魯區與朔城區交界處,行政區劃屬平魯區陶村鄉及朔城區小平易鄉管轄,交通便利。

楊澗煤礦開采條件及水文地質條件與擔水溝礦基本類似,主采4#、9#煤,礦井水文地質柱狀如圖1所示。礦區地表水體主要有馬關河、馬營河、三眼河及趙家口水庫。本區含水層主要有寒武奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層、太原組及本溪組砂巖裂隙含水層。

寒武奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層。僅寧武盆地四周分布面積≥3 000 km2,成為灰巖巖溶裂隙水的直接補給區和補給源。該含水層厚度≥800 m,在盆地內埋深200～450 m,發育有裂隙節理。

太原組、本溪組砂巖裂隙含水層。主要是上部4#煤組和下部9#煤組附近及其間的砂巖體,滲透性差-中等。砂巖總厚平均5～30 m,含水性較弱且均一。

圖1 楊澗煤礦水文地質柱狀概化圖Fig.1 Hydrogeological histogram of YangjianMine

1.2 90102工作面出水概況

90102兩順槽位于901采區北翼皮帶大巷的西部,90102工作面底板隔水層厚度約50 m,底板奧灰水壓約1.3 MPa,在只考慮水壓和隔水層厚度時,突水系數值在0.026 MPa/m左右(在0.06 MPa/m以下),屬于安全區。

9#煤頂板為砂質泥巖及粉砂巖、中粗砂巖;底板多為中砂巖:石英為主,長石次之,含黃鐵礦晶體和植物根莖化石碎片,屬軟-半堅硬巖石。由于受地質構造作用,9#煤頂板局部砂巖裂隙發育并含一定量的砂巖裂隙水,對施工有一定的影響。根據已掘的9#煤巷道,隱伏陷落柱有很大可能性存在,在斷層破碎帶頂板涌水量會增大。90102兩順槽掘進工作面對應上部為40102、40103回采工作面,目前形成采空區積水。工作面對應地表為低山丘陵區,溝谷從分水嶺向兩側呈樹枝狀分布,各溝谷平時基本干枯無水,雨季匯集洪水。

1.2.190102工作面揭露陷落柱情況

楊澗煤礦4#煤開采過程中,在90102工作面上方揭露陷落柱兩個,即1和5號陷落柱,陷落柱的膠結和充填程度較好,較為密實,不富水也不導水,4#煤工作面回采順利。

根據90102工作面運輸順槽掘進過程中,先后出現頂板淋水、底板涌水、底鼓等現象,該巷道已揭露4號陷落柱(該陷落柱在4#煤回采過程中未揭露),據觀察,90102運輸順槽揭露陷落柱特征明顯,施工的探水孔揭露情況也表現為層序雜亂特征。

另外,根據開展的楊澗礦90102工作面無線電磁波透視探測結果,新發現陷落柱兩個,2號、3號陷落柱。由于物探結果存在多解性,在本次研究過程中,尤其是在對陷落柱形成機理進行探查過程中,需要布設一定鉆孔進行驗證。

1.2.2運輸順槽底鼓出水情況

在90102運輸順槽掘進過程中,靠近巷道右側底板揭露一長度0.6 m,寬度5～6 mm的裂縫,裂縫處向上冒水,出水量為1 m3/h,7 d后出水點增多至5處,范圍約4 m3,出水量增大到2 m3/h。5d后該地段底板出現底鼓,有明顯的裂縫5條,裂縫寬5～30 mm,長度不等,最長4.8 m。

20 d后該段底鼓較為明顯,普遍達到20 cm左右,目前底板出水點水量穩定不到1 m3/h,底鼓位置伴隨6條較大的裂縫出現。根據該區地質柱狀,9#煤底板為約3 m厚砂頁巖層,底板出水點附近存在富水異常區。對該底板出水點取水樣進行化驗,從化驗結果來看,陽離子主要為Ca2+、Mg2+,陰離子主要為HCO3-。同時,該出水點水樣含有臭雞蛋味,根據上述特征,分析該出水點可能為底板奧灰水,臭雞蛋氣味可能與該水樣經過9#煤下方11#煤所致。另外根據90102運輸順槽的底板起伏情況來看,底鼓區位于巷道起伏最高點,因此,該地段發生底鼓現象,可能與該處構造、底板巖性、奧灰水壓、礦壓等都具有關系,因此需對該處構造及其導水性質進行進一步探查研究。根據90102運輸機巷底板直流電法探測顯示,1號陷落柱附近的3號異常區內,灰巖異常有向斜上方導升的趨勢。異常均發育在奧灰頂界面附近,而且上部的隔水層都不完整。

1.3 主要問題分析

由于楊澗礦90102工作面5個陷落柱的存在,雖然該陷落柱膠結充填程度較好,不富水、不導水,但考慮到該工作面采厚大、斜長長,采動形成的周期來壓既有可能導致陷落柱產生活化而致使災害性突水事故的發生。同時,該工作面運輸順槽底鼓現象明顯,且伴隨出水情況,也是該工作面回采過程中的重要隱患。為確保該工作面的安全回采,需要對5個陷落柱及巷道底鼓區,以及工作面回采過程中底板可能發生的底鼓現象進行治理。其中1號陷落柱等導水通道是治理的重點:①1號陷落柱在4#煤回采過程中未揭露,說明在4#煤底板至9#煤頂板之間51 m范圍可能存在陷落柱頂部空洞,需對其進行探查。②90102運輸順槽327.1～350.7 m段揭露1號陷落柱,對1號陷落柱及其周邊進行探測,重點是探測陷落柱邊界。③90102運輸順槽234 m處底板開裂涌水、在252～290 m段底鼓。據分析,底鼓的原因為地壓作用的可能性較大,但此區域距奧灰較近,應對巷道底板向下布置鉆孔探注。

2 陷落柱治理技術

2.1 陷落柱治理整體思路

通過對煤層底板水文地質的探查,尤其是奧灰水的流場特征、富水性規律等進行研究,結合放水實驗、聯通實驗等,確定工作面底鼓地段富水性異常區的水力聯系等,為后續研究提供基礎資料。同時以區域地質演化背景和巖溶、陷落柱形成機理等理論為基礎,根據楊澗礦90102工作面揭露及原有4#煤開采中揭露的陷落柱資料,包括陷落柱探查結果等對陷落柱的發育規律和特點進行研究。通過鉆探取樣和必要的物理力學測試試驗,分析90102工作面煤層底板隔水層的厚度、結構、含隔水性、物理力學性質,重點查明底板隔水層結構和力學性質,確定底板有效隔水層抗破壞能力,為底板突水危險性評價和底板注漿加固提供依據。

在上述研究的基礎上,針對楊澗礦90102工作面巖溶陷落柱發育特征和承壓含水層的水文地質特征,確定相關參數、漿液配比等,開展注漿實踐以確定注漿壓力、充實率和充實強度等參數;在巖體可注性較差的條件下,提出必要的可注性改進措施及可塑性好的化學注漿建議。結合上述底鼓地段探查及水化學分析結果,重點分析90102工作面巷道底鼓的發生機理,分析底板巖性結構、構造因素、底板奧灰水壓、礦壓等相關因素,結合現場底板注漿加固經驗,為礦區底鼓治理等提供可行性的技術示范成果。

2.2 1號陷落柱探注孔治理

1號陷落柱探注加固深度按35 m考慮,探注孔按垂深35 m處預測的陷落柱邊界設計,為確保探孔處實際陷落柱邊界,設計時按出邊界后6 m為設計孔深,終孔垂深不超過40 m。1號陷落柱共設計11個探注孔,其中1個探陷落柱內部,10個探陷落柱邊界。累計完成9個探注孔,累計孔深672.4 m。其中注漿量為:水泥32.4 t,膨脹劑2.07 t,水玻璃2.45 t。完成的9個陷落柱探注孔中,明顯出水孔有2個:1#孔深53 m(垂深35.5 m),出水0.2～0.3 m3/h;4#孔深94.5～95.5 m(垂深36 m左右),出水0.6 m3/h,水壓小于1 MPa。

根據1#孔打鉆終孔60 m只出少量水,4#孔打鉆終孔98.7 m只出少量水,約為0.6 m3/h;而2#、5#、6#、7#、9#、8#孔6個孔終孔無出水的情況分析,1號陷落柱邊緣導水性弱。根據0#孔打鉆終孔61 m無出水情況分析,1號陷落柱內部較密實。

根據已完成的9個孔的鉆孔出水情況、注漿量情況分析,漿液擴散半徑小于24 m。但由于陷落柱導水性弱,而且通過注漿,陷落柱空隙已得到充填加固,如6#孔終孔時注漿前壓水壓力5～6 MPa,不進漿。

從圖2和圖3可以看出,隨著注漿量越來越大,注漿壓力也越來越大,最終注漿量不變,注漿壓力也保持穩定。最開始的1.5 h是注漿的初始階段,注漿量迅速增大,漿液快速在陷落柱空隙內運移,注漿壓力也隨之增大。1.5 h后,注漿量緩慢增加,該階段,漿液主要填充陷落柱內的小空隙。在壓力作用下,漿液逐步填滿細小裂縫,最終注漿量保持穩定,

圖2 1號陷落柱探注孔注漿壓力隨時間變化曲線圖Fig.2 Curves of grouting pressure in detection and injection boreholes of No.1 collapse column

圖3 1號陷落柱探注孔注漿量隨時間變化曲線圖Fig.3 Curves of grouting volume in detection and injection boreholes of No.1 collapse column

其中2#孔注漿量最小為2.3 m3,6#孔注漿量最大為12.1 m3。4 h后注漿壓力和注漿量基本保持不變,說明陷落柱空隙已經被充分填充。其中8#孔注漿壓力最小為2 MPa,6#孔注漿壓力最大為5 MPa,0#、5#、7#、9#孔注漿壓力相同為4.5 MPa。

2.3 底鼓開裂區探注孔治理技術

底鼓開裂區初步設計2個探注孔,兩孔相距36 m。根據情況,又在底鼓1#探孔和陷落柱之間增加一個探注孔(底板探3#)(圖4,圖5),開孔位置在底板探1#西23.7 m。其中:底鼓區1#探注孔(底板探1#孔)孔口位置在1號陷落柱東40.8 m,該孔再往東36 m便是底鼓區2#探注孔(底板探2#孔)孔口位置。底板探1#孔、底板探2#孔的方位角均為90°,俯角均為60°,孔深分別為43.3 m、40.4 m。底鼓區3#探注孔,參數同底鼓區1#探注孔(底板探1#)。從底鼓區探注孔用漿量隨時間變化曲線圖可以看出,底板探孔注漿量隨時間逐漸增大,而且注漿量在最開始1.5 h內急劇增大,在這個階段注漿壓力也迅速增大。其中,底板3#孔最高可以達到3.5 MPa,這是因為在注漿初始階段,漿液在底板底鼓裂隙發育區以及溶腔區域內運移迅速,連通性比較好的裂隙區為這個階段漿液的主要運移通道;隨著注漿時間增大,注漿量和注漿壓力增長速度逐漸變緩,直到注漿持續4 h以后,3個孔的注漿量均不再增加。其中,3#孔注漿量最少為11.6 m3,1#孔注漿量最大為23.8 m3。底板探孔注漿壓力在5 h達到穩定,其中,1#孔注注漿壓力最小為2 MPa,1#、3#孔注漿壓力相同為3.5 MPa。在這個階段,底板底鼓區連通性較好的裂隙及較大規模的溶隙基本被全部漿液充滿,發育較小的裂隙及連通性較差的裂隙區在注漿壓力的作用下,逐漸被填滿,直至漿液量和壓力不變為止。

圖4 1號底鼓區探注孔用漿量隨時間變化曲線圖Fig.4 Curves of slurry volume for detection and injection boreholes in No.1 heave area

圖5 1號底鼓區探注孔注漿壓力隨時間變化曲線圖Fig.5 Curves of grouting pressure of detection and injection boreholes in No.1 heave area

2.3.1底鼓開裂區打鉆注漿完成情況

由于底鼓區底板裂縫較寬,所以先直接對著裂縫進行了無壓灌漿,為底板打探孔注漿創造有利條件,減少或盡量避免因底板跑漿而中斷注漿的現象,提高注漿效率。

據調查資料及現場檢查,底鼓區主要裂縫有7條,自東向西依次編號為0#～6#。其中,0#裂縫是底板裂縫出水點;6#、5#裂縫較寬達60～80 mm;4#、1#裂縫次之;3#、2#裂縫較窄。首先對最寬的5#裂縫進行直接無壓灌注水泥漿,共灌注水泥和膨脹劑5 t、水玻璃200 kg。然后灌注6#裂縫和1#、4#裂縫,共灌注水泥和膨脹劑1.2 t。累計灌注裂縫用水泥和膨脹劑6.2 t、水玻璃200 kg。其余裂縫較小,而且裂縫里已有煤碴進入,未能繼續進行無壓灌注,只能采用打孔注漿的方式進行。

2.3.2底鼓區施工情況

1)底鼓區1#探孔。底鼓區1#探孔打鉆開孔時卡鉆嚴重,孔口不返水,需灌水泥漿再打。繼續打孔至孔深13.5 m(垂深11.5 m)時又不返水,需先注漿,注漿量大,注入水泥及膨脹劑12 t、水玻璃50 kg,注漿壓力僅0.5 MPa。底鼓區1#探孔鉆進至終孔43.5 m時,對全孔注漿一次,注水泥及膨脹劑4.5 t,終壓2 MPa。

2)底鼓區2#探孔。底板探2#孔擴孔至11 m固管后,掃孔鉆進至孔深16 m(垂深13.9 m)出水1.1 m3/h,繼續鉆進至孔深20 m注漿,注水泥及膨脹劑0.5 t。然后掃孔鉆進至26 m(垂深22.5 m)又出水1.8 m3/h,繼續鉆進至終孔40 m,壓水壓力為0,注漿壓力為0。停泵查看壓力表正常。打開孔口閥看孔內漿液漏下2 m,但灌水不漏。

底板探3#孔打鉆孔深5～6 m卡鉆嚴重,孔深19 m注漿一次,繼續鉆進至終孔43 m無水,注漿。該孔共注水泥及膨脹劑8.7 t。注漿終壓3.5 MPa。

2.3.3施工效果評價

完成的2個底鼓區探注孔中,明顯出水孔有1個,底板探2#孔,孔深16 m(垂深13.5 m)出水1.1 m3/h,繼續鉆進至孔深20 m注漿。然后掃孔鉆進至26 m(垂深22.5 m)又出水1.8 m3/h,繼續鉆進至終孔40 m,壓水壓力為0。

根據探測資料,1號陷落柱東邊35 m是90102運輸機巷底鼓開裂區,底鼓區范圍約60 m。但在陷落柱注漿治理施工中,陷落柱東邊在巷道底板上開孔的6#孔(孔口距陷落柱8.5 m)打鉆注漿時發現,底鼓開裂區范圍已擴展至陷落柱東側邊界內。

底鼓區3個探注孔進漿量較大,注漿加固效果會很明顯。從底板探1#孔的情況看,注漿前,抵抗水壓為0.5 MPa,注漿后可達2.0 MPa。從底板探2#孔的情況看,注漿前,垂深22.5 m處抵抗水壓僅為0,注漿后可達3.5 MPa。但由于底鼓區注漿僅能解決運輸機巷范圍,對于90102回采面內部發生底鼓,則未能起到作用,特別是底鼓可發生在回采以后可能會有所發育。因此,底鼓區主要取決于9#煤底板20 m以下隔水層隔水能力。

通過對研究區地質及水文地質條件的綜合分析,對待采工作面面臨的水害危險性進行了分級,對工作面陷落柱、底鼓區等作為重點探查治理區段,進行專項探查治理。對于危險區以外的區域,結合物探成果開展針對性的探查驗證工作。通過上述工作的開展,保障了90102工作面的安全回采。表明了上述奧灰水害陷落柱探查治理思路的可行性,可以為礦井奧灰陷落柱水害防治工作提供參考。

3 結論

1)90102工作面1號陷落柱及底鼓區截堵工程的施工效果良好,可觀察到工作面內有出水點消失。由此可見,陷落柱探查-導水性研究-注漿堵截的陷落柱防治技術理論體系是可行的,能夠實現突水威脅通道截堵,確保礦井的安全生產。

2)區域內陷落柱總體膠結程度好,充填密實,不富水也不導水,因此注漿量偏小,擴散半徑小,但由于陷落柱導水性弱,而且通過注漿,陷落柱空隙已得到充填加固,具有足夠的隔水能力。在注漿施工過程中,研究發現重點在柱體下段,通過形成阻隔塞,確保注漿段位于底板破壞帶以下,避免水平孔及順層注漿。

3)通過礦區的底板陷落柱注漿堵截現場實踐,礦區范圍內巖體具有可注性特征,即通過注漿堵截、改造,可以實現底板加固,進而提升底板抗破壞能力,為朔州地區陷落柱治理提供技術示范成果。