武程亮，滕子軍，張瑞廷，牟海萍

（1.山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東濟(jì)寧272000；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東濟(jì)南250109；3.山東省礦山鉆探應(yīng)急救援中心，山東濟(jì)寧272000；4.山東省非煤礦山事故防范技術(shù)中心，山東 濟(jì)南250109）

礦井突水是掘進(jìn)或采礦過程中揭穿導(dǎo)水?dāng)嗔选⑾萋渲?、富水溶洞、積水老窿，大量地下水突然涌入礦山井巷的現(xiàn)象［1-3］，是礦山的主要災(zāi)害之一。礦山突水后，綜合分析礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料，準(zhǔn)確判斷突水水源和突水通道，并采取快捷有效的手段根除水患是不二的選擇。本文以山東霄云煤礦一次較大突水事故的治理為例，探討自地面鉆井、建造井下混凝土帽、注漿封堵導(dǎo)水通道，從而治理陷落柱導(dǎo)水的方法。

1 基本情況

霄云煤礦2008 年建設(shè)，2013 年7 月投產(chǎn)。井田面積23.4251 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬t/年。礦井水文地質(zhì)類型、地質(zhì)類型均為中等類型，礦井正常涌水量226 m3/h、最大涌水量339 m3/h。

2018 年9 月10 日22 時(shí)45 分，1313 采煤工作 面底板滲水，出水量約10 m3/h。后水量逐漸增加至1500 m3/h 左右，峰時(shí)突水量達(dá)到3673 m3/h，至9 月11 日21 時(shí)56 分，礦井中央泵房失守，造成淹井事故。事故直接經(jīng)濟(jì)損失2566.14 萬元，無人員傷亡。

突水工作面為1313 工作面，位于一采區(qū)西翼，為條帶綜采面，開采煤層為山西組3 號(hào)煤層，工作面標(biāo)高-595.00～-674.00 m，煤層平均傾角21°，煤厚0.60～5.50 m，平均煤厚3.80 m，工作面走向長(zhǎng)度1240.00 m，傾向長(zhǎng)度64.00 m。1313 工作面已回采90.00 m，南與1309 工作面之間留有70.00 m 保護(hù)煤柱，北與1307 工作面留有4.00 m 保護(hù)煤柱（見圖1），1307 工作面和1309 工作面均已回采完。

圖1 工作面示意Fig.1 Working face sketch

根據(jù)1313 工作面附近79-4 鉆孔揭露的地層情況，結(jié)合井田內(nèi)其它資料，礦區(qū)地層如表1 所示。

工作面水文地質(zhì)特征：

新生界雖然含水層較多，但新生界中單層厚度＞5.00 m 的粘土隔水層占總厚度的76%。同時(shí)在新生界底部有厚達(dá)十幾米的粘土層，回采范圍內(nèi)新生界底部也不具有天窗。3 號(hào)煤頂板砂巖裂隙含水層含水性極弱，系統(tǒng)連通性較差。三灰抽水成果反映為弱含水層，且3#煤距三灰42.00 m，之間有數(shù)層泥巖，大于安全隔水層厚度。工作面揭露的9 個(gè)斷層導(dǎo)水性含水性亦較差。工作面與1307 工作面老空區(qū)相鄰，在1307 傾向上方。1307 老空水積水線在1313 垂直標(biāo)高5.00 m 下。位于1309 老空區(qū)傾斜下方，兩者間隔70.00 m 煤柱，滿足防水煤柱要求。奧灰含水層是公認(rèn)的區(qū)域性強(qiáng)含水層，區(qū)域厚度＞460.00 m，井田內(nèi)3 號(hào)煤底到奧灰頂?shù)娜尉嗉s202.00 m。工作面內(nèi)揭露3 條巖漿巖巖脈，受其影響，在采動(dòng)影響下易形成導(dǎo)水裂隙溝通3#煤頂板砂巖裂隙含水層。

2 突水水源與突水通道判斷

1313 工作面無地面鉆孔，且兩順槽掘進(jìn)中已揭露的9 條斷層均不導(dǎo)水［4］。

礦井突水后，礦井的奧灰水位長(zhǎng)期觀測(cè)孔水位急劇下降，達(dá)到每小時(shí)下降1.5 m，累計(jì)下降215.0 m，證明礦井突水水源為奧灰水。

通過對(duì)突水水質(zhì)化驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)分析，突水水源為奧灰水。

表1 井田地層情況Table 1 Strata in the well field

通過測(cè)量突水的水溫，發(fā)現(xiàn)稍高于老空滲水的溫度，說明為煤層底板以下地層來水。

綜上，突水水源可以明確為奧灰水，突水通道為隱伏性未探知的地質(zhì)構(gòu)造。

3 鉆探與堵水設(shè)計(jì)

3.1 鉆探方案

總體方案：對(duì)工作面突水點(diǎn)進(jìn)行蓋帽封堵，對(duì)突水通道進(jìn)行注漿封堵。設(shè)計(jì)定向鉆孔4 個(gè)，2 個(gè)蓋帽孔，2 個(gè)突水通道注漿孔?？仔途鶠槎ㄏ蚩住Ｉw帽孔穿至采空區(qū)，通道孔至3 號(hào)煤底板下115.00 m。鉆孔位置布置見圖2。

2 個(gè)蓋帽鉆孔XY-3、XY-4：鉆孔鉆穿突水點(diǎn)附近上方的采空區(qū)頂板，通過向突水點(diǎn)附近的采空區(qū)注入石子、砂子、水泥等建造混凝土柱，封堵出水點(diǎn)。同時(shí)兼作頂板導(dǎo)水裂隙帶、頂板垮落帶高度的探測(cè)孔。XY-3、XY-4 鉆孔結(jié)構(gòu)見表2，設(shè)計(jì)深度分別是712.63 m 和707.17 m。

圖2 4 個(gè)鉆孔軌跡平面Fig.2 Trajectory plan of the four bore holes

表2 蓋帽孔XY-3、XY-4 鉆孔結(jié)構(gòu)Table 2 Structure of capping holes XY-3 and XY-4

2 個(gè)突水通道注漿孔XY-1、XY-2：施工的目的是鉆尋突水通道，發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失量＞5.0 m3/h 時(shí)，加密觀測(cè)鉆井液的漏失量，當(dāng)鉆井液的漏失量＞10.0 m3/h 時(shí)，停止鉆進(jìn)，注漿封堵導(dǎo)水通道［5-10］。同時(shí)探測(cè)3#煤層底板下三灰層位、厚度及下伏巖層層位情況。XY-1 孔的第一靶點(diǎn)位置位于出水點(diǎn)以下垂直距離25.0 m 處，終孔于3#煤底板下115.0 m。XY-2 孔的第一靶點(diǎn)位置為出水點(diǎn)垂直向下的三灰層位，終孔于3#煤底板下115.0 m。XY-1、XY-2 鉆孔結(jié)構(gòu)見表3，設(shè)計(jì)深度分別是827.65 m 和857.76 m。

表3 注漿孔XY-1、XY-2 鉆孔結(jié)構(gòu)Table 3 Structure of grouting holes XY-1 and XY-2

3.2 蓋帽注漿方法與工藝

3.2.1 蓋帽方案

蓋帽注漿材料有石子、砂子及水泥，水泥、砂子和石子用量參照常規(guī)混凝土，質(zhì)量比為1∶1∶2.5。

石子：采用米石，粒徑5 mm 左右，最大粒徑不超過10 mm，石子應(yīng)選用一次成材的堅(jiān)硬灰?guī)r，顆粒均勻，呈棱角狀。

砂子：應(yīng)選用干凈的中細(xì)河砂，含泥量不應(yīng)超過3%。

水泥：標(biāo)號(hào)為PO42.5（R）普通硅酸鹽水泥，不變質(zhì)，不過期，水泥漿按水灰比1∶1。

3.2.2 蓋帽工藝

3.2.2.1 注骨料

（1）骨料要用篩子篩選，并按要求比例混合均勻。

（2）注骨料時(shí)，在孔內(nèi)下入?50 mm 鉆桿，鉆桿底口必須在所填充層上部0.50 m 左右。采用加料漏斗水沖式下骨料。定期開泵通過鉆桿往孔內(nèi)壓水，并不斷串動(dòng)鉆具，探測(cè)骨料堆積高度，并將骨料排入采空區(qū)內(nèi)。

3.2.2.2 旋噴注漿

采空區(qū)填滿后，要用比其上孔徑小兩級(jí)的無心鉆具下鉆進(jìn)行掃孔旋噴。水泥漿液密度控制在1.70 g/cm3左右。水泥候凝6～8 h 后，掃孔到底，進(jìn)行第二次旋噴，如此反復(fù)多次，直到孔口返漿為止。

3.2.2.3 掃孔探孔注水

等混凝土凝固48 h 后，掃孔探孔深并做注水試驗(yàn)，當(dāng)吸水量＞20 L/min 時(shí)，應(yīng)重復(fù)注骨料和旋噴注漿。

3.2.3 注漿壓力

第一次旋噴注漿，不做注漿壓力要求；一次或多次注漿后，漏失量明顯減小或有明顯起壓后，注漿終壓可逐步提高（每次2.0 MPa），直至設(shè)計(jì)終壓，證實(shí)蓋帽成功。

蓋帽成功后，鉆穿帽體，向下鉆進(jìn)，尋找通道，轉(zhuǎn)為封堵通道注漿［11-14］。

3.3 通道鉆孔注漿方法與工藝

3.3.1 注漿方法與工藝

封堵突水通道鉆孔，采用下行式注漿，逢漏（漏失量＞10.0 m3/h）注漿封堵，采取間歇注漿、復(fù)掃、復(fù)注的方式，達(dá)到注漿終止條件為止。凝固24 h后，繼續(xù)鉆進(jìn)，遇漏重復(fù)注漿，直至設(shè)計(jì)終孔深度為止。

3.3.2 注漿材料

通道孔采用普通硅酸鹽水泥單液漿，水灰比根據(jù)實(shí)際漏失量選擇由2∶1～0.7∶1，對(duì)應(yīng)漿液密度1.29～1.65 g/cm3。應(yīng)先稀后稠，從水灰比2∶1 開始，注漿泵起壓一般不大于1.0 MPa，以無壓注漿為宜。

當(dāng)單個(gè)漏失點(diǎn)注入水泥漿量＞2000.0 t，且大流量（60.0 m3/h）注漿仍不起壓時(shí)，調(diào)稠水灰比至1∶1。

當(dāng)單個(gè)漏失點(diǎn)注入水泥漿量累計(jì)達(dá)到3000.0t，且大流量（60.0 m3/h）注漿仍不起壓時(shí)，添加速凝材料（水玻璃）。

3.3.3 注漿壓力

鑒于出水點(diǎn)工作面南側(cè)有采空區(qū)，出水點(diǎn)距三灰又較近，推斷三灰為間接導(dǎo)水通道，底板遭受破壞，壓力過大，易使底板破壞加劇，壓力太小，又影響進(jìn)漿量，綜合考慮確定注漿終壓為靜水壓的1.5倍（靜止水壓約6.5 MPa，設(shè)計(jì)終壓10.5 MPa）。當(dāng)注漿壓力達(dá)設(shè)計(jì)終壓且吸漿量＜50 L/min 時(shí)，終止注漿。

4 堵水效果

4.1 中靶點(diǎn)分布及注漿量

2 個(gè)蓋帽鉆孔XY-3、XY-4 揭露采空區(qū)位置與設(shè)計(jì)偏差分別為0.90 m 和2.50 m。2 個(gè)通道注漿鉆孔XY-1 號(hào)孔揭露煤層落點(diǎn)距離出水點(diǎn)16.68 m 處；XY-2 號(hào)因設(shè)計(jì)躲過采空區(qū)，繞過1313 工作面軌道順槽，揭露煤層點(diǎn)位于采空區(qū)外，距出水點(diǎn)約71.15 m 處（見圖2）。

根據(jù)注漿位置與通道的連通性分析，在巷道底板以上20.00 m 范圍內(nèi)均與采空區(qū)連通，該階段的注漿統(tǒng)計(jì)為蓋帽孔注漿量（包括通道孔在該范圍內(nèi)的注漿量），4 孔合計(jì)蓋帽注漿量15319.0 m3；4 個(gè)鉆孔在通道位置合計(jì)注漿量為36394.2 m3（見表4～7）。

表4 XY-1 孔注漿統(tǒng)計(jì)Table 4 Grouting data of XY-1

4.2 帽體防隔水能力評(píng)價(jià)

4.2.1 采空區(qū)充填系數(shù)

采空區(qū)體積（包括周邊巷道）計(jì)算：在采掘圖上用CAD 軟件直接讀取采空區(qū)面積（S=7406.0 m2），再乘以采掘厚度（m=4.0 m）。

考慮1313 采空區(qū)為現(xiàn)采采空區(qū)，頂板為軟巖，隨采掘及時(shí)垮落，采空區(qū)垮落后空隙計(jì)算系數(shù)取a=0.5，采空區(qū)垮落后可充填空隙體積：

由于采空區(qū)與兩巷連通，注漿沿兩巷延伸，兩巷各方向充填長(zhǎng)度按100.0 m 計(jì)算，巷道寬4.0 m，巷道高2 m，體積應(yīng)為：V2=3200.0 m3。

表5 XY-2 孔注漿統(tǒng)計(jì)Table 5 Grouting data of XY-2

表6 XY-3 孔注漿統(tǒng)計(jì)表Table 6 Grouting data of XY-3

表7 XY-4 孔注漿統(tǒng)計(jì)表Table 7 Grouting data of XY-4

采空區(qū)應(yīng)充填的空間應(yīng)為：V采=V1+V2=18012.0 m3。

蓋 帽 總 注 漿 量：V總=15319.0 m3，采 空 區(qū) 充 填系 數(shù) 為：b=V總/V采=15319.0÷18012.0×100%=85%。

4.2.2 帽體防隔水能力評(píng)價(jià)

4.2.2.1 防隔水煤柱尺寸

按《煤礦防治水細(xì)則》附錄六之二［15］計(jì)算該處防隔水煤柱所需寬度：

式中：L——煤柱的留設(shè)寬度，m；K——安全系數(shù)，一般取2～5，本次取最大值5；M——煤層厚度或者采高，1313 工作面煤層采厚4.0 m；p——實(shí)際水頭值，按工作面標(biāo)高位置奧灰水頭值應(yīng)為6.5 MPa；Kp——煤的抗拉強(qiáng)度，按經(jīng)驗(yàn)取值1.0 MPa。

根據(jù)以上取值，計(jì)算所需防隔水煤柱寬度為44.15 m。

按出水點(diǎn)周圍充填效果較好，帽體與停采線前煤層組合成一體，視為防隔水煤柱，寬度按100.0 m考慮，遠(yuǎn)大于安全防隔水煤柱寬度。

4.2.2.2 帽體抵抗壓力分析

XY-1 孔在蓋帽段（煤層底板20.0 m 以上）注漿5 次，4 次注漿終壓≥9.0 MPa，大于工作面處奧灰水頭壓力（6.5 MPa），且最大壓力12.0 MPa 未擊穿蓋帽體與煤層組合的防隔水煤柱。多次起壓后仍有消耗，推斷為起壓過程中水柱壓力加地面注漿泵壓力之和在16.0～19.0 MPa 之間，大于煤層的抗拉強(qiáng)度，在煤層造縫所致，最終漏失量＜l.0 L/min。XY-2 孔在蓋帽完成后，注漿1 次，終止壓力13.5 MPa，加漿柱壓力達(dá)20 MPa，不漏失。蓋帽足夠抵抗奧灰水壓。

4.3 突水通道隔水能力計(jì)算

4.3.1 通道類型分析

本工作面布置在斷層保護(hù)煤柱之外，附近也沒有落差超過5.0 m 以上的斷層，因此認(rèn)為本次突水不是斷層引起的突水。

據(jù)礦井水文地質(zhì)資料，三灰、八灰、十下灰等灰?guī)r地層富水性較弱，未發(fā)現(xiàn)有大的溶洞，裂隙不會(huì)存儲(chǔ)超過36000.0 m3的水泥漿，推斷在鉆孔軌跡附近存在大的導(dǎo)水構(gòu)造。

通道注漿過程中，吸漿量大，注漿時(shí)間長(zhǎng)，井口產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象，說明通道十分暢通。

綜上，認(rèn)為導(dǎo)水構(gòu)造是隱伏陷落柱的可能性最大（參見圖3）。

圖3 陷落柱示意Fig.3 Sketch of the collapse column

4.3.2 通道加固垂直高度

XY-1 號(hào)孔終孔于煤層底板以下垂直深度115.35 m，XY-2 號(hào)孔終孔于煤層底板以下垂直深度120.09 m，按水泥漿下行30.0 m（巖石裂隙中最小值）計(jì)算，兩孔加固垂直高度應(yīng)分別為145.35 m 和150.09 m。

4.3.3 通道內(nèi)密實(shí)程度分析

XY-1 號(hào)孔經(jīng)多次注漿封堵通道后終壓達(dá)到12.0 MPa，XY-2 號(hào)孔經(jīng)多次注漿封堵通道后，終壓達(dá)到13.5 MPa，注漿終壓時(shí)吸漿量均小于設(shè)計(jì)終止吸漿量。

4.3.4 通道注漿后隔水能力評(píng)價(jià)

按《煤礦防治水細(xì)則》附錄五之二［14］突水系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算突水系數(shù)：

式中：Ts——突水系數(shù)；P——底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，取3#煤底板以下145.35 m，對(duì)應(yīng)標(biāo)高-795.35 m，換算成奧灰水壓約為7.95 MPa（奧灰水位標(biāo)高-13.30 m）；M——底板隔水層厚度，取145.35 m。

經(jīng)計(jì)算，突水系數(shù)為0.055 MPa/m，小于《煤礦防治水細(xì)則》一般不大于0.06 MPa/m 的要求。另外，既有蓋帽，又有通道注漿，帽體與通道內(nèi)的充填物及水泥已連結(jié)為一體，足夠抵抗奧灰水壓。

4.4 副井排水過程對(duì)堵水效果的驗(yàn)證

注漿封堵前后奧灰長(zhǎng)觀孔水位和副井水位的變化見圖4。

圖4 副井排水過程中奧灰長(zhǎng)觀孔和副井水位變化趨勢(shì)（2018 年9 月10 日—12 月18 日）Fig.4 Water level change in the ordovician limestone observation hole and the auxiliary well during dewatering with the auxiliary well

據(jù) 圖4，2018 年10 月1 日-12 月18 日 奧 灰 水 位值擬合曲線，直觀地反映了奧灰水位的上漲趨勢(shì)，中間未發(fā)現(xiàn)受副井井筒排水影響，說明奧灰水與井下空間的導(dǎo)水通道已基本封堵。

2018 年11 月11 日、27 日 和12 月12 日 分 別 化 驗(yàn)了副井抽水水質(zhì)，通過對(duì)比原井下老空水、奧灰水和1313 工作面突水，發(fā)現(xiàn)Na+離子有較大幅度上升，Ca2+離子有大幅降低，Mg2+離子有小幅降低，Cl-離子有小幅降低，SO42-離子有小幅降低，HCO3-離子有大幅上升。分析水質(zhì)變化的原因認(rèn)為：奧灰水以高Ca2+、高SO42-、高礦化度和pH 值7～9 為主要特征（石灰?guī)rCaCO3，白云石（CaMg）CO3，石膏CaSO4）。砂巖裂隙水和老空水缺少Ca2+離子來源，水中富含HCO3-離子（平均約15 mol/L）。隨著副井排水，HCO3-離子和Ca2+離子結(jié)合生成CaCO3沉淀，造成Ca2+濃度急劇下降。由此說明奧灰水的補(bǔ)給已經(jīng)減小。

5 結(jié)論及建議

（1）對(duì)突水點(diǎn)周圍鉆孔資料和斷層發(fā)育情況進(jìn)行分析，否定了鉆孔、斷層構(gòu)造導(dǎo)水的可能性。突水事故發(fā)生后，通過水位、水溫及水質(zhì)化驗(yàn)分析［15］，判斷本次突水水源為奧灰水。注漿時(shí)吸漿量大、孔口顯負(fù)壓，說明突水通道較大，而且暢通，斷定突水通道為隱伏的陷落柱。

（2）4 個(gè)鉆孔的軌跡和注漿終壓、注漿結(jié)束時(shí)吸漿量均滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）副井排水過程證實(shí)，奧灰水已有效封堵；治理后的防隔水煤柱滿足《煤礦防治水細(xì)則》的要求。

（4）恢復(fù)生產(chǎn)期間，要加強(qiáng)對(duì)封堵區(qū)域的水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。

（5）進(jìn)一步完善礦井的水文觀測(cè)系統(tǒng)，為礦井的防治水提供依據(jù)。