山东霄云煤矿陷落柱突水治理实践

武程亮，滕子军，张瑞廷，牟海萍

（1.山东省煤田地质局第二勘探队，山东济宁272000；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南250109；3.山东省矿山钻探应急救援中心，山东济宁272000；4.山东省非煤矿山事故防范技术中心，山东 济南250109）

矿井突水是掘进或采矿过程中揭穿导水断裂、陷落柱、富水溶洞、积水老窿，大量地下水突然涌入矿山井巷的现象［1-3］，是矿山的主要灾害之一。矿山突水后，综合分析矿山地质、水文地质、工程地质资料，准确判断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选择。本文以山东霄云煤矿一次较大突水事故的治理为例，探讨自地面钻井、建造井下混凝土帽、注浆封堵导水通道，从而治理陷落柱导水的方法。

1 基本情况

霄云煤矿2008 年建设，2013 年7 月投产。井田面积23.4251 km2，矿井设计生产能力90 万t/年。矿井水文地质类型、地质类型均为中等类型，矿井正常涌水量226 m3/h、最大涌水量339 m3/h。

2018 年9 月10 日22 时45 分，1313 采煤工作 面底板渗水，出水量约10 m3/h。后水量逐渐增加至1500 m3/h 左右，峰时突水量达到3673 m3/h，至9 月11 日21 时56 分，矿井中央泵房失守，造成淹井事故。事故直接经济损失2566.14 万元，无人员伤亡。

突水工作面为1313 工作面，位于一采区西翼，为条带综采面，开采煤层为山西组3 号煤层，工作面标高-595.00～-674.00 m，煤层平均倾角21°，煤厚0.60～5.50 m，平均煤厚3.80 m，工作面走向长度1240.00 m，倾向长度64.00 m。1313 工作面已回采90.00 m，南与1309 工作面之间留有70.00 m 保护煤柱，北与1307 工作面留有4.00 m 保护煤柱（见图1），1307 工作面和1309 工作面均已回采完。

图1 工作面示意Fig.1 Working face sketch

根据1313 工作面附近79-4 钻孔揭露的地层情况，结合井田内其它资料，矿区地层如表1 所示。

工作面水文地质特征：

新生界虽然含水层较多，但新生界中单层厚度＞5.00 m 的粘土隔水层占总厚度的76%。同时在新生界底部有厚达十几米的粘土层，回采范围内新生界底部也不具有天窗。3 号煤顶板砂岩裂隙含水层含水性极弱，系统连通性较差。三灰抽水成果反映为弱含水层，且3#煤距三灰42.00 m，之间有数层泥岩，大于安全隔水层厚度。工作面揭露的9 个断层导水性含水性亦较差。工作面与1307 工作面老空区相邻，在1307 倾向上方。1307 老空水积水线在1313 垂直标高5.00 m 下。位于1309 老空区倾斜下方，两者间隔70.00 m 煤柱，满足防水煤柱要求。奥灰含水层是公认的区域性强含水层，区域厚度＞460.00 m，井田内3 号煤底到奥灰顶的全段距约202.00 m。工作面内揭露3 条岩浆岩岩脉，受其影响，在采动影响下易形成导水裂隙沟通3#煤顶板砂岩裂隙含水层。

2 突水水源与突水通道判断

1313 工作面无地面钻孔，且两顺槽掘进中已揭露的9 条断层均不导水［4］。

矿井突水后，矿井的奥灰水位长期观测孔水位急剧下降，达到每小时下降1.5 m，累计下降215.0 m，证明矿井突水水源为奥灰水。

通过对突水水质化验的各项指标分析，突水水源为奥灰水。

表1 井田地层情况Table 1 Strata in the well field

通过测量突水的水温，发现稍高于老空渗水的温度，说明为煤层底板以下地层来水。

综上，突水水源可以明确为奥灰水，突水通道为隐伏性未探知的地质构造。

3 钻探与堵水设计

3.1 钻探方案

总体方案：对工作面突水点进行盖帽封堵，对突水通道进行注浆封堵。设计定向钻孔4 个，2 个盖帽孔，2 个突水通道注浆孔。孔型均为定向孔。盖帽孔穿至采空区，通道孔至3 号煤底板下115.00 m。钻孔位置布置见图2。

2 个盖帽钻孔XY-3、XY-4：钻孔钻穿突水点附近上方的采空区顶板，通过向突水点附近的采空区注入石子、砂子、水泥等建造混凝土柱，封堵出水点。同时兼作顶板导水裂隙带、顶板垮落带高度的探测孔。XY-3、XY-4 钻孔结构见表2，设计深度分别是712.63 m 和707.17 m。

图2 4 个钻孔轨迹平面Fig.2 Trajectory plan of the four bore holes

表2 盖帽孔XY-3、XY-4 钻孔结构Table 2 Structure of capping holes XY-3 and XY-4

2 个突水通道注浆孔XY-1、XY-2：施工的目的是钻寻突水通道，发现钻井液漏失量＞5.0 m3/h 时，加密观测钻井液的漏失量，当钻井液的漏失量＞10.0 m3/h 时，停止钻进，注浆封堵导水通道［5-10］。同时探测3#煤层底板下三灰层位、厚度及下伏岩层层位情况。XY-1 孔的第一靶点位置位于出水点以下垂直距离25.0 m 处，终孔于3#煤底板下115.0 m。XY-2 孔的第一靶点位置为出水点垂直向下的三灰层位，终孔于3#煤底板下115.0 m。XY-1、XY-2 钻孔结构见表3，设计深度分别是827.65 m 和857.76 m。

表3 注浆孔XY-1、XY-2 钻孔结构Table 3 Structure of grouting holes XY-1 and XY-2

3.2 盖帽注浆方法与工艺

3.2.1 盖帽方案

盖帽注浆材料有石子、砂子及水泥，水泥、砂子和石子用量参照常规混凝土，质量比为1∶1∶2.5。

石子：采用米石，粒径5 mm 左右，最大粒径不超过10 mm，石子应选用一次成材的坚硬灰岩，颗粒均匀，呈棱角状。

砂子：应选用干净的中细河砂，含泥量不应超过3%。

水泥：标号为PO42.5（R）普通硅酸盐水泥，不变质，不过期，水泥浆按水灰比1∶1。

3.2.2 盖帽工艺

3.2.2.1 注骨料

（1）骨料要用筛子筛选，并按要求比例混合均匀。

（2）注骨料时，在孔内下入Ø50 mm 钻杆，钻杆底口必须在所填充层上部0.50 m 左右。采用加料漏斗水冲式下骨料。定期开泵通过钻杆往孔内压水，并不断串动钻具，探测骨料堆积高度，并将骨料排入采空区内。

3.2.2.2 旋喷注浆

采空区填满后，要用比其上孔径小两级的无心钻具下钻进行扫孔旋喷。水泥浆液密度控制在1.70 g/cm3左右。水泥候凝6～8 h 后，扫孔到底，进行第二次旋喷，如此反复多次，直到孔口返浆为止。

3.2.2.3 扫孔探孔注水

等混凝土凝固48 h 后，扫孔探孔深并做注水试验，当吸水量＞20 L/min 时，应重复注骨料和旋喷注浆。

3.2.3 注浆压力

第一次旋喷注浆，不做注浆压力要求；一次或多次注浆后，漏失量明显减小或有明显起压后，注浆终压可逐步提高（每次2.0 MPa），直至设计终压，证实盖帽成功。

盖帽成功后，钻穿帽体，向下钻进，寻找通道，转为封堵通道注浆［11-14］。

3.3 通道钻孔注浆方法与工艺

3.3.1 注浆方法与工艺

封堵突水通道钻孔，采用下行式注浆，逢漏（漏失量＞10.0 m3/h）注浆封堵，采取间歇注浆、复扫、复注的方式，达到注浆终止条件为止。凝固24 h后，继续钻进，遇漏重复注浆，直至设计终孔深度为止。

3.3.2 注浆材料

通道孔采用普通硅酸盐水泥单液浆，水灰比根据实际漏失量选择由2∶1～0.7∶1，对应浆液密度1.29～1.65 g/cm3。应先稀后稠，从水灰比2∶1 开始，注浆泵起压一般不大于1.0 MPa，以无压注浆为宜。

当单个漏失点注入水泥浆量＞2000.0 t，且大流量（60.0 m3/h）注浆仍不起压时，调稠水灰比至1∶1。

当单个漏失点注入水泥浆量累计达到3000.0t，且大流量（60.0 m3/h）注浆仍不起压时，添加速凝材料（水玻璃）。

3.3.3 注浆压力

鉴于出水点工作面南侧有采空区，出水点距三灰又较近，推断三灰为间接导水通道，底板遭受破坏，压力过大，易使底板破坏加剧，压力太小，又影响进浆量，综合考虑确定注浆终压为静水压的1.5倍（静止水压约6.5 MPa，设计终压10.5 MPa）。当注浆压力达设计终压且吸浆量＜50 L/min 时，终止注浆。

4 堵水效果

4.1 中靶点分布及注浆量

2 个盖帽钻孔XY-3、XY-4 揭露采空区位置与设计偏差分别为0.90 m 和2.50 m。2 个通道注浆钻孔XY-1 号孔揭露煤层落点距离出水点16.68 m 处；XY-2 号因设计躲过采空区，绕过1313 工作面轨道顺槽，揭露煤层点位于采空区外，距出水点约71.15 m 处（见图2）。

根据注浆位置与通道的连通性分析，在巷道底板以上20.00 m 范围内均与采空区连通，该阶段的注浆统计为盖帽孔注浆量（包括通道孔在该范围内的注浆量），4 孔合计盖帽注浆量15319.0 m3；4 个钻孔在通道位置合计注浆量为36394.2 m³（见表4～7）。

表4 XY-1 孔注浆统计Table 4 Grouting data of XY-1

4.2 帽体防隔水能力评价

4.2.1 采空区充填系数

采空区体积（包括周边巷道）计算：在采掘图上用CAD 软件直接读取采空区面积（S=7406.0 m2），再乘以采掘厚度（m=4.0 m）。

考虑1313 采空区为现采采空区，顶板为软岩，随采掘及时垮落，采空区垮落后空隙计算系数取a=0.5，采空区垮落后可充填空隙体积：

由于采空区与两巷连通，注浆沿两巷延伸，两巷各方向充填长度按100.0 m 计算，巷道宽4.0 m，巷道高2 m，体积应为：V2=3200.0 m3。

表5 XY-2 孔注浆统计Table 5 Grouting data of XY-2

表6 XY-3 孔注浆统计表Table 6 Grouting data of XY-3

表7 XY-4 孔注浆统计表Table 7 Grouting data of XY-4

采空区应充填的空间应为：V采=V1+V2=18012.0 m3。

盖 帽 总 注 浆 量：V总=15319.0 m3，采 空 区 充 填系 数 为：b=V总/V采=15319.0÷18012.0×100%=85%。

4.2.2 帽体防隔水能力评价

4.2.2.1 防隔水煤柱尺寸

按《煤矿防治水细则》附录六之二［15］计算该处防隔水煤柱所需宽度：

式中：L——煤柱的留设宽度，m；K——安全系数，一般取2～5，本次取最大值5；M——煤层厚度或者采高，1313 工作面煤层采厚4.0 m；p——实际水头值，按工作面标高位置奥灰水头值应为6.5 MPa；Kp——煤的抗拉强度，按经验取值1.0 MPa。

根据以上取值，计算所需防隔水煤柱宽度为44.15 m。

按出水点周围充填效果较好，帽体与停采线前煤层组合成一体，视为防隔水煤柱，宽度按100.0 m考虑，远大于安全防隔水煤柱宽度。

4.2.2.2 帽体抵抗压力分析

XY-1 孔在盖帽段（煤层底板20.0 m 以上）注浆5 次，4 次注浆终压≥9.0 MPa，大于工作面处奥灰水头压力（6.5 MPa），且最大压力12.0 MPa 未击穿盖帽体与煤层组合的防隔水煤柱。多次起压后仍有消耗，推断为起压过程中水柱压力加地面注浆泵压力之和在16.0～19.0 MPa 之间，大于煤层的抗拉强度，在煤层造缝所致，最终漏失量＜l.0 L/min。XY-2 孔在盖帽完成后，注浆1 次，终止压力13.5 MPa，加浆柱压力达20 MPa，不漏失。盖帽足够抵抗奥灰水压。

4.3 突水通道隔水能力计算

4.3.1 通道类型分析

本工作面布置在断层保护煤柱之外，附近也没有落差超过5.0 m 以上的断层，因此认为本次突水不是断层引起的突水。

据矿井水文地质资料，三灰、八灰、十下灰等灰岩地层富水性较弱，未发现有大的溶洞，裂隙不会存储超过36000.0 m3的水泥浆，推断在钻孔轨迹附近存在大的导水构造。

通道注浆过程中，吸浆量大，注浆时间长，井口产生负压现象，说明通道十分畅通。

综上，认为导水构造是隐伏陷落柱的可能性最大（参见图3）。

图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 号孔终孔于煤层底板以下垂直深度115.35 m，XY-2 号孔终孔于煤层底板以下垂直深度120.09 m，按水泥浆下行30.0 m（岩石裂隙中最小值）计算，两孔加固垂直高度应分别为145.35 m 和150.09 m。

4.3.3 通道内密实程度分析

XY-1 号孔经多次注浆封堵通道后终压达到12.0 MPa，XY-2 号孔经多次注浆封堵通道后，终压达到13.5 MPa，注浆终压时吸浆量均小于设计终止吸浆量。

4.3.4 通道注浆后隔水能力评价

按《煤矿防治水细则》附录五之二［14］突水系数计算公式，计算突水系数：

式中：Ts——突水系数；P——底板隔水层承受的实际水头值，取3#煤底板以下145.35 m，对应标高-795.35 m，换算成奥灰水压约为7.95 MPa（奥灰水位标高-13.30 m）；M——底板隔水层厚度，取145.35 m。

经计算，突水系数为0.055 MPa/m，小于《煤矿防治水细则》一般不大于0.06 MPa/m 的要求。另外，既有盖帽，又有通道注浆，帽体与通道内的充填物及水泥已连结为一体，足够抵抗奥灰水压。

4.4 副井排水过程对堵水效果的验证

注浆封堵前后奥灰长观孔水位和副井水位的变化见图4。

图4 副井排水过程中奥灰长观孔和副井水位变化趋势（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

据 图4，2018 年10 月1 日-12 月18 日 奥 灰 水 位值拟合曲线，直观地反映了奥灰水位的上涨趋势，中间未发现受副井井筒排水影响，说明奥灰水与井下空间的导水通道已基本封堵。

2018 年11 月11 日、27 日 和12 月12 日 分 别 化 验了副井抽水水质，通过对比原井下老空水、奥灰水和1313 工作面突水，发现Na+离子有较大幅度上升，Ca2+离子有大幅降低，Mg2+离子有小幅降低，Cl-离子有小幅降低，SO42-离子有小幅降低，HCO3-离子有大幅上升。分析水质变化的原因认为：奥灰水以高Ca2+、高SO42-、高矿化度和pH 值7～9 为主要特征（石灰岩CaCO3，白云石（CaMg）CO3，石膏CaSO4）。砂岩裂隙水和老空水缺少Ca2+离子来源，水中富含HCO3-离子（平均约15 mol/L）。随着副井排水，HCO3-离子和Ca2+离子结合生成CaCO3沉淀，造成Ca2+浓度急剧下降。由此说明奥灰水的补给已经减小。

5 结论及建议

（1）对突水点周围钻孔资料和断层发育情况进行分析，否定了钻孔、断层构造导水的可能性。突水事故发生后，通过水位、水温及水质化验分析［15］，判断本次突水水源为奥灰水。注浆时吸浆量大、孔口显负压，说明突水通道较大，而且畅通，断定突水通道为隐伏的陷落柱。

（2）4 个钻孔的轨迹和注浆终压、注浆结束时吸浆量均满足设计要求。

（3）副井排水过程证实，奥灰水已有效封堵；治理后的防隔水煤柱满足《煤矿防治水细则》的要求。

（4）恢复生产期间，要加强对封堵区域的水文地质监测工作，防止次生灾害的发生。

（5）进一步完善矿井的水文观测系统，为矿井的防治水提供依据。