導(dǎo)水陷落柱突水淹井綜合治理技術(shù)

1、導(dǎo)水陷落柱突水淹井綜合治理技術(shù)1引言巖溶陷落柱是埋藏在煤系地層下部的巨厚可深巖體,在地下水溶蝕作用下,形成巨大的巖溶空洞?？斩错敳繋r層,當(dāng)其失去對(duì)上覆巖體支撐能力時(shí),上覆巖體在重力作用下向下垮落,充填于溶蝕空間中,因其剖面形態(tài)似一柱體,故稱巖溶陷落柱。我國(guó)巖溶陷落柱多發(fā)育于北方石炭二疊系煤田,在山西、河北、河南、陜西、山東、江蘇、安徽等20 多個(gè)煤田中,已發(fā)現(xiàn)陷落柱45 處,總數(shù)已接近3000 個(gè),特別是山西、河北較多,尤其以汾西兩岸、太行山兩側(cè)煤田為多,如西山礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)陷落柱1300 多個(gè),密度可達(dá)到70 個(gè)/km2 。巖溶陷落柱的這種特殊地質(zhì)現(xiàn)象的存在,不僅破壞煤層,減少可采儲(chǔ)量,巷道的掘

2、進(jìn)和煤層的開采,而且是特殊的異水通道,是很難防治的充水因素。我國(guó)開灤、焦作、皖北、徐州、邢臺(tái)等礦區(qū)都發(fā)生過(guò)特大陷落柱突水淹井事故,造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響,其中開灤范各莊礦突水淹井事故是世界采礦史上最大的一次淹井事故。盡管陷落柱突水淹井事故難以有效預(yù)防,但突水后可以采取綜合治理技術(shù)將復(fù)礦的時(shí)間大大縮短,將災(zāi)害損失降低到最低限度。本文重點(diǎn)探討我國(guó)陷落柱突水淹井的綜合治理技術(shù)。2 導(dǎo)水陷落柱的基本特征陷落柱的導(dǎo)水性可分為3 種類型;強(qiáng)充水型、邊緣充水型、弱充水型。從已發(fā)現(xiàn)的陷落柱來(lái)看,絕大多數(shù)的陷落柱是弱充水型,陷落柱內(nèi)充填物壓實(shí)緊密,風(fēng)化程度極強(qiáng),邊緣裂隙水已被疏降,煤礦在回采過(guò)程中,沒(méi)有

3、水或少量滴水;邊緣充水型的陷落柱內(nèi)充填物壓實(shí)緊密,風(fēng)化程度較強(qiáng),柱內(nèi)水力聯(lián)系不好,只是陷落柱邊緣發(fā)育的次生裂隙充水,對(duì)奧灰水的導(dǎo)通性不好,采掘工程揭露時(shí)一般以淋、滴水為主,涌水量不大;強(qiáng)充水型陷落柱內(nèi)充填物未被壓實(shí),柱內(nèi)水力聯(lián)系良好,直接導(dǎo)通奧灰高壓水,溝通了煤系地層各含水層,采掘工程一旦揭露就發(fā)生突水,水量大而穩(wěn)定,對(duì)礦井造成災(zāi)難性的淹井事故,防排水設(shè)施很難起作用,建國(guó)后我國(guó)已發(fā)生多起陷落柱突水淹井事故。3 綜合治理技術(shù)3.1 巷道截流技術(shù)打鉆命中巷道,鉆孔終孔孔徑不小于100mm ,打透巷道后先投注骨料,再注漿加壓,最后引流注漿。適用條件:陷落柱突水點(diǎn)位于獨(dú)頭巷道,巷道加固較好。關(guān)鍵技術(shù):

4、巷道的測(cè)量資料準(zhǔn)確,鉆孔定位正確,命中巷道的幾率100 %,灌注骨料先粗后細(xì),動(dòng)水條件下,可投注骨料30 50mm ,靜水條件下,可投注細(xì)砂,注骨料后期要反復(fù)捅孔,當(dāng)吸水系數(shù)小于 5 81/min?m 時(shí),方可進(jìn)行注漿。徐州張集煤礦1997 年2 月18 日礦井西-300 水平21 號(hào)煤層軌道下山發(fā)生陷落柱突水,最大突水量402 m3/min ,從發(fā)現(xiàn)淋水到淹井僅10h 。發(fā)生突水后,首先在軌道下山布置了 3 個(gè)透巷孔,注入骨料210 m3 ,在 3 個(gè)截流孔注入水泥4960t 時(shí),奧灰水水位持續(xù)上升,比副井水位高出19.5m ,表明巷道截流已見(jiàn)成效,水流由“管道流”變?yōu)椤皾B透流”,副井可以開

5、始引流注漿。引流注漿期間,又在 3 個(gè)截流孔注入水泥1629t ,為了防止陷落柱內(nèi)部奧灰水對(duì)煤系地層的影響,在陷落柱內(nèi)部相當(dāng)于奧灰頂界面附近建造“止水塞”,施工3 個(gè)鉆孔,共注入水泥2421t ,本工程累計(jì)注入水泥9010t ,堵水率100 %,整個(gè)工期歷時(shí)98d 。3.2 建立“止水塞”技術(shù)查清陷落柱的基本形態(tài)后,沿陷落柱的邊緣鉆進(jìn)至一定深度后導(dǎo)斜進(jìn)入陷落柱,在可采煤層之下一定深度建造一定厚度的“止水塞”,切斷奧灰水與煤系地層的水力聯(lián)系。適用條件:突水構(gòu)造基本確定,在巷道截流技術(shù)不能快速封堵成功的情況下,采取“止水塞”封堵方法。關(guān)鍵技術(shù):首先要判斷確定陷落柱的構(gòu)造位置,再利用定向?qū)奔夹g(shù),使

6、鉆孔的軌跡沿陷落柱的邊緣鉆進(jìn),到一定深度后再導(dǎo)斜進(jìn)入陷落柱;定向?qū)便@探技術(shù)的成功是決定堵水成功的關(guān)鍵。皖北任樓煤礦1996 年3 月4 日發(fā)生特大陷落柱突水,最大突水量達(dá)到576 m3/min ,從發(fā)生滴淋水到淹井僅8.5h 。淹井后,考慮到突水點(diǎn)附近巷道為煤巷,利用巷道截流后不能確保礦井排水后巷道截流的安全可靠性,為盡快恢復(fù)生產(chǎn),制定了在陷落柱中建立“止水塞”快速切斷水源的方案。“止水塞”的位置選在最下部可采煤層以下15 75m 砂巖段,厚60m 。沿陷落柱邊緣施工的 4 個(gè)鉆孔,從不同方向?qū)边M(jìn)入陷落柱進(jìn)行注漿,注入7600t 水泥后,經(jīng)計(jì)算60m“止水塞”附近的細(xì)小裂隙也起不到加固作用

7、。為了對(duì)“止水塞”進(jìn)行加固,實(shí)施在副井引流排水,各注漿孔正常游資,并根據(jù)副井和長(zhǎng)觀孔的水位調(diào)節(jié)注漿量。引流注漿期間又注入水泥7432t ,各注漿孔均達(dá)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),副井水位已排至井底,堵水率達(dá)100 %。本工程工施工探查孔 5 個(gè),截流孔 1 個(gè),注漿孔5 個(gè),檢查加固孔 2 個(gè),注料130 m3 ,注水泥15032t ,實(shí)現(xiàn)了當(dāng)年突水,當(dāng)年治理,當(dāng)年恢復(fù)生產(chǎn)。3.3 陷落柱“三段式”堵水技術(shù)陷落柱突水后,在頂部留下空洞,并且在動(dòng)水條件下,打鉆先命中陷落柱頂部的空洞,充填骨料將動(dòng)水流變?yōu)闈B透流,再在陷落柱下部建立止水段和加固段,俗稱“三段式”堵水技術(shù)。1984 年 6 月 2 日,開灤范各莊煤礦2

8、171 工作面發(fā)生特大陷落柱突水,最大突水量達(dá)2053 m3/min ,全礦停產(chǎn),同時(shí)造成呂家索和林西礦淹井,與其相鄰的趙各莊礦、唐家莊礦也受到地下水的嚴(yán)重威脅。經(jīng)勘探查明,該陷落柱體積大,柱內(nèi)水流速度快,頂部又有空洞,決定采用上部灌注骨料充填壓實(shí),中部注漿堵截通道,下部充填灌注攔截水源的三段式綜合治水技術(shù)。首先對(duì)陷落柱頂部8 32m 高的空洞充填骨料30681 m3 ,通過(guò)充填骨料使得陷落柱中被水流沖動(dòng)的破碎巖塊在上部荷重加大的情況下,得到壓實(shí)增加阻水能力;上部充填骨料完成之后,在12 # 煤層以下到唐山灰?guī)r之間,該段高100m 左右,這一段的注漿孔在400m 深處進(jìn)入陷落柱,用下行法注漿到

9、500m 左右;由于開始在動(dòng)水條件下注漿,故從下部奧灰含水層部位進(jìn)行充填骨料,以增加阻力,攔截水源,降低流速,為中段注漿堵水創(chuàng)造條件,并對(duì)中段的“堵水塞”起到支撐、防止松動(dòng)坍塌破壞作用。本工程共打鉆24829 m ,注水泥62900t ,砂子4756 m3 ,石碴25925 m3 ,水玻璃4269t ,粉煤灰300t ,合計(jì)注入約100000 m3 的充填物,堵水效果100 %。3.4 直接封堵技術(shù)陷落柱的發(fā)育高度較低時(shí),一般發(fā)育高度到奧灰上部的石炭紀(jì)地層,可直接從地面打鉆命中陷落柱采用下行法直接注漿。河南安陽(yáng)銅冶礦1965 年發(fā)生的陷落柱突水,最大突水量為23 m3/min ,造成全井淹沒(méi)。

10、突水后直接在陷落柱的上部打鉆,命中陷落柱后,通過(guò)鉆孔充填砂石形成砂墊后進(jìn)行注漿加固。為了封堵陷落柱體內(nèi)的形態(tài)多樣和大小不一的空隙,通過(guò)不同位置的鉆孔和同一鉆孔的不同深度反復(fù)多次灌注砂石和水泥漿,共注入砂石1622 m3 ,注入水泥2454t ,堵水率100 %,這種注漿工藝適合于靜水條件下巖溶陷落柱的導(dǎo)水通道注漿。3.5 反流注漿技術(shù)陷落柱的突水在截流基本成功后,為了減少打鉆的數(shù)量,加快堵水進(jìn)程,在陷落柱構(gòu)造范圍不確定的情況下,可在截流堵水段與突水陷落柱之間打 1 2 個(gè)鉆孔,通過(guò)下行法加壓注漿返流加固陷落柱的空隙。輝縣市吳村煤礦32031 工作面1999 年11 月15 日發(fā)生隱伏陷落柱突水

11、,最大突水量40m3/min ,突水后陷落柱沖出的巖石被碎物堵死了下副巷,突水從上副巷流入一水平。工程布置 3 個(gè)鉆孔,其中注 1 孔布設(shè)在工作面上安全口下側(cè)3m 處,主要是打中棚架區(qū)進(jìn)行骨料注漿,對(duì)上副巷進(jìn)行截流,迅速降低水量,防止全井淹沒(méi),使水流由管道流變?yōu)闈B透流;查 1 孔布設(shè)在上安全口下側(cè)20m 處突1 附近,查 2 孔布設(shè)在工作面下安全口上5m 處突 2 附近。在注1 孔截流成功后利用查 1 和查2 孔進(jìn)行了返流注漿,注 1 孔注骨料1123m3 ,注水泥307t ;查 1 孔注骨料100m3 后,突水點(diǎn)水量已減少了32m3/min ;查 1 孔和查2 孔利用注1 孔截流成功后分別返

12、流注入水泥405t 和1561t ,井下突水點(diǎn)封堵成功,堵水率達(dá)100 %。工程累注骨料1535m3 ,累注水泥2273t ,時(shí)間僅用70 天(扣除天氣、工農(nóng)關(guān)系、停電等因素影響,創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。3.6 引流注漿技術(shù)在注漿封堵導(dǎo)水陷落柱通道基本成功后,為了防止在加壓注漿條件下,漿液的大量流失,利用井筒排水,既可對(duì)注漿堵水進(jìn)行檢驗(yàn),同時(shí)還可以加固突水點(diǎn)附近的細(xì)小裂隙,加快注漿堵水進(jìn)度和復(fù)礦速度。引流注漿的時(shí)期和注漿量取決于長(zhǎng)觀孔水位和井筒的排水情況,引流注漿期間長(zhǎng)觀孔水位若下降則應(yīng)加大注漿量,或停止引流排水;引流注漿期間若長(zhǎng)觀孔水位不下降,則可根據(jù)鉆孔吸漿情況繼續(xù)加固注漿。邢臺(tái)東龐礦二水平

13、南翼2903 工作面下副巷于2003 年4 月12 日發(fā)生陷落柱特大突水,最大突水量1167m3/min ,造成全井淹沒(méi)。為了盡快恢復(fù)生產(chǎn),擬在突水點(diǎn)以外的巷道布置透巷孔進(jìn)行封堵巷道。布孔原則:沿突水巷道的突破口向外5m 處布置 1 號(hào)鉆孔,自 1 號(hào)孔以外有15m 布一個(gè)孔,共布8 個(gè)孔進(jìn)行骨料充填注漿,以便形成105m 長(zhǎng)的巷內(nèi)堵水段,截?cái)噙^(guò)水道。第一階段依次施工了 1 號(hào)、6 號(hào)、8 號(hào)、7 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)孔,其中1 號(hào)孔提前遇見(jiàn)陷落柱,作為注漿期間的水文觀測(cè)孔,其它5 個(gè)孔透巷后,充填骨料和加壓注漿。由于陷落柱水沖出的破碎巖石較多,在巷道累注骨料4586m3 ,比設(shè)計(jì)注骨料減少2/3 。注漿采用了氣動(dòng)射流攪拌系統(tǒng),最高日注灰量達(dá)634t 大大加快了堵水進(jìn)度,5 個(gè)透巷截流孔共注入水泥17214t ,對(duì)巷內(nèi)和巷頂以上裂隙進(jìn)行了多次反復(fù)的高壓注漿,終壓達(dá)10MPa 。第二階段施工了 2 號(hào)和5 號(hào)孔,其中 5 號(hào)孔為截流段中部的檢查加固孔,2 號(hào)孔為截流段尾部的檢查加固孔, 5 號(hào)孔又加壓注476t ,達(dá)到了終壓終量,副井水位持續(xù)下降,奧灰長(zhǎng)觀孔水位持續(xù)上升,表明巷道已基本封死。第三階段開始引流注漿,利用副井排水, 2 號(hào)孔注漿,若巷道徹底封死后,則 2 號(hào)孔所注的漿液將返流進(jìn)入陷落柱,起到加固陷落柱的作用,2 號(hào)孔