導水陷落柱突水淹井的綜合治理技術

（1.國家安全生產監(jiān)督管理局煤礦監(jiān)察二司，北京市東城區(qū)，100713 ；2.中國礦業(yè)大學（北京校區(qū)），北京市海淀區(qū)，100083；3.鄭煤集團公司，河南省新密市，452371）

摘　要　分析了導水陷落柱的基本特征，介紹了不同條件下 陷落柱突水淹井采用巷道截流、“止水塞”、“三段式”、直接封堵、返流注漿、引流注漿 等綜合治理技術，用實例介紹了每一種治理技術的適用條件。

關鍵詞　礦井突水　陷落柱　淹井　突水治理

1　引言

巖溶陷落柱是埋藏在煤系地層下部的巨厚可溶巖體，在地下水溶蝕作用下，形成巨大的 巖溶空洞?？斩错敳繋r層，當其失去對上覆巖體支撐能力時，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多個煤田中， 已發(fā)現(xiàn)陷落柱45處，總數(shù)已接近3000個，特別是山西、河北較多，尤以汾西兩岸、太行山兩 側煤田為多，如西山礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)陷落柱1300多個，密度可達到70個/km²。巖溶陷落柱的這 種 特殊地質現(xiàn)象的存在，不僅破壞煤層，減少可采儲量，影響巷道的掘進和煤層的開采，而且 是特殊的導水通道，是很難防治的充水因素。我國開灤、焦作、皖北、徐州、邢臺等礦區(qū)都 發(fā)生過特大陷落柱突水淹井事故，造成了重大的經濟損失和社會影響，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防，但 突水后可以采取綜合治理技術將復礦的時間大大縮短，將災害損失降低到最低限度。本文重 點探討我國陷落柱突水淹井的綜合治理技術。

2　導水陷落柱的基本特征

陷落柱的導水性可分為3種類型：強充水型、邊緣充水型、弱充水型。從已發(fā)現(xiàn)的陷落 柱來看，絕大多數(shù)的陷落柱是弱充水型，陷落柱內充填物壓實緊密，風化程度極強，邊緣裂 隙水已被疏降，煤礦在回采過程中，沒有水或少量滴水；邊緣充水型的陷落柱內充填物壓實 緊密，風化程度較強，柱內水力聯(lián)系不好，只是陷落柱邊緣發(fā)育的次生裂隙充水，對奧灰水 的導通性不好，采掘工程揭露時一般以淋、滴水為主，涌水量不大；強充水型陷落柱內充填 物未被壓實，柱內水力聯(lián)系良好，直接導通奧灰高壓水，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，對礦井造成災難性的淹井事故，防排水設施很難起 作用，建國后我國已發(fā)生多起陷落柱突水淹井事故，詳見表1。

3　綜合治理技術

3.1　巷道截流技術

打鉆命中巷道，鉆孔終孔孔徑不小于110mm，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：陷落柱突水點位于獨頭巷道，巷道加固較好。關鍵技術：巷道的 測量資料準確，鉆孔定位正確，命中巷道的幾率100%，灌注骨料先粗后細，動水條件下，可 投注骨料30～50mm，靜水條件下，可投注細砂，注骨料后期要反復捅孔，當吸水系數(shù)小于5 ～8l/min·m時，方可進行注漿。

徐州張集煤礦1997年2月18日礦井西-300水平21號煤層軌道下山發(fā)生陷落柱突水，最大 突水量402m³/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個透 巷孔，注入骨料

表1　陷落柱突水淹井一覽（略）

210m³，在3個截流孔注入水泥4960t時，奧灰水水位持續(xù)上升，比副井水位高出 19.5m，表明巷道截流已見成效，水流由“管道流”變?yōu)椤皾B透流”，副井可以開始引流注 漿。引流注漿期間，又在3個截流孔注入水泥1629t，為了防止陷落柱內部奧灰水對煤系地層 的影響，在陷落柱內部相當于奧灰頂界面附近建造“止水塞”，施工3個鉆孔，共注入水泥 2421t，本工程累計注入水泥9010t，堵水率100%，整個工期歷時98d。

3.2　建立“止水塞”技術

查清陷落柱的基本形態(tài)后，沿陷落柱的邊緣鉆進至一定深度后導斜進入陷落柱，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：突水構造基本確定，在巷道截流技術不能快速封堵成功的情況下，采取“止水塞” 封堵方法。關鍵技術：首先要判斷確定陷落柱的構造位置，再利用定向導斜技術，使鉆孔的 軌跡沿陷落柱的邊緣鉆進，到一定深度后再導斜進入陷落柱；定向導斜鉆探技術的成功是決 定堵水成功的關鍵。

皖北任樓煤礦1996年3月4日發(fā)生特大陷落柱突水，最大突水量達到576m³/min，從發(fā) 生滴淋水到淹井僅8.5h。淹井后，考慮到突水點附近巷道為煤巷，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，為盡快恢復生產，制定了在陷落柱中建立“止水塞 ”快速切斷水源的方案?！爸顾钡奈恢眠x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個鉆孔，從不同方向導斜進入陷落柱進行注漿，注入7600t水泥后， 經 計算60m“止水塞”已基本形成，若繼續(xù)加壓注漿，漿液將大量流失，對“止水塞”附近的 細小裂隙也起不到加固作用。為了對“止水塞”進行加固，實施在副井引流排水，各注漿孔 正常注漿，并根據副井和長觀孔的水位調節(jié)注漿量。引流注漿期間又注入水泥7432t， 各注漿孔均達結束標準，副井水位已排至井底，堵水率達100%。本工程共施工探查孔5個， 截流孔1個，注漿孔5個，檢查加固孔2個，注骨料130m³，注水泥15032t ，實現(xiàn)了當年突水，當年治理，當年恢復生產。

3.3　陷落柱“三段式”堵水技術

陷落柱突水后，在頂部留下空洞，并且在動水條件下，打鉆先命中陷落柱頂部的空洞， 充填骨料將動水流變?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。

1984年6月2日，開灤范各莊煤礦2171工作面發(fā)生特大陷落柱突水，最大突水量達2053m³/min，全礦停產，同時造成呂家坨和林西礦淹井，與其相鄰的的趙各莊礦、唐家莊礦也受到地 下水的嚴重威脅。經勘探查明，該陷落柱體積大，柱內水流速度快，頂部又有空洞，決定采 用上部灌注骨料充填壓實，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。首先對陷落柱頂部8～32m高的空洞充填骨料30681m³，通過充填骨料使得陷落柱中被 水 流沖動的破碎巖塊在上部荷重加大的情況下，得到壓實增加阻水能力；上部充填骨料完成之 后，在12#煤層以下到唐山灰?guī)r之間，該段高約100m左右，這一段的注漿孔在400m深處進 入陷 落柱，用下行法注漿到500m左右；由于開始在動水條件下注漿，故從下部奧灰含水層部位進 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，并對中段的“堵 水塞”起到支撐、防止松動坍塌破壞作用。本工程共打鉆24829m，注水泥62900t，砂子4756 m³，石碴25925m³，水玻璃4269t，粉煤灰300t，合計注入約100000m³的充填物，堵水效果100%。

3.4　直接封堵技術

陷落柱的發(fā)育高度較低時，一般發(fā)育高度到奧灰上部的石炭紀地層，可直接從地面打鉆命中陷落柱采用下行法直接注漿。

河南安陽銅冶礦1965年發(fā)生的陷落柱突水，最大突水量為23m3/min，造成全井淹沒。突 水后直接在陷落柱的上部打鉆，命中陷落柱后，通過鉆孔充填砂石形成砂墊后進行注漿加固 。為了封堵陷落柱體內的形態(tài)多樣和大小不一的空隙，通過不同位置的鉆孔和同一鉆孔的不 同深度反復多次灌注砂石和水泥漿，共注入砂石1622m³，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水通道注漿。

3.5　返流注漿技術

陷落柱的突水在截流基本成功后，為了減少打鉆的數(shù)量，加快堵水進程，在陷落柱構造 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個鉆孔，通過下行法加 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，最大突水量40m³/min ，突水后陷落柱沖出的巖石破碎物堵死了下副巷，突水從上副巷流入一水平。工程布置3個鉆孔，其中注1孔布設在工作面上安全口下側3m處，主要是打中棚架區(qū)進行骨料注漿，對 上副巷進行截流，迅速降低水量，防止全井淹沒，使水流由管道流變?yōu)闈B透流；查1孔布設 在上安全口下側20m處突1附近，查2孔布設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流 注入水泥405t和1561t，井下突水點封堵成功，堵水率達100%。工程累注骨料1535m³，累 注水泥2273t，時間僅用70天（扣除天氣、工農關系、停電等因素影響），創(chuàng)造了顯著的經濟效益。

3.6　引流注漿技術

在注漿封堵導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，既可對注漿堵水進行檢驗，同時還可以加固突水點附近的細小裂隙， 加快注漿堵水進度和復礦速度。引流注漿的時期和注漿量取決于長觀孔水位和井筒的排水情況，引流注漿期間長觀孔水位若下降則應加大注漿量，或停止引流排水；引流注漿期間若長 觀孔水位不下降，則可根據鉆孔吸漿情況繼續(xù)加固注漿。

邢臺東龐礦二水平南翼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。為了盡快恢復生產，擬在突水點以外的巷道布置透巷孔 進 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號鉆孔，自1號孔以外每15m布 一個孔，共布8個孔進行骨料充填注漿，以便形成105m長的巷內堵水段，截斷過水通道。第 一階段依次施工了1號、6號、8號、7號、3號、4號孔，其中1號孔提前遇見陷落柱，作為注 漿期間的水文觀測孔，其它5個孔透巷后，充填骨料和加壓注漿。由于陷落柱突水沖出的破 碎巖石較多，在巷道累注骨料4586m³，比設計注骨料減少2/3。注漿采用了氣動射流 攪 拌系統(tǒng)，最高日注灰量達634t，大大加快了堵水進度，5個透巷截流孔共注入水泥17214t， 對巷內和巷頂以上裂隙進行了多次反復的高壓注漿，終壓達10MPa。第二階段施工了2號和5 號孔，其中5號孔為截流段中部的檢查加固孔，2號孔為截流段尾部的檢查加固孔，5號孔又 加壓注漿476t，達到了終壓終量，副井水位持續(xù)下降，奧灰長觀孔水位持續(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號孔注漿，若巷道徹底封死后， 則2號孔所注的漿液將返流進入陷落柱，起到加固陷落柱的作用，2號孔累計注入水泥9176t ，大部分水泥進入了陷落柱，少部分水泥通過引流注漿對巷道的薄弱地帶也進行了加固。工程累注水泥26866t，注骨料4586m³，鋸末196袋，僅用5個多月時間就完成了注漿堵水任務 ，堵水率達100%。

4　結束語

（1）導水陷落柱的突水，往往造成災難性的淹井后果，且難以有效預防。

（2）陷落柱突水淹井后，為了加快復礦速度，減少淹井的損失，根據不同條件采用幾種堵 水技術，綜合治理，效果比較好。