姬中奎

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

礦井發(fā)生特大突水需要在動水條件下進行注漿時，一般情況下過水通道的位置都比較清楚，截流段容易確定，若是掘進中突水，則掘進巷道為過水通道，可在該獨頭巷道實施截流;若是工作面回采出水，則上下順槽是過水通道，可對兩條巷道實施截流[1～9]。我國是世界煤炭生產(chǎn)大國，全國各地礦井眾多，水文地質條件多樣，采掘情況復雜，有時候礦井發(fā)生特大突水，但突水點可能不在本礦生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，這時候堵水就不像在本礦內(nèi)那么簡單。2011年8月7日，陜西韓城桑樹坪煤礦發(fā)生特大突水，原因是臨近小煤礦越界開采本礦深部煤層，底板奧灰突水淹沒該小煤礦，之后水流上行進入到桑樹坪礦生產(chǎn)系統(tǒng)。由于突水量巨大，導致礦井深部被淹。為了保住礦井上部系統(tǒng)，桑樹坪礦不得不在強排控制井下水位的情況下進行動水注漿堵水。要進行動水截流，首先要明確堵水段的位置，為定向鉆探指明方向，但小煤礦的采掘系統(tǒng)不清楚，過水通道及截流段難以確定，要想在短時間內(nèi)成功堵水，難度非常大。面對困難，桑樹坪煤礦想方設法查清了過水通道，確定了截流段的準確位置，經(jīng)過動水注漿，最終成功堵水。研究總結桑樹坪礦在復雜突水條件下的堵水方法和經(jīng)驗，對于提高礦井防治水技術水平、在類似條件下實現(xiàn)快速搶險堵水具有十分重要的意義。

1 礦井及突水概況

1.1 礦井概況

桑樹坪煤礦位于陜西省韓城市北部約35 km的桑樹坪鎮(zhèn)，礦井隸屬陜煤化集團韓城礦業(yè)公司，現(xiàn)主采山西組2號煤和3號煤，年生產(chǎn)能力約為1.5 Mt。桑樹坪井田面積約49 km2，地貌屬構造剝蝕低山丘陵區(qū)，地形復雜，溝谷發(fā)育，高差幅度大，低處標高約為440 m，最高處達1044 m，溝谷及兩側基巖裸露，山腰及山頂多為黃土覆蓋。地表鑿開河以近東西向貫穿井田，把桑樹坪井田分為南北兩翼，黃河在井田的東部。由于歷史的原因，桑樹坪礦東部淺埋區(qū)小煤礦眾多，歷史上發(fā)生過多起越界開采的現(xiàn)象。

1.2 突水概況

2011年8月7日0:05時，桑樹坪礦安全巡視員發(fā)現(xiàn)北二車場繞道密閉墻處有大量的水涌出，涌水很快沖垮密閉墻，礦調(diào)度室緊急通知撤人。由于涌水量峰值達到13200 m3/h，遠遠大于礦井最大排水量，礦井深部被淹沒。為了保住礦井上部生產(chǎn)系統(tǒng)，桑樹坪煤礦在韓城礦業(yè)公司及陜煤化集團公司的大力幫助下日夜奮戰(zhàn)，從全國各地調(diào)用大泵，全力展開強排工作，最終在礦井總排水能力達8000 m3/h的情況下將井下淹沒水位控制在333 m標高處。

2 突水條件分析及堵水方案制定

2.1 突水條件分析

本次突水的水量巨大，根據(jù)淹井時計算，突水量的峰值為13200 m3/h，在強排將水位控制在333 m標高的情況下，穩(wěn)定突水量約8000 m3/h，除奧灰外本地沒有其他含水層有這么大的補給能力。本地奧灰的水位標高為375 m，突水在井下排水情況下的動態(tài)淹沒水位為333 m，符合奧灰水的水位特征。桑樹坪礦有一個報廢井內(nèi)有奧灰水，發(fā)生突水后，該井的水位下降了約6 m，奧灰水位能下降6 m，表明突水為有奧灰水參與。剛發(fā)生突水時，所取水樣礦化度為3319 mg/L，水質類型為 SO4·Cl－Ca·Na·Mg型水，具備當?shù)乩峡账奶卣?，后期水質穩(wěn)定后所取水樣礦化度為2324 mg/L，水質類型為Cl·SO4－Na·Ca型水，符合當?shù)貖W灰水的水質特征。綜合分析以上突水量、礦井淹沒水位、觀測井水位變化及突水水化學特征(見表1)，確定本次突水的水源為奧灰水。

表1 桑樹坪礦突水條件分析

由于桑樹坪礦本身沒有發(fā)生奧灰突水，很顯然，本次突水與附近小煤礦有關。經(jīng)過對附近小煤礦的排查，發(fā)現(xiàn)臨近禹昌煤礦越界開采了桑樹坪煤礦11號煤，該處11號煤與奧灰的平均間距不到20 m，煤層底板承受的水壓約為0.7 MPa，突水系數(shù)Ts為0.0875 MPa/m。調(diào)查得知該礦在11號煤采掘中發(fā)生了奧灰底板突水，突水淹沒禹昌礦后，水流通過禹昌順礦采空區(qū)進入到桑樹坪礦井，突水點應該位于禹昌礦采掘頭附近。雖查清了突水的礦井及突水原因，但禹昌礦的采掘巷道空間展布情況不清楚，不知道突水究竟是從哪一條巷道過來，該條巷道的精確三維坐標更是無從知曉。由于眾所周知的原因，一方面小煤礦開采沒有大的工作面和系統(tǒng)的采掘計劃，隨意性較強;另一方面小煤礦采掘填圖工作不完善，采后無相關采掘圖件;加之即使有相關圖件，小煤礦也未必能如實提供。因此，雖然搶險工程迫在眉睫，地面急需給定截流巷道的空間位置進行定向鉆探，但現(xiàn)場無法給出截流段的精確位置。很顯然，本次突水情況比一般的本礦采掘中突水要復雜得多，堵水難度較大。

2.2 堵水方案制定

為了保住礦井上部生產(chǎn)系統(tǒng)，堵水必須在動水的情況下選擇一條巷道進行截流。由于小煤礦資料不全、圖紙不可靠，簡單的方法是在桑樹坪礦內(nèi)選取一段巷道堵水，這樣做的好處是巷道空間位置明確，可以迅速開鉆，但缺點是放棄了本礦一部分生產(chǎn)系統(tǒng)，截流后礦井不能完全恢復生產(chǎn)。經(jīng)過研究，決定把截流段放在禹昌礦越界的11煤巷道中，突水的總體堵水方案為:第一步，先采取各種手段查明截流巷道的位置;第二步，在截流巷道位置確定后實施地面截流堵水工程;第三步，截流成功后在開展礦井追排水和恢復生產(chǎn)的同時，先后延伸截流孔至11煤底板和奧灰頂部，對11煤底板和奧灰頂部進行加固注漿。

3 巷道截流段探查

過水巷道截流段的探查是本次堵水的難點和重點，為了查明截流段準確位置，桑樹坪礦采取了多種探查手段，包括走訪調(diào)查、井上下物探、井下鉆探及示蹤試驗等方法。

3.1 小煤礦調(diào)查

在確定是禹昌礦采掘11煤發(fā)生奧灰突水后，桑樹坪礦有關工作人員多次去該礦進行走訪調(diào)查。因該礦深部已被突水淹沒，無法下井查看，只能通過該礦人員了解采掘情況。工作人員最初曾經(jīng)獲得了一部分資料，之后通過深入調(diào)查和對比，證明該資料完全不可靠。后來又反復去該礦做工作，最終獲得了一個相對真實的資料，但該圖紙是采用羅盤加步測的方式用直尺標注的，準確性較差。盡管如此，根據(jù)該資料，結合桑樹坪煤礦采掘工程圖，仍發(fā)現(xiàn)禹昌礦有一條采巷是突水外流的必由之路，該巷道恰好從桑樹坪礦365中巷下方約40 m深度處通過，若能找出該巷道的確切位置，該處是實施截流的最佳地點。

3.2 井上下物探

有了大體位置后，先采取了物探方法對巷道進行了探查，其中地面采取的是瞬變電磁方法，井下采取的是高密度電法勘探。地面電法在長360 m×120 m的區(qū)域內(nèi)以20 m×20 m的網(wǎng)度布置測點，共布置7條測線，每條測線上有19個測點，探測深度為+310 m，超過11煤底板?？碧浇Y果表明測區(qū)南部有低阻異常區(qū)，推斷該異常為11號煤采空區(qū)。井下電法在365上中巷以聯(lián)巷口布置測點，測點間距5 m，共布置測點66個，編號為－6～60;365下中巷以上中30號測點為起點，向南按5 m間距布置測點40個，為－10～30。探查結果表明，在2條測線的4號點附近下方約50 m處有一條寬約20 m的低阻區(qū)，疑似過水巷道，且4號點恰好位于瞬變電磁測區(qū)南部。

3.3 井下鉆探

根據(jù)物探結果，先在4號測點附近布置鉆孔進行驗證，鉆孔見11煤后未發(fā)現(xiàn)掉鉆，之后在4號測點兩側擴大鉆探范圍。施工中9號和12號鉆孔最先掉鉆探測到落空段，落空長度為3 m，與禹昌礦巷道高度相符，同時鉆孔有水涌出，之后在9號孔和12號孔兩側布設加密鉆孔，探查巷道邊界和寬度。整個井下探查工程共布置了20個孔位，相鄰孔位間距為5 m，其中部分鉆孔孔位施工了3個鉆孔，垂直方向上分別為0°、15°和30°，整個井下鉆探工程共施工了32個鉆孔，總進尺為1551.7 m。鉆探中7號孔至12號孔段之間均遇見空洞，－6號孔至6號孔段、13號孔至15號孔段之間的鉆孔均揭露實煤體。據(jù)此分析，過水通道在7號孔至12號孔之間，與物探異常區(qū)邊界很接近。井下鉆探工程及過水通道推測邊界詳見圖1。經(jīng)分析，由于小煤礦的多采用巷采方式，加上突水水流的持續(xù)沖刷，禹昌礦越界采巷寬約23.5 m，高約3 m，斷截面約70.5 m2，動水的過水斷面較大。

圖1 探查孔、截流孔及推測通道平面示意圖

探查中先安排2臺鉆機對物探異常點進行施工，鉆機為ZDY1500型全液壓坑道鉆機，后為了加快進度，增加2臺共4臺鉆機在巷道中一字擺開。由于365中巷距離過水巷道垂高僅為40 m，且巷道為巖層，底板標高比奧灰水頭低10m，比井下排水點水頭高32 m，因此采用裸孔鉆進技術，不下孔口管直接開鉆，孔徑為75 mm。鉆探工藝為普通回轉鉆進，不配泥漿直接用清水鉆，鉆探過程中要求嚴密觀測鉆孔返水或漏水情況。由于鉆孔距離突水點近，過水巷道內(nèi)水頭較高，最后透巷后鉆孔有水溢出但水壓不大。鉆孔封孔采用下木塞的方式，用鉆桿將木塞下至孔中，上部灌入水泥，木塞浸水膨脹及水泥凝固后孔口無水溢出。

3.4 示蹤試驗

為了證明落空段為過水巷道，鉆進中掉鉆后進行了示蹤試驗，示蹤劑為食品紅。9月15日，在12號孔掉鉆2.4 m后，將5 kg示蹤劑與1 m3水混合后壓入鉆孔中，約45 min后，觀測人員在禹昌礦排水點檢測到食品紅成分。9月19日，9號孔掉鉆3 m后如法進行示蹤試驗，42 min后，禹昌礦排水點檢測到示蹤劑成分。示蹤試驗證明，9號孔和12號孔所揭露該段巷道為突水的過水通道。

4 堵水工程實施

4.1 動水注漿截流

由于過水巷道的斷面寬面積大，堵水中在截流區(qū)布置兩排8個鉆孔，鉆孔錯開成梅花形，其中Z1和Z2為第一排灌注孔，Z3、Z4和Z5為第二排灌注孔，兩排鉆孔間距離為15 m，Z6、Z7和Z8為過水巷道邊界探測孔，鉆孔具體位置詳見圖1。鉆孔一開孔徑311 mm，鉆進11 m進穩(wěn)定基巖后下入244.5 mm×8.94 mm一開套管;二開孔徑216 mm，下入139.7 mm×8.05 mm二開通天套管，下至距離過水巷道頂板以上約20 m深度處，裸孔段110 mm，透巷處長度約20 m，截流孔鉆探情況詳見表2，鉆孔結構詳見圖2。

鉆探中為了加快搶險進度，采用美國雪姆公司T130型鉆機進行定向鉆進。一開鉆孔段采用水鉆，二開鉆孔段采用風鉆。為了防斜糾偏，而又不影響鉆進速度，在鉆孔施工中引進了復合鉆進技術，利用單彎螺桿和PDC鉆頭，在不更換鉆具狀態(tài)下糾偏作業(yè)，糾偏后即可啟動鉆進，這樣可減少起下鉆時間，提高鉆進時效。測斜使用單點測斜照相儀，每鉆進20 m測斜一次，根據(jù)測斜結果及時導向。透巷前是鉆孔最后的關鍵階段，采用筒狀掃鐵鉆頭取心鉆進，密切觀測鉆井液消耗漏失情況。接近巷頂時，孔底要減壓至10 MPa以下，以免壓塌巷道頂板。采用此鉆探技術，鉆孔從開鉆到透巷基本都在5～7天內(nèi)完成。

表2 鉆孔情況及鉆探工程量統(tǒng)計

圖2 截流鉆孔結構示意圖

骨料灌注中，原計劃通過定向鉆探在Z1孔和Z2孔穿透365中巷后，利用井下探查孔對接進行注漿，因365巷道底板巖層破碎，不得已施工了兩道擋水墻段對截流段上部365巷道進行了封閉，之后鉆孔穿透365巷道底板，固結完二開套管后才進行灌注。整個截流工程中共灌入骨料25716 m3，其中細骨料砂子為25416 m3，米石為300 m3，各孔灌注情況詳見表3。最終骨料在過水巷道接頂，涌水量衰減至150 m3/h，同時奧灰水位大幅回升，表明骨料已將巷道中的管道流截住。之后馬上開始注入水泥漿，對阻水墻及周邊裂隙進行加固，最后奧灰水位完全恢復，動水截流宣告結束。

表3 注漿工程量統(tǒng)計 /m3

骨料灌注采用射流自重灌注法，具體工藝為:鉆孔孔口密封，連接一個灌砂管，灌砂管與三通漏斗相連，三通漏斗另兩端分別為灌砂口和進水口。灌砂口朝上接受骨料的灌入，進水口平放連接注水管，注水管與排量為100 m3/h的潛水泵相連，潛水泵產(chǎn)生的高速水流可把自重落入漏斗的骨料沖進鉆孔中，然后通過鉆孔輸送到巷道中堵水。加固注漿中水灰比為1∶1，采用連續(xù)快速注入方式，以免加固不及時水流突破堵水墻。注漿終壓時要求為孔口壓力≮3 MPa，注漿泵量≯50 L/min，并在高壓力和小泵量的情況下維持30 min以上。通過加固注漿，堵水墻與巷道周邊煤巖體連成了一個整體，可有效防止水流通過墻體與巷道之間的裂隙漏水。

4.2 底板延伸注漿

動水截流后，一方面突水點探查還需工程量，另一方面為了避免小煤礦再次偷采，沒有對突水點實施治理。但為了進一步從深部消除突水隱患，對原地面7個截流孔(Z1孔除外)進行了延伸鉆探和注漿。先延伸鉆孔至11煤底板，對底板巖層進行注漿加固;之后再次延伸至奧灰頂部約30 m，對奧灰頂部進行高壓注漿。奧灰頂部注漿中，Z6孔進入奧灰后沖洗液大量漏失，最終注入水泥漿14550 m3后起壓，注漿量在所有鉆孔中最大，說明該孔揭露到奧灰頂部巖溶通道，對封堵奧灰?guī)r溶通道有重要的作用。

底板延伸注漿中鉆探采用PDC鉆頭常規(guī)回轉鉆探技術，孔徑110 mm，不下套管逐步延伸鉆進。注漿中水灰比為1～2，注漿方式采用連續(xù)式與間歇式相結合，對Z3等吃漿量少的鉆孔，采用稀漿連續(xù)注入，對于Z6等吃漿量大的鉆孔，采用稠漿間歇注入。注漿的終孔標準同截流加固注漿，要求在孔口壓力≮3MPa、注漿量≯50 L/min的情況下維持30 min以上。

4.3 堵水工程效果

動水截流工程結束后，奧灰水位完全恢復，剩余水量約為80 m3/h，桑樹坪礦井開始恢復生產(chǎn)。經(jīng)過延伸至11煤底板及奧灰頂部進行注漿后，最后的殘余水量僅為24 m3/h，整個堵水工程的堵水率達到99.8%。

5 結語

桑樹坪礦堵水實踐表明，對于小煤礦越界開采本礦底部煤層造成的被動型礦井特大突水，在過水通道位置不清楚的前提下，可采取如下方法進行堵水:

(1)首先要通過走訪調(diào)查了解小煤礦的采掘情況，之后結合本礦采掘系統(tǒng)確定截流段的大體位置;

(2)之后采用物探手段對截流段巷道位置進行詳細探查，并根據(jù)物探成果在井下使用鉆探方法精確查明過水巷道的空間位置;

(3)截流段巷道查清后先進行動水截流注漿，截流成功后在追排水的同時再進一步對煤層底板和奧灰頂部進行注漿。

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