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，巷道的掘進(jìn)和煤層的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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，詳見(jiàn)表1。

表1陷落柱突水淹井一覽



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)：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(kāi)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。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(kāi)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(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500m左右；由于開(kāi)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)。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，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(kāi)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)孔累計(jì)注入水泥9176t，大部分水泥進(jìn)入了陷落柱，少部分水泥通過(guò)引流注漿對(duì)巷道的薄弱地帶也進(jìn)行了加固。工程累注水泥26866t，注骨料4586m³，鋸末196袋，僅用5個(gè)多月時(shí)間就完成了注漿堵水任務(wù)，堵水率達(dá)100％。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)導(dǎo)水陷落柱的突水，往往造成災(zāi)難性的淹井后果，且難以有效預(yù)防。

(2)陷落柱突水淹井后，為了加快復(fù)礦速度，減少淹井的損失，根據(jù)不同條件采用幾種堵水技術(shù)，綜合治理，效果比較好。（趙蘇啟 武強(qiáng) 郭啟文 崔芳鵬）

參考文獻(xiàn)

1 鐘亞平.開(kāi)灤煤礦防治水綜合技術(shù)研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001

2 李大敏.張集煤礦隱伏陷落柱突水快速治理[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2000（8）：31~33