導水陷落柱突水淹井的綜合治理技術
（1.國家安全生產監督管理局煤礦監察二司，北京市東城區，100713 ；2.中國礦業大學（北京校區），北京市海淀區，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。空洞頂部巖層，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，因其剖面形態似一柱體，故稱巖溶陷落柱。我國巖溶陷落柱多發育 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， 已發現陷落柱45處，總數已接近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，如西山礦區已發現陷落柱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、邢臺等礦區都 發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。從已發現的陷落 柱來看，絕大多數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，柱內水力聯系不好，只是陷落柱邊緣發育的次生裂隙充水，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 程一旦揭露就發生突水，水量大而穩定，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號煤層軌道下山發生陷落柱突水，最大 突水量402m3/min，從發現淋水到淹井僅10h。發生突水后，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”變為“滲透流”，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日發生特大陷落柱突水，最大突水量達到576m3/min，從發 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。“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15032 t ，實現了當年突 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為滲透流，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工作面發生特大陷落柱突水，最大突水量達2053m3/m in，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#煤層以下到唐山灰巖之間，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
陷落柱的發育高度較低時，一般發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年發生的陷落柱突水，最大突水量為23m3/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，使水流由管道流變為滲透流；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，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，副井水位持續下降，奧灰長觀孔水位持續上升，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。