隐伏陷落柱突水的快速治理技术研究.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 辛置煤矿南三采区 1035 切眼掘进工作面于2016- 02-03T0020发 生底 板突水事故 ，瞬 时 突 水量 达 到 29 000 m3/h，远远超过矿井排水能力，造成矿井被淹。 突水灾害发生后，辛置煤矿立即启动应急预案，迅速 组织抢险救灾，及时撤出受水威胁人员。同时，为尽 快恢复矿井生产，利用 1035 机巷独头巷道的有利条 件，按照截流与堵源同步进行的原则制定了治理方案。 该方案成功治理了突水，快速恢复了矿井生产。 1突水事故概况 辛置煤矿发生突水事故的 1035 切眼掘进工作面位 于煤矿南三采区南翼三区段，工作面设计走向长 1 223 m，倾斜宽 177 m，开采二叠系山西组 10煤层， 煤厚 2.9 m，煤层倾角 20毅，储量 7.54伊105t。该工作面 上覆 71煤层已开采，71煤层下距 10煤层 91 m。 1035 机巷于 2012 年 1 月开始掘进，进尺 1 275 m 后， 调向施工切眼 28 m，有轨道巷与其贯通。突水点位于迎 头向后 8耀12 m 处，标高 -474.0 m，据附近钻孔资料分 析，该处煤层底板距离太灰顶隔水层 64.27 m。 2突水原因分析 2.1突水水源分析 根据突水后矿井太灰、奥灰水位动态变化及出水 点水质分析测试等资料，结合突水来势迅猛、突水量 巨大的特点综合分析，认定本次矿井突水水源为 10煤 层底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水。 2.1.1水质特征 初期出水时化验水质为 SO4 Cl-Na 型，阳离子以 Na为主，阴离子与本矿典型奥灰水质相似，但含量顺 序有所区别；排水复矿时化验的水质为 SO4 HCO3-Na 型，应是标准的奥灰水水质特征，阴离子含量顺序发生 了变化，主要原因是先期突水量小，以突水构造内静储 量为主，尚不能代表真正的奥灰水水质特征[1]。 2.1.2水位与水量动态特征 从工作面突水量变化曲线 （ 图 1 ） 可以看出，突水 量呈现逐渐增大趋势，说明出水由渗流逐渐转变为管 道流，导水通道逐渐通畅，突破口逐渐增大，至 2016-02-03T0020，煤层底板充分突破，突水量剧增， 超过 10 000 m3/h，突水来势迅猛，突水量巨大，说明 补给水源具有高承压特性和强补给能力特征。综合图 1 分析可知，主要水源为奥灰含水层。 图 12016 年工作面突水量变化曲线图 2.2突水量估算 矿井突水后，2016-02-03T01530610 共 257 min 收稿日期2020-04-15 作者简介王克勤，1975年生，男，山西霍州人，2016年毕业于太 原理工大学采矿工程专业，工程师。 隐伏陷落柱突水的快速治理技术研究 王克勤 （ 霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 霍州 031400 ） 摘要 对辛置煤矿南三采区 1035 切眼掘进工作面发生底板隐伏陷落柱奥灰突水淹井事故的原因进行了分析，介绍了 抢险救援及治理过程，按照“截流与堵源”同步的治理原则，采用定向钻进、巷道截流、盖帽堵源、井筒回灌水等一系 列关键技术，成功治理了突水，快速恢复了矿井生产。 关键词 隐伏陷落柱；抢险救援；奥灰突水；截流堵源 中图分类号 TD74文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0126-02 Research on the Rapid Treatment Technology of Water Inrush from Hidden Collapse Column WANG Keqin Xinzhi Coal Mine, Huozhou Coal Electricity Group Co., Ltd., Huozhou 031400, Shanxi, China Abstract This paper analyzed the causes of the water inrush and flooding accident from hidden collapse column in 1035 cut hole driving face in the third south mining area of Xinzhi Coal Mine, introduced the emergency rescue and treatment process, and according to the principle of “closure and source plugging“, adopted a series of key technologies, such as directional drilling, roadway closure, cap source plugging, shaft back irrigation, to successfully control the water inrush and recover the mine production quickly. Key words hidden collapse column; emergency rescue; Ordovician limestone water inrush; closure and source plugging （总第 177 期） 技术研究 涌水量 1 000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 02-02 1500 02-02 1800 02-02 2100 02-03 0000 02-03 0300 监测时间 126 2020 年第 6 期2020 年 6 月 内，所淹没二水平巷道的体积为 127 500 m3，剔除矿 井正常涌水量 （ 740 m3/h ） ，估算本次突水量 29 000 m3， 突水总量 3.2伊106m3。 3突水事故治理方案设计 3.1总体方案 为加快工程进度，缩短治理工期，尽快恢复生产， 遵循巷道截流与陷落柱堵源同步的原则。 截流孔与堵源孔同步施工，多台钻机同时开孔， 确保钻孔成功率。在里段机巷布设截流钻孔，钻孔位 置选择考虑机巷起伏及地面进场方便；在切眼处布置 堵源钻孔，其中一个孔以出水点为中心，确保阻隔段 从 10煤层底板通至四灰底板[2]。 3.2技术路线 治理工程的技术关键是对 1035 机巷的钻孔透巷和 截流注浆。透巷需要专门的钻孔定向技术。巷道截流 工程分为 3 个步骤，即巷道封口→充填注浆→升压加 固注浆。堵源工程分为 4 个步骤，即探查→盖帽→充 填→加固。 3.3截流工程 在机巷对应的地面位置布置截流钻孔 5 个，其中， 注浆孔 3 个，加固孔 2 个。a 巷道封口。先在离切眼 150 m 处施工截 1 孔，目的为巷道封口，大量灌注骨 料，在巷道内形成堆积体，减少后续钻孔注浆时的浆 液无效扩散。b 充填注浆。在离切眼 20 m 和 60 m 位 置施工截 2 孔和截 3 孔，大量快速灌注水泥浆液，填充 巷道空间。c 升压加固注浆。在 3 个截流孔中间施工加 固截 4 孔和截 5 孔，对巷道上、下 20 m 岩层段及巷道 内的充填空间进行加压注浆，形成安全有效的堵水段[3]。 3.4堵源工程 堵源就是封堵出水水源，钻孔揭露陷落柱后，采 用纯水泥浆或水泥-粉煤灰浆灌注充填陷落柱体，最终 目的是在 10煤层顶板至四灰底板段形成能够抵抗住奥 灰水水压的一个止水塞。 3.5钻孔结构 钻孔采用两层套管结构，如图 2 所示。 a 开孔孔径 椎311 mm，下入 椎244.5 mm伊8.94 mm 地质套管，进入基岩 20 m，隔离第四系地层；b 开孔 孔径 椎216 mm，下入 椎177.8 mm伊9.19 mm 通天套管 470 m，下至 10煤层顶板 30 m，作为注浆套管；c 开 孔孔径 椎152 mm，为裸孔段。 3.6注浆工艺 建立连续制浆和输浆系统。整个系统由供电、供 水、供储灰、制浆、注浆、输浆、止浆 7 个部分组成。 本次注浆以水泥单液浆为主，充填注浆时若进浆量大， 可采用水泥-粉煤灰混合浆。使用具有国内先进水平的 自动化程度高、劳动强度低、污染小的射流搅拌系统， 可连续制浆和注浆，平均日制浆量可达 3 000 m3以上， 注浆采用石家庄煤机厂 NBB-260/7A、TBW260-600、 TBW260-1200 等型号的泥浆泵。 水泥采用 42.5R 普通硅酸盐早强水泥，其质量应符 合国家标准 GB 1752007 通用硅酸盐水泥。造浆用水 水质需满足国家混凝土拌和用水质量标准，其 SO42-质 量分数小于 1，pH 值大于 4。采用孔口止浆、静压分 段下行式注浆方式[4]。 4治理效果 截 l 孔注浆 2 h 后 （ 注水泥 80 t ） ，井筒水位停止 上升，开始下降，截流效果开始显现。截 1 孔注水泥 11 330 t 时，孔口压力为 4.0 MPa，巷道封口达到目 的，截流初见成效，停止注浆。 截 1 孔升压后，为检验截流效果，同时为达到引流 注浆的目的，先开 l 台泵试排水，随后逐步增加至 6 台 泵排水，排水期间截 4 孔注浆升压，后对截 1 孔、截 4 孔透孔加压注浆。 截流孔注浆后奥灰水水位一直上升，至2016年5月 30日上升至 -13.78 m，已接近出水前的奥灰水水位 -11.27 m，说明陷落柱已被封堵，奥灰水与矿井水已无 水力联系。 在截流孔注浆的同时，对堵 1、堵 2、堵 3、堵 5 等堵源钻孔也进行了注浆，且进浆量大，有吸浆现象。 堵源孔盖帽结束后进行延深加压注浆，达到设计要求 后停止注浆，并进行了透孔压水检查。 在堵 1、堵 2、堵 3、堵 5、截 3 孔延深过程中以及 补充施工的陷落柱范围探查堵 6 孔，在距 10煤层底板 下 20耀25 m 处均进入陷落柱，岩石破碎，浆液大量消 耗，甚至全漏失，截 5、堵 4、堵 7 孔施工至四灰时地 层层位均正常，堵 4、堵 7 孔对突水点位进行了定向钻 进，地层层位也正常，应在陷落柱范围之外。根据钻探 和测井资料，确定陷落柱为椭圆状，边缘由截 3、堵 1、 堵 5、堵 2、堵 6 孔控制，长轴 70 m，短轴 50 m。 5结语 a 矿井突水后，充分利用通信系统、井下人员定 位系统、视频监控系统等进行抢险救援，为人员搜救 准确定位、及时通知人员撤离创造了条件，也为人员 快速撤离赢得了宝贵的时间，极大地减少了灾害损失。 图 2钻孔结构示意图 松散层底部20 m 巷道顶部30 m 巷底30 m 椎177.8 mm 椎216 mm 椎152 mm 椎244.5 mm 椎311 mm （下转 166 页） 王克勤 隐伏陷落柱突水的快速治理技术研究 127 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 127 页） b 按照堵源与截流同步原则，采用多钻孔同时施工 的方法，共完成钻探工程量 7 017 m，其中，截流孔3个， 堵源孔 6 个，检查加固孔 3 个，注入水泥 1.742伊105t， 粉煤灰 0.365伊105t，矿井恢复总排水量超过 5.0伊106m3。 c 2016 年 2 月 10 日开钻，3 月 14 日排水，3 月 28 日北八采区系统恢复，4 月 2 日截流成功，转入堵源 加固注浆与陷落柱探查阶段，5 月 30 日地面治理工程 全部结束，北八采区 8281 工作面开始回采。 参考文献 ［1］ 王铁记.峰峰矿区特大突水灾害治理技术 ［J］ .煤炭工程， 2016， 48增刊 2 16-19. ［2］ 关永强.四位一体法封堵千米埋深微型隐伏导水陷落柱技术 ［J］ . 煤炭与化工， 2015， 382 9-12. ［3］ 边辉.矿井抢险强排水泵井筒布置方案优化 ［J］ .中国科技信 息， 201317 61. ［4］ 南生辉， 蒋勤明， 郭晓山， 等.导水岩溶陷落柱堵水塞建造技 术 ［J］ .煤田地质与勘探， 20084 29-33. （ 责任编辑刘晓芳 ） 数 f1.5，岩体硬度低，在应力作用下顶煤承载能力小[3]， 出现了顶煤破碎的情况。 2.4支护影响 原 2103 巷在应力区主要采用密集单体柱进行顶板 加强支护，单体柱采用三柱一梁的支护形式，顶梁长 度为 4.0 m，在应力作用下顶梁对顶板产生切顶破坏， 加剧了顶板破碎力度。 3桁架锚索支护技术 3.1支护要点 2103 巷原顶板采用锚杆、锚索、钢带支护基本满 足顶板支护需求，但是，在集中应力作用下支护失效 现象严重，主要原因是在垂直应力作用下，顶板出现 蠕动变形，导致顶板弯曲。当顶板蠕动变形到一定程 度时，顶板断裂，形成围岩松动圈，且范围不断扩大； 当围岩松动圈范围扩大至支护体锚固端时，造成支护 锚固质量降低，从而导致支护失效[4]。所以，对于应力 区顶板降低、顶板破碎和支护失效，主要采取的技术 手段是削弱集中应力对顶板的垂直破坏作用。 3.2支护原理 对应力区顶板施工 2 根斜角锚索，并通过横向拉 力预紧作用使煤岩体段锚索对钻孔围岩产生与锚索垂 直向上的作用力。该作用力在水平和垂直方向分别产 生一个分力，其中，垂直分力可削弱对垂直向下应力 的破坏作用，如图 1 所示。 图 1桁架锚索支护原理断面示意图 3.3支护工艺 a 在应力区巷道顶板施工 2 个斜角锚索，锚索长 度为 5.0 m，直径为 17.8 mm，锚索间距为 3.0 m，2 根 锚索与两帮间距为 0.6 m，锚索与两帮夹角为 60毅，锚 索外露长度控制在 0.3 m；b 2 根锚索施工完后，在 2 根锚索外露端分别安装 1 根长度为 1.5 m、直径为 25 mm 的圆钢托架，在托架另一端安装一个双向张拉 器，在托架张拉过程中保证张拉力矩不小于 200 N m； c 每组桁架锚索支护间距为 2.0 m，桁架锚索施工在原 顶板相邻 2 根钢带之间，桁架锚索支护施工后保证圆 钢托架与顶板接触严实。 3.4应用效果分析 8103 工作面回采至 510 m 处时，对 2103 巷顶板依 次施工桁架锚索支护，每次施工 10 组。截至 2018 年 8 月 27 日，8103 工作面已回采至 560 m，在回采期间 通过对桁架锚索支护效果的观察发现，采取该支护技 术后，2102 巷在超前集中应力区内顶板下沉、破碎现 象得到明显控制，在揭露断层前以及过断层后，顶板 未出现破碎、垮落现象，顶板最大下沉量不足 0.15 m； 在过 F5 正断层时，巷道顶板下沉量最大为 0.24 m，局 部出现破碎现象，但未出现顶板冒漏现象。通过施工桁 架锚索支护后，有效减少了巷道支护失效现象，失效率 由原来的 18降低至 3，保证了工作面安全高效回采。 4结语 通过对 8103 工作面运输顺槽超前应力区顶板施工 桁架锚索支护后，取得了显著的应用成效。该支护技 术相对简单，施工劳动强度低，与传统架设钢棚、注浆 支护相比，支护成本费用低。与传统锚杆、锚索支护相 比，该支护属于主动支护，支护后可削弱顶板垂直应 力破坏作用，从而强化顶板永久支护质量，达到控制 顶板稳定性的目的[5]，支护效果好。 该支护技术不仅可用于煤矿采掘工作面顶板中， 还可用于桥梁、隧道等工程领域中，实用性强，应用区 域广，具有显著的应用推广意义。 参考文献 ［1］ 刘洪亮.综采工作面应力区支护技术 ［J］ .江西煤炭科技， 20153 112-113. ［2］ 张嘉安.综采工作面回采技术难题及对策 ［J］ .山东煤炭科技， 20174 57-58. ［3］ 张俊.综采工作面应力破碎区支护实践 ［J］ .能源技术与管理， 20195 57-58. ［4］ 史田军.桁架支护在应力区巷道中的应用 ［J］ .煤炭科技， 20183 134-136. ［5］ 宁义国.综采工作面应力区顶板联合支护措施 ［J］ .煤， 20177 21-24. 责任编辑白洁 斜角锚索 压缩带 垫片 拉紧器 圆钢托架 2103巷 破碎顶板应 力集中区域 166