東龐礦特大突水災害治理
關鍵詞 奧灰陷落柱 特大突水 水害治理 東龐礦
1 導言
2003年4月12日，河北金牛能源東龐礦在2903工作面掘進過程中發生了2#煤層奧灰陷落柱特大突水災害。雖經全力組織搶險救災，但因突水量遠遠超過礦井最大排水能力，5天后礦井被淹。其后全力以赴投入注漿堵水工程。8月16日開始礦井試排水，9月29日，一水平(-300m)開始恢復生產， 11月11日即恢復一水平(-300m)采掘工作面生產。11月24日追排水至-480 m，12月5日恢復了二水平井底水泵。 12月27日，通過了中國煤炭工業協會組織的全面恢復生產的安全評價。到2004年8月31日，測定二水平涌水量為120 m3 /h，生產煤炭101萬t，贏利12億元。
11 突水工作面概況
東龐礦1983年建成投產，核定能力為240萬t；采用立井、暗斜井多水平開拓，目前開采-300m和-480m水平。主采2#煤，配采淺部9#煤。精查地質報告預計開采2#煤時，礦井正常涌水量為6324 m3/h，最大不超過正常涌水量的1倍。礦井水的主要來源為 2# 煤頂板砂巖含水層水，約占礦井涌水量的77%。歷年礦井涌水量不超過210 m3/h。礦井排水能力一水平（-300m）為2900 m3/h，二水平（-480m）為2000 m3/h。礦井地質條件類型為Ⅱ類，水文地質類型為中等類型。
2903工作面位于二水平南翼，設計走向長1370m，斜長175m，傾角13°，煤厚43m，地質儲量140萬t；煤層埋深580 m，煤層賦存穩定，單斜構造，結構簡單，屬高級儲量區，勘探精度滿足設計要求。附近東17鉆孔未見地質異常，相鄰的2901工作面在開采時揭露斷層落差18m，涌水為頂板砂巖滴淋水，涌水量10 m3/h。在2903工作面掘進揭露時，巷頂局部有淋滴水，水量5 m3 /h，經化驗為頂板砂巖水。
12 突水淹井過程及分析
4月12日8時47分，當2903工作面下巷掘進至750m處時，迎頭突然出現來壓片幫和涌水，此后突水量劇增，４個多小時后二水平泵房被淹，此時突水量約12000 m3/h。15時在突水點西側距離2500m處的奧灰地表水文孔觀測水位下降1550m；19時最大峰值突水量為74000m3/h。17日18時54分，礦井被淹沒，測算此時突水量為7000m3/h。
二水平被淹后，為力保一水平不被淹沒，曾采取措施將清水泵改造為污水泵，使最大排水能力提高到4200m3/h。組織施工了地面排水工程，并緊急租賃、安裝2臺500m3/h潛水泵。
突水后，來自科研、高校、地勘和有突水危險礦區的防治水專家，參加了整個搶險救災指揮決策的技術咨詢，防治水專家經過廣泛討論與分析后認為：到本次水災前，在太行山東麓峰峰、邯鄲、邢臺、井陘礦區等范圍內，2#煤均從未發生過陷落柱奧灰水突水災害。由于突水后地面奧灰水文孔的水位速降，降幅達29m。根據水量巨大、出水迅猛的特點和水質化驗，確定突水源為煤系地層基底奧灰強巖溶水。突水前未見突水征兆。在距突水點90m的東17鉆孔，終孔層位為9號煤底板，未揭露奧灰且封孔良好，未見地質異常，不可能為鉆孔突水。故可確定在該突水點附近存在導水隱伏陷落柱。
2 巷道注漿堵水設計
突水災害發生后，首先通過綜合物探及鉆探查清隱伏含水、導水構造形態，分布范圍和富水特征，以盡快為搶險救災和陷落柱治理方案提供依據。
21 陷落柱（綜合）探測
選擇加密三維地震探查突水體位置及邊界形態，采用瞬變電磁和直流電法探測突水體富水性及其分布特征，再通過鉆探查清隱伏含水、導水構造邊界參數。
三維地震勘探認為，區內發育一陷落柱，發育高度達到新生界底部，2#煤層處長軸120m，短軸72m，陷落柱邊緣距2903下巷出水點約5m左右，距2901采空區最小煤柱50m；電法探測認為，突水構造含水性較好，2#煤層處陷落柱長軸110m，短軸60m，陷落柱距2901采空區下側最小煤柱約65m。
采用瞬變電磁法和大功率高密度直流電法探測陷落柱距2901工作面下側煤柱寬度。瞬變電磁探測認為：短軸約50~80m，長軸約120m，發育高度達到上石盒子下部（-320m），最小煤柱寬度為65~75m。
為防止通過已開采的相鄰的2901工作面發生二次突水，在物探陷落柱長軸頂端2901采空區側又布置了一個定向探查孔（T1孔）。經過定向鉆探確認，陷落柱上部邊界與2901工作面下側之間實際最小煤柱寬度大于85m，滿足《礦井水文地質規程》關于含水、導水構造防隔水煤柱寬度的要求。
22 巷道注漿堵水設計
突水點位于2903工作面下巷距迎頭20m左右的位置，物探探測初步成果認為突水體為奧灰巖溶陷落柱，其長軸約120m，短軸約70m。據此提出治水方案設計。
?。?）治水方案的確定。根據陷落柱突水特征和物探初步結果，考慮到突水陷落柱與2901工作面的煤柱已經過回采動壓1年時間的考驗，基本可排除突水可能性，目標巷道位置準確，可充分利用當時的“充水條件”向巷內快速灌注骨料，有利于快速建成巷內阻力段，為注漿封水創造良好條件。因此采用施工地面鉆孔，先堵陷落柱過水巷道的方案，該方案分2個階段，先堵巷封水，用半年左右時間恢復生產，再在恢復安全生產的同時做探查陷落柱的工作，在確定陷落柱空間位置后再根治，這樣既可少排水，節約資金，又可提前恢復生產約05~10年。經論證后確定了封堵過水巷道的設計方案。
圖1 過水巷道封堵方案設計平面圖（略）
?。?）工程布置及施工設計要求。距巷道迎頭20m突水點外5m處布置G 1號鉆孔，并自G 1號孔以外每隔15m布置一個鉆孔，共布置8個鉆孔進行骨料充填及注漿封堵，在巷內形成105m長的“堵水段”，截斷過水通道。
巷道封堵工藝設計及步驟。巷道打透4個鉆孔后開始進行注骨料工作，留1~2個孔進行注料時的放氣。采用大水流噴射快速填注工藝進行骨料填注，水固比不小于6∶1，后期水固比10∶1以上。骨料有砂子和粒徑從5~70mm分級石子。注骨料前，安裝鉆機以備捅孔。骨料填注過程中要定期探測骨料堆積高度。當每個孔骨料均填注到巷道頂板之后再用細砂充填。充填封頂時，經反復下鉆透孔及沖掃，仍不能使骨料落至頂板以下時，表明巷道已充滿，可開始注漿。
按照巷道封堵設計，整個注漿過程大體分為3個階段，孔底（巷內）旋噴注漿、巷內充填升壓注漿、檢查加固注漿（高壓加固注漿）。
3 巷道注漿堵水施工
總體設計布置8個鉆孔，平均孔深581m，總鉆進量為4648m。為加快注漿堵水工程。決定鉆孔施工由中原石油鉆井一公司、華北油田修井大隊、中煤大地公司、鄭州煤電地勘公司承擔。注漿則由鄭州煤電地勘公司負責。
31 鉆孔施工
巷道注漿鉆孔單孔深度581m，目標巷道寬度僅45m,透巷難度很大，測量定位至關重要。利用與北京大學共同開發的地測信息管理系統、T2經緯儀和DI-20測距儀在地表標定鉆孔位置，再用GPS定位系統復檢孔位。
首先透巷的鉆孔是6#孔，工期15天，由中原鉆井一公司施工。北京中煤大地公司的鉆機設備系2002年我國首次引進的美國車載T685WS型風動鉆機，采用風動潛孔錘鉆進，高速氣流循環攜帶巖粉。鉆孔采用電子單點照相測斜儀測斜，24小時監測孔斜情況，施工5#和2#兩個注漿孔，工期分別為11天、10天。鉆孔施工工期共46天，鉆進進尺4607m。各鉆孔透巷誤差小于05m，質量符合設計要求。
32 巷道鉆孔骨料灌注及注漿
骨料灌注采用的是水射流沙石自重連續灌注法。骨料充填后，將巷道管道流變為滲透流，逐步增大沿程阻力，減少陷落柱出水量。投注排水量不小于80 m3/h。骨料粒徑按先從小到大、再從大到小的原則投放，骨料固相比為1∶1。共注入骨料4283 m3。
在巷內骨料充填、封頂后，建成足夠長度和強度的“阻力段”，把巷內的“管道流”改造成“滲透流”，再對各注漿孔進行旋噴注漿、充填注漿、升壓注漿、引流注漿，將巷道堆積物、巷道頂底板以及巷幫膠結成一個整體。其主要步驟為：①注前壓水；②制輸漿；③漿液壓注；④串漿處理；⑤停止注漿。
巷道鉆孔注漿從6月8日開始到9月22日結束，旋噴注漿水泥325t，充填注漿水泥14507t，升壓注漿水泥2368t，引流注漿水泥9176t，合計注水泥26376t。
33 注漿效果分析
每個注漿孔歷經了充填注漿、升壓注漿和加固及引流注漿過程，除了對2903下巷進行了全斷面封堵注漿外，對巷道頂底板均進行加固注漿封堵。單孔注漿結束時進漿量不大于50L/min，孔口壓力5MPa，孔底壓力達 10MPa以上，維持時間不少于30min。單孔注漿質量均按設計驗收合格。
本項注漿堵水工程不僅巷道的截流封堵質量可靠，對2903下巷從其頂板巖石導水裂隙到2#煤底板以下的巖層導水裂隙均已進行了封堵加固，而且還充分利用和發揮了“引流注漿”的條件，盡最大努力部分地改造了陷落柱及其周邊的其它導水通道，有效保障礦井今后的安全生產和減少礦井總涌水量。排水試驗初期，觀26奧灰孔水位略有下降，尚有部分泄漏。為此進行引流注漿堵水。歷經反復引流注漿，共注水泥9461.5t，不僅有利于巷道堵水，更對陷落柱連通的各含水層起到了封堵作用。
4 排水復產工程
復產工程的重點是追排水工程，一通三防系統恢復，井下供電和排水系統的恢復，井下冒頂處理和防治水以及工作面設備和出煤系統恢復等。
4.1 排水設備
自開始突水至9月22日注漿工程結束，測算礦井涌水總量約為1000萬m3。其中礦井總充水量約為680萬m3，另有部分出水滲透到采空區圍巖裂隙中及淺部小礦。
追排水設備為原煤炭部救災中心德國產大型潛水泵6臺，主井安裝2臺揚程550m、流量1000m3/h的潛水泵；副井安裝2臺揚程630m、流量1000m3/h的潛水泵和2臺揚程460m、流量550m3/h的潛水泵；主井、副井排水能力為5100m3/h，實際達7000m3/h。二水平利用一水平泵房排水和副井2臺潛水泵強排。地面排水用內徑14m的鋼筋混凝土管道直通至瞎馬河。
4.2 排水試驗和封堵質量評價
為檢查堵水效果，進行了3個降深的排水試驗。試驗表明-140m井下涌水量與回灌水量的總和預計為825 m3/h。因此，將礦井水位連續排降至一水平后恢復一水平泵房，并追排水到二水平。
經過注骨料和注漿后，奧灰水位全面回升，至9月29日追排水至一水平(-300m)，副井水位從-64.59m降至-300m，共排水530萬m3，當時實測涌水量為1100 m3/h，12月25日一水平涌水量為280 m3/h。從9月29日至11月24日追排水至-48003m，共排水260萬m3。至12月25日全礦井共排水9233萬m3。目前水文測孔水位繼續穩定上升。二水平（-480m）的涌水量從650 m3/h（2003年11月24日）持續下降，2004年8月31日測定二水平涌水量為120 m3 /h，且采空區來水量繼續呈穩定下降趨勢。經過各項觀測指標的綜合分析，均表明陷落柱過水巷道已被完全封堵，堵水率達100%。
4.3 生產系統恢復
當礦井追排水降至一水平（-300m）以下時，逐步恢復一通三防系統、井下供電和排水系統，并進行井下冒頂處理和防治水處理，再恢復工作面設備和出煤系統。
井下通風系統恢復順序為先主干后分支，再修復各采空區密閉。逐步恢復排水系統，達到設計排水能力。追排主井井底積水并清淤，恢復主井提升系統?；謴椭醒胱冸娝澳媳币碜冸娝?。大巷冒頂處理，水溝清淤，恢復大巷運輸系統。2003年11月11日工作面恢復出煤。2004年3月至4月曾創掘進單進1005 m/月的歷史最高水平，到2004年8月31日，測定二水平涌水量為120 m3 /h，比突水前僅增加30 m3 /h，且采空區來水量還在繼續下降; 生產煤炭101萬t，贏利1.2億元。
5 結束語
?。?）鑒于突水陷落柱空間形態的探測難度大，探測工期長，而突水巷道位置準確，陷落柱煤柱已經過回采動壓1年的考驗，基本可排除突水可能性。因此采用注漿封堵過水巷道，有利于加快治水工程進度，提前復產，減少損失。在巷道斷面大（15~ 22m2），圍巖強度低（抗張強度為017~020MPa），巷道坡度?。ㄐ∮?°）以及始終處于動水等條件下，注入骨料4283 m3，水泥26376t，設計標準高，且施工質量均高于設計標準。奧灰水位穩步回升， 目前-480m水平總涌水量約為120 m3/h。滯后總涌水量還將穩步減少。這些指標充分證明，治水方案技術先進，安全可靠，注漿工程優良，達到了設計目的。
?。?）在加密三維地震、大功率瞬變電磁和電法、V6可控源大地電磁法、孔內地震等多種物探手段探測的基礎上，通過煤柱側的定向鉆孔探測，突水陷落柱煤柱側的空間邊界形態已基本查明，煤柱寬度符合規程要求，可排除該陷落柱發生二次突水的可能性。實踐證明，復產預案技術合理，切實可行，安全可靠。
?。?）對于突水陷落柱是否根治，或者采用留設防水煤柱的方法，應根據突水陷落柱空間形態探測的具體情況，經過技術、經濟、安全和環保的全面分析及比較，才能確定。東龐礦在綜合物探基礎上，采用定向鉆探，進一步查明了突水陷落柱的空間邊界形態。
?。?）本次突水災害的突發性和導水通道的隱蔽性，是河北省南部礦區類似條件下前所未有的，國內尚屬罕見。為了最大限度地減災防災，要對2#煤開采的水文地質條件重新認識和研究，全面建立水位動態監測系統。上、下組煤開采均應在井上、下全面采取綜合勘探。同時通過技術創新，強化對礦井地質和含水、導水構造規律的研究，不斷提高礦井綜合抗災能力。
參考文獻
1 中國煤礦防治水技術經驗匯編 ［M］，北京: 煤炭工業出版社，19985
2 陳立武等地測安全保障信息系統研究與應用 ［J］煤炭科學技術，20032
3 河北金牛能源股份有限公司東龐礦，東龐礦全面恢復生產安全評價報告，200312
