0 引言

矿井开采过程中形成的导水裂缝带及底板破碎带、人工封闭不良钻孔等导水通道延伸至充水含水层、地表水时，会导致含水层水、地表水涌入井下[1-2]。超前探放水钻孔对充水含水层的疏放，使得含水层水涌入井下。在矿井全生产周期内，井筒、掘进工作面、回采工作面等会持续产生矿井水，矿井排水系统承接着将矿井水抽排至地表的功能，矿井排水系统的可靠性至关重要，直接影响矿井安全生产。

水仓作为矿井排水系统重要的一环，起到集中储存矿井水、沉淀矿井水的作用。《煤矿防治水细则》等明确规定：“矿井主要水仓应当有主仓和副仓，当一个水仓清理时，另一个水仓能够正常使用。新建、改扩建矿井或者生产矿井的新水平，正常涌水量在1 000 m3/h以下时，主要水仓的有效容量应当能容纳所承担排水区域8 h的正常涌水量。采区水仓的有效容量应当能容纳4 h的采区正常涌水量，排水设备应当满足采区排水的需要。”[3-4]因此，矿井水仓的完整性、可靠性极大地影响矿井水的正常排放和矿井安全。

在矿井开采过程中，由于煤层采动破坏了围岩及顶板岩层原始应力状态，使得围岩及顶板岩层发生变形乃至破坏[5-6]。水仓实质是井下储水的巷道，因此需留设相应的保护煤柱，防止煤层采动围岩破坏影响水仓的完整性，以确保水仓的安全。

某煤矿水仓周边为采空区，采空区作为过滤采区矿井水使用。在清理水仓后发现水仓巷道出水点较多，最大涌水量达到15 m3/h，出水点位置主要为水仓巷道碹与碹之间的缝隙，且靠近过滤采空区一侧，长期渗漏情况下可能进一步使煤柱失稳[7-10]。为确保水仓安全性，需对水仓与过滤采空区间留设的防隔水煤柱进行安全评价，并采取相应的治理措施，以提高防隔水煤柱的稳定性。

1 矿井水仓基本情况

1.1 水仓基本情况

矿井水仓位于主斜井井底，北西侧为22211过滤采空区，南西侧为22号煤层中央辅运大巷。水仓目前主要负责22号煤层采空区涌水抽排。水仓分为主水仓和副水仓，总容量2 060 m3。

水仓净断面为半圆拱形，宽4.20 m，高3.27 m，支护形式为“锚喷+砌碹”，锚杆采用Φ16 mm×1 800 mm，间排距1 000 mm×1 200 mm，4根矩形布置，喷砼厚度50 mm(强度C20)，锚喷后进行砌碹，碹厚度300 mm。

水仓主仓靠近22211采空区，设计保护煤柱21 m。在22211工作面巷道掘进过程中，向水仓侧挖掘了3个硐室，硐室深11 m，硐室导致22211采空区与主水仓间煤柱为10～15 m，保护煤柱最小处10 m位于2号硐室处，远小于原设计的21 m保护煤柱。水仓与过滤采空区位置关系如图1所示。

1.2 煤柱安全性分析

将矿井水排入水仓主仓相邻的22211采空区过滤后排出，因此22211采空区作为过滤采空区使用。22211采空区在水仓区域处于22号煤层相对局部低洼点，监测得到水位标高+1 113.5 m，水仓主仓在22211采空区侧底板最低标高+1 102.9 m，22211采空区与水仓间水位高差为10.6 m。水仓与过滤采空区剖面如图2所示。

水仓附近Q77钻孔显示，22号煤层厚度6 m，煤层顶板为8.7 m的粉砂岩，水仓顶板存在2.73 m 的煤层，分析认为，水仓在采空区侧出水水源为采空区过滤水，采空区过滤水经煤柱裂隙发生渗漏出水。采用《煤矿防治水细则》中关于防隔水煤(岩)柱的尺寸要求，22211采空区与水仓间煤柱留设厚度计算见式(1)：

(1)

式中：L——煤柱留设的宽度，m；

K——安全系数(2～5)，取5；

M——煤层厚度或采高，取6 m；

p——安全水头压力，取0.1 MPa；

Kp——22号煤层的抗拉强度，取0.35 MPa。

经计算得出，水仓与22211采空区间安全煤柱宽度为14.3 m。煤柱宽度不满足防隔水煤柱安全需求；同时水仓巷道采用砌碹工艺，砌碹壁后存在空隙，进一步影响了碹体结构的承载力，在水压作用下，壁后空隙易发生渗漏[11-12]。

22211采空区过滤水经煤柱裂隙发生多处渗漏，涌水量最大达到15 m3/h，破坏了煤柱的稳定性。若长期渗漏出水，会使渗流通道的冲蚀扩大，相邻裂隙进一步贯通，使煤柱裂隙逐渐变大，煤柱逐渐失稳，从而导致采空区突水，进一步影响水仓的安全可靠。因此，需对该煤柱进行注浆加固，增强煤柱稳定性，确保水仓的安全。

2 水仓保护煤柱注浆加固设计

为避免22211过滤采空区水长期渗透破坏煤柱的稳定性，采用了地面施工钻孔对硐室进行注浆充填，从而增加煤柱厚度[13-14]；在井下水仓巷道出水位置施工钻孔进行壁后注浆，封堵渗漏裂隙，以提高煤柱整体强度[15-18]。

2.1 地面注浆充填硐室设计

根据Q77钻孔揭露资料可知，该区域第四系厚度4 m，22号煤层埋深100 m，据此来设计地面注浆钻孔结构。在地面施工钻孔对1号～3号硐室进行注浆充填，每个硐室设计2个钻孔，钻孔距离硐室开口端及最里端均为3 m，2个钻孔间距为5 m，共设计6个钻孔，即Z1～Z6钻孔。地面注浆钻孔布置示意如图3所示。

22211工作面按实测裂采比计算得导水裂缝带高度为89 m，以70°塌陷角考虑塌陷影响范围为32 m。22211工作面与1号～3号硐室最里端距离为16.7 m，钻孔处于塌陷影响范围的裂缝带内。

钻孔以Φ300 mm开孔钻进至第四系底部进入基岩，下入Φ273 mm套管固管，扫孔后以Φ190 mm 钻进至95 m，考虑到采空区塌陷影响，下入Φ159 mm套管至95 m并固管，扫孔后以Φ115 mm钻进约5 m进入硐室。地面注浆钻孔结构示意如图4所示。

2.2 井下渗漏点注浆设计

由于水仓主仓有很多渗漏出水点，为封堵渗漏裂隙，在井下水仓主仓设计注浆钻孔51个，其中水泥注浆钻孔28个，化学注浆钻孔23个。

2.2.1 水泥注浆钻孔

在侧帮拱基砌碹处及巷道顶部中心线处使用Φ27 mm钻头施工水泥注浆钻孔，下入封孔器及注浆管，钻孔深度以穿过砌塇进入煤岩为准，约0.5 m。侧帮钻孔间距5～10 m，顶部钻孔间距15～20 m，钻孔尽量布置在漏水量较大的位置，侧帮钻孔数量24个，顶部钻孔数量4个。侧帮注浆钻孔向22211过滤采空区方向施工，顶部注浆钻孔向煤层顶板方向施工。

2.2.2 化学注浆钻孔

待水泥注浆钻孔浆液凝固后，在水泥注浆钻孔间施工化学注浆钻孔，注入化学浆以实现补充封堵。

化学注浆钻孔在侧帮拱基砌碹处水泥注浆钻孔间隔施工，钻孔Φ27 mm，深度约1 m，共设计23个化学注浆钻孔。下入封孔器及Φ25 mm注浆管，单孔注浆量由输入压力来控制，根据砌碹巷道实际情况单孔注浆压力不得超过1.5 MPa。化学浆液通过钻孔注入，随裂隙往里渗透，如浆液从出水点流出及时控制调整注浆压力，直至将出水点封堵住。

3 水仓保护煤柱注浆加固

3.1 地面注浆钻孔

地面注浆钻孔按照设计要求施工完成后，硐室口处的Z1、Z3、Z5钻孔先行逐次投沙，每投入一定量沙子后，钻孔扫孔测量投沙高度，继续投沙扫孔，如此反复直至沙子堆积接顶至硐室顶板。Z1、Z3、Z5钻孔逐次投沙高度示意如图6所示。

投沙结束后，扫孔至硐室底板，将水泥浆通过钻杆注入沙层中进行旋喷置换，注浆过程中转动并提升钻杆，采用间歇式注浆方式，单次注浆时间约10 h，等待凝固后扫孔再注浆，如此循环，直至扫孔后不吃浆为止。Z2、Z4、Z6钻孔采用间歇式纯水泥注浆，直至吃浆量变小，采用纯水泥浆进行打压，稳压30 min以上，压力不低于2 MPa，结束钻孔注浆。其中，水∶水泥重量比为1∶0.8～1∶1.2，添加一定量的水玻璃，水玻璃用量最小为水泥量的2%，最大不超过水泥量的25%。井下硐室投沙总量达到860 m3，水泥1 737 t，水玻璃86.8 t。

3.2 井下注浆钻孔

在井下水仓侧帮拱基碹处施工24个钻孔，顶部施工4个钻孔，对侧帮整个断面及顶部进行水泥注浆。钻孔穿过拱基砌碹进入煤岩，依据砌碹的实际情况及钻孔揭露情况，对砌碹及壁后空隙采用水泥浆﹑水泥-水玻璃双液浆注浆。水泥注浆采用分段、分块逐步注浆，确保砌碹壁后空隙充填密实，保证砌塇的承压强度。当钻孔注浆终压力达到1.5 MPa且有浆液溢出时，采用水泥-水玻璃双液浆进行封孔。共注入水泥230 t，水玻璃6 t，水泥钻孔注浆后，水仓砌碹间基本无明流，仅呈渗漏状态，水泥钻孔注浆效果明显。

待水泥注浆钻孔浆液凝固后，在侧帮拱基砌碹处水泥注浆钻孔间施工化学注浆钻孔，注入化学浆以实现补充封堵。单个化学注浆钻孔深度约1 m，通过Φ25 mm注浆管注入化学浆，共注入化学浆5.65 t。化学浆液随裂隙注入，此时砌碹间渗漏已完全消失，水仓煤柱已不出水，水化学钻孔补注浆效果明显。

4 煤柱加固效果评价

4.1 硐室充填效果

1号～3号硐室实际深度11 m、宽5 m、高4 m，硐室体积220 m3。1号硐室充填沙子用量287 m3、水泥用量599 t；2号硐室充填沙子用量328 m3、水泥用量650 t；3号硐室充填沙子用量245 m3、水泥用量487 t。1号～3号硐室实际充填沙子及水泥远大于硐室体积，且Z1、Z3、Z5钻孔通过旋喷注浆达到接顶时，Z2、Z4、Z6钻孔孔内浆液堆积体距硐室顶板仅差0.3、0.5、0.4 m接顶，硐室已基本呈充满状态。

在各硐室2个注浆钻孔间施工检查钻孔，检查钻孔在钻进至硐室浆液结石体中未出现漏浆、掉钻卡钻现象，取芯后对浆液结石体岩芯不同层段进行单轴抗压强度测试，单轴抗压强度为4.47～5.30 MPa，平均抗压强度为4.80 MPa，浆液结石体抗压强度能够满足要求。硐室的有效充填增加了水仓与过滤采空区间的距离，使得水仓与过滤采空区间的煤柱得到加固。

4.2 渗漏点注浆效果

井下水仓砌碹处利用水泥-水玻璃双液浆注浆钻孔、化学注浆钻孔，对水仓砌碹壁后空隙注浆，有效充填固结了碹体间的空隙，增强了碹体结构的承载力，进一步增加了水仓砌碹巷道围岩的稳定性；水仓砌碹裂缝多处渗漏点渗水，涌水量达到了15 m3/h，在井下注浆钻孔注浆过程中，渗漏点逐渐减少，涌水量逐步降至为0。

5 结论

(1)计算了过滤采空区与水仓间防隔水煤柱留设厚度，分析了当前采空区过滤水经煤柱裂隙长期渗漏、破坏煤柱稳定性的危害。在煤柱留设不足、砌碹体壁后存在空隙影响下，煤柱可能发生失稳，影响水仓的安全可靠。

(2)采用地面钻孔注浆充填硐室，注浆量大大高于硐室体积，增加了防隔水煤柱厚度；采用井下水泥即水化学注浆钻孔对水仓砌碹体壁后进行注浆，封堵了砌碹裂缝，使得渗漏量由15 m3/h降至0，提高了砌碹体结构的稳定性。

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Study on safety evaluation and grouting reinforcement treatment for water-proof coal pillar of mine sump

HUANG Huan1,2, YANG Maolin3, XU Feng1,2, CHEN Yongliang4, DANG Yakun2

(1.China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2.CCTEG Xi'an Research Institute, Xi'an, Shaanxi 710077, China;3.China Energy Shendong Coal Group Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719300, China;4. Halagou Coal Mine, China Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd., Yulin, Shaanxi 719300, China)

Abstract Under the influences of adjacent mining disturbance, insufficient width of water-proof coal pillar and incomplete filling behind arch wall, water from adjacent goaf leaks into mine sump through arched roadway in a coal mine, which greatly affects the safety and stability of the mine sump. In order to further strengthen the stability of coal pillar of the mine sump, the combination of ground drilling and underground drilling was adopted to grout and reinforce the mine sump. The underground chamber was filled by ground drilling grouting with 245-328 m3 of sand and 487-650 tons of cement, the volume of filling materials was much larger than the chamber volume of 220 m3, effectively increasing the thickness of the coal pillar. Using underground drilling to carry out cement grouting and hydrochemical grouting at the arch wall, the water inflow at the cracks of the arch wall was reduced from 15 m3/h to zero, and the filling effect of the gaps behind the arch wall was good. Through the grouting filling of coal pillar and the gap behind arch wall, the stability of water-proof coal pillar in the mine sump was effectively improved.

Keywords mine sump; water drainage system; water-proof coal pillar; goaf water; grouting

引用格式：黄欢，杨茂林，许峰，等.水仓防隔水煤柱安全评价及注浆加固治理研究[J].中国煤炭，2024，50(4)∶57-62. DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.04.007
HUANG Huan，YANG Maolin，XU Feng，et al. Study on safety evaluation and grouting reinforcement treatment for water-proof coal pillar of mine sump[J].China Coal，2024，50(4)∶57-62.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.04.007

作者简介：黄欢(1988-)，男，湖北随州人，硕士，助理研究员，主要从事矿井水文地质等方面工作。E-mail：huanghuan@cctegxian.com

中图分类号 TD74

文献标志码 A

(责任编辑 张艳华)