谢桥煤矿综采工作面陷落柱技术研究

方良成，周继生，张延喜

(淮南矿业(集团)有限责任公司谢桥煤矿，安徽 淮南 232001)

0 引言

岩溶陷落柱是我国华北煤田广泛发育的一种极富区域特色的地质现象。岩溶陷落柱是岩溶洞穴塌陷的产物，它是煤系下伏可溶性岩层，经地下水强烈溶蚀后，形成较大的溶洞，在各种地质因素作用下，引起上覆岩层的失稳、塌陷，形成筒状柱体，是岩溶引起的一种特殊地质现象，因塌陷体的剖面形状似一柱状，故称陷落柱［1］。陷落柱对煤矿采掘工程影响甚大，如造成资源的损失、工作面的布置及工作面顶板控制困难等，当岩溶陷落柱与含水层沟通时，还容易造成工作面采掘至此时的突水灾害［2］。

陷落柱这一特殊的水文地质现象仅在中国和德国、俄罗斯等少数国家出现，因此在这些国家的研究最为深刻。国外学者的研究主要借助于顶板垮落理论解释垮落过程，例如，1907年俄罗斯普罗托吉亚夫提出的拱形冒落论，德国舒尔茨和施托克提出的悬臂梁(板)理论，俄罗斯库兹涅夫提出的岩块铰结构，后经改造发展为砌体梁平衡、块体理论、人工铰理论等。

由于对我国煤矿的安全影响最大，因此我国对陷落柱研究也最为深刻。近年来，针对我国华北陷落柱的特殊地质环境及岩体结构，地质界、采矿界的学者从地质条件、影响因素及分布规律、特征及受控机制等方面作了多种研究。一些研究人员对陷落柱的形成、导水、突水、阻水和堵水机理进行了比较详细的分析，取得了比较一致的认识:即陷落柱形成必须具备其下伏地层中有可溶性岩石存在并有流动地下水的作用;陷落柱突水的条件是具有较高的动水压力、贯通的渗流通道、一定的围岩应力条件，并据此初步提出了简化的陷落柱突水物理模型和力学模型。

然而，在岩溶陷落柱研究方面还有许多问题未得到满意的解释，研究成果远远不能满足煤炭事业发展的要求，一些认识和观点有待进一步探讨，预测的精确程度和定量化程度还不够高，探测的方法和手段尚需不断改进和完善。

谢桥煤矿是淮南矿业(集团)有限责任公司主力矿井之一，位于淮北平原西南部、安徽省颍上县境内，横跨颍上县和淮南市凤台县，其中心南距颍上县城20km，东南至凤台县城约34km。矿界西起F5断层与刘庄矿毗邻，东至F209断层与张集矿相接，北起1煤层隐伏露头线，南止17－1煤层－1000m底板等高线或谢桥向斜轴地面投影线。东西走向长约11.5km，南北最大倾斜宽4.3 km，面积约38.2 km2，目前6煤层13216综采工作面亟待开采。

1 概况

1.1 井田含煤地层及构造

谢桥井田含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系中下统山西组与石盒子组。其中二叠系中下统山西组与石盒子组为矿井主要含煤地层。

井田总体呈一走向近东西、向南倾斜的单斜构造。地层走向N70～80°W(南倾)，倾角10～15°。产状平直稳定，单斜构造特征明显。井田一水平东翼采区发育两个岩溶陷落柱，陷落柱塌陷宽度大、发育层位深，表现为整体下沉，是影响矿井安全开采的重大隐患。

1.2 水文地质概况

谢桥井田含水层主要有第四系松散层孔隙含水组、二叠系砂岩裂隙含水组和石炭太原组以及奥陶系灰岩岩溶裂隙含水组3大类，各含水层之间均有有效隔水层或相对隔水层隔开［3］。

13116综采工作面主要充水因素为顶板砂岩裂隙水、老塘水、陷落柱水。

1.2.1 砂岩裂隙水

工作面6煤层老顶赋存有砂岩，局部裂隙发育，含砂岩裂隙水，与其他含水层无水力联系，属静储量消耗型。该面上阶段的13116工作面，在下顺槽掘进期间有不同程度的滴淋水现象，13116原切眼掘进期间发生过顶板砂岩裂隙突水现象，最大涌水量为13.7 m3/h。

1.2.2 老塘水

本面上阶段13116工作面已回采完毕，13216上顺槽掘进期间共施工了23个探放水钻孔，共放老塘水10616.16 m3。

1.2.3 陷落柱水

13216下顺槽距1#陷落柱最近平距20 m，下顺槽掘进期间，利用物探和钻探相结合的综合探测方法，使下顺槽安全通过了1#陷落柱影响区，但工作面回采时仍受1#陷落柱威胁。

1.3 岩溶陷落柱形态特征

井田东翼采区1#岩溶陷落柱经过地面钻探、三维地震成果资料重新解释及井下巷道揭露，具有以下形态特征:

顶界位于11－2煤顶板，影响11－2煤及以下煤层，平面形态为近似椭圆形，长轴近SN向，短轴近EW向，立体形态呈上小下大的锥体;在8煤层长轴195m、短轴125 m，在6煤层长轴240 m、短轴156m，在4煤层长轴275m、短轴240m，在1煤层长轴310m、短轴250 m，在1灰顶部长轴350 m、短轴270m。柱内地层整体下降14～38 m，岩层受挤压、揉皱后多成碎块状，水溶蚀作用明显，岩石抗压强度极低(为正常岩层的20% ～50%)。

1.4 13216综采工作面概况

13216综采工作面为东二B组采区6煤层二阶段，工作面可采走向长1481.5 m，倾斜长157.6 m，该面煤层较稳定，沿顺槽方向煤层底板起伏较大，自西向东煤层底板逐渐上升，局部地带有煤层变薄、缺失现象，煤层产状190°～200°∠11°～17°，平均 13°，可采储量 81.8万吨。上顺槽距切眼671～766 m，为无煤区。上顺槽距切眼0～118 m，煤厚1.5～2.6 m;距切眼235～315 m，煤厚1.1～3.0 m;距切眼667～765 m，煤厚为0～0.8 m。下顺槽距切眼833.4～884.4 m，煤厚 0.8～2.5 m;距切眼 1185～1343 m，煤厚为0.2～2.5 m。

本工作面煤层老顶岩性为粉砂岩，浅灰～灰色，砂泥质结构，性脆，易碎(0.6～6.0 m)。直接顶为泥岩或粉砂岩，灰色，局部含砂质，坚硬，偶见小裂隙，含少量黄铁矿，局部相变为砂质泥岩或为粉砂岩直接覆盖煤层之上(0.7～6.0m)。煤层直接底泥岩夹煤线，深灰色，泥质结构，局部发育有薄煤线(0～5.77 m);老底以细砂岩为主，灰白色～灰色，细粒结构，含较多暗色矿物，见滑面，上部垂直裂隙发育，裂隙被方解石重填，近似水平层理。

2 过陷落柱技术探查

2.1 综合物探工程布置

2.1.1 矿井瞬变电磁布置方案

1)沿13216工作面运输巷道布置瞬变电磁法的一条测线，如图1。

2)巷道顶底板探测方法

若发射线框和接收线框水平放置于巷道(图2(a))，则探测巷道正上方顶板或正下方底板一定范围的电阻率分布;若发射线框和接收线框倾斜放置于巷道(图2(b))，则探测巷道侧上方顶板或侧下方底板一定范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断顶板或底板岩层的含水性。

3)确定探测方向

根据13216工作面实际采掘条件，在运输顺槽设计6个不同的探测方向(水平方向、巷道垂直方向、对陷落柱方向俯角30°、对陷落柱方向仰角30°、对工作面方向俯角45°、对工作面方向仰角45°方向)进行矿井瞬变电磁探测，分别控制工作面顶底板及侧方100 m范围内的岩层。

2.1.2 高密度电法仪布置方案

1)沿13216工作面运输巷道布置高密度电法率法一条测线，如图1。

2)巷道底板测深方法

沿着测线布置电极，测线探测长度为800 m，点距10 m，采用对称四极装置进行测量(图3)，物理点1146个。

图1 13216工作面物探探测测线布置图

图2 巷道顶板探测方式

图3 电测深法工作原理示意图

2.2 综合探查结果

物探选用井下瞬变电磁法和直流电法进行综合探查［4］，超前探测巷道前方100 m范围内富水情况。运输顺槽共进行6轮物探，6次钻探，物探和钻探表明陷落柱影响区内不含水，保证了运输顺槽安全通过1#陷落柱影响区。

为保证工作面安全回采过1#陷落柱影响区，回采前利用井下瞬变电磁和高密度电阻率法等物探方法进行综合探查［5］，探查表明:在巷道底板20～40 m深度层段，地层电阻率相对偏低，主要是砂泥岩和泥岩地层引起，其中仅局部砂岩含水，富水性相对较弱;6煤底板以下，1#陷落柱电阻率相对较低，尤其在30～40 m深度，陷落柱边界低阻特征较明显，判断主要是岩性引起，仅在陷落柱局部含水，但富水性相对较弱(图4)。

为验证陷落柱的含、导水性，在运输顺槽巷道底板，垂直巷道下帮向陷落柱方向施工了2个验证孔，即验1#孔和验 2#孔，验1#孔倾角 －35°、孔深65m、终孔6煤底板24.3m，验2#孔倾角－40°、孔深65 m、终孔6煤底板27.5 m。2个验证孔验证结果均无水，详见(图5)。

3 过陷落柱技术

3.1 注浆加固技术

为防止工作面采动影响使1#陷落柱活化导水，确保13216工作面回采安全通过1#陷落柱影响区，在运输顺槽距离切眼863 m到1057 m共计194 m范围内，在运输顺槽下帮底板，对陷落柱进行注浆加固，以增加采动条件下岩体的抗压强度。

根据《采矿工程设计手册》［6］提供的参数及经验数据，岩层中浆液的有效扩散半径为6～8 m，本次设计钻孔浆液扩散半径为7 m，注浆钻孔间距为10 m，方位191.5°(即垂直运输顺槽，方向向南)，根据加固段附近补Ⅱ6钻孔6煤与5煤之间砂岩厚8.2 m，终孔位于6煤底板6 m砂岩中，加固宽度为24m，加固厚度为14m，计19个孔，孔径91 mm，详见图2。

图4 13216工作面运输顺槽矿井瞬变电磁探测视电阻率顺层切片叠合图

图5 13216工作面过陷落柱综合探查与注浆加固平面示意图

注浆机型号选用ZBY3/16－22煤矿用液压注浆泵，工作压力0.5～16MPa，流量3m3/h;注浆材料为325#普通硅酸盐水泥，注浆浓度1.5∶1至0.75∶1;注浆压力达到6 MPa时，稳压注浆30 min后，结束钻孔注浆。

本次注浆采用单液浆形式注入，注浆终压为6 MPa，注浆加固工程历时17天。通过注浆加固工作面安全回采通过了1#陷落柱影响区。

3.2 开采技术

通过13216工作面下顺槽6个方向的矿井瞬变电磁探测及高密度电法底板探测，1#陷落柱及影响带范围内仅局部含水，且富水性相对较弱，因此在矿方对物探低阻异常区进行验证的基础上，可以进行正常回采。由于1#陷落柱与13216工作面下顺槽最小间距为20 m，处于该工作面采动影响边界，因此，回采过程中，要密切注意陷落柱的可能活化及其导水性的变化。

4 结论

根据本次矿井瞬变电磁法和高密度电法探查结果以及矿井水文地质资料综合分析，结合与邻近采区瞬变电磁法探测结果的比较，得出6煤顶板之上，陷落柱电阻率相对较高，不含水;6煤底板以下，陷落柱电阻率相对较低，主要由岩性引起，仅在陷落柱局部含水，富水性相对较弱。

顶板的含水程度解释是相对的，最终的含水性应以探水钻孔资料来进行标定。即使钻探验证在异常区未出水，在工作面回采中，也要密切注意对应低阻区开采过程中工作面出水情况，确保安全开采。为防止后期巷道掘进和工作面回采过程中，不导含水陷落柱受到震动扰动，导含水性发生改变，需要对陷落柱进行注浆加固，注浆采用单液浆形式注入，通过注浆加固改造，保证了陷落柱体内在受到掘进及回采扰动后不对生产产生影响。

通过对1#陷落柱影响区的综合探查及注浆加固技术，确保了工作面安全采掘，多回收1#陷落柱影响区煤炭资源量10.2万吨，按每吨煤570元计算，创造产值5814万元，同时13216工作面过1#陷落柱影响区综合探查和注浆加固技术的成功实施，为今后矿井类似工作面回采过陷落柱影响区积累了丰富的经验，对井下陷落柱治理具有十分重要的指导意义和借鉴价值。

［1］ 郭达志，盛业华，金学林，等.岩溶陷落柱综合探测的基本原理与方法［J］. 煤炭学报，1994，(06):626－634.

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［5］ 张荣立，何国纬，李铎.煤炭工业出版社［M］，2003.

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