平朔矿区导水陷落柱井下探查与治理技术

张忠温，梁兴旺，张中静

(1.中煤平朔集团有限责任公司，山西 朔州 036000；2.山西中煤担水沟煤业有限公司，山西 朔州 036000)

地质与勘测

平朔矿区导水陷落柱井下探查与治理技术

张忠温1，梁兴旺1，张中静2

(1.中煤平朔集团有限责任公司，山西 朔州 036000；2.山西中煤担水沟煤业有限公司，山西 朔州 036000)

论述了在平朔矿区井工一号井19108工作面，利用井下物探、钻探、化探等综合探查技术手段，在回采工作面前方发现一导水陷落柱。采用边探查、边设计、边治理的原则，分阶段、分次序，利用井下钻探对奥灰上部钻探注浆加固、封堵治理技术，成功治理了该导水陷落柱，实现了工作面安全、顺利回采，为国内类似条件下陷落柱治理提供了经验。

平朔矿区；导水；陷落柱；探查技术；井下治理

TreatmentTechnologyandUndergroundExplorationofWaterConductedCollapseColumninPingshuoMineDistrict

平朔矿区主采煤层为石炭系太原组4号、9号和11号煤层，其平均厚度分别为10.47，12.91和3.73m。井田内主要含水层有新近系孔隙含水层、石炭-二叠系砂岩裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。主要隔水层为11号煤底板本溪组隔水层、石炭-二叠系层间隔水层和新近系红土隔水层。

矿区内奥陶系灰岩广泛分布，岩溶裂隙十分发育，奥灰含水层水位标高约+1060m，9号、11号煤层相对奥灰含水层均为带压开采，且含水层距11号煤层底板仅约35m。在平朔矿区30a的采掘过程中先后揭露几十个陷落柱，陷落柱的存在对矿井安全生产存在严重潜在威胁。2016年中煤平朔集团井工一矿19108工作面通过井下探查发现了1个导水陷落柱，矿井通过井下综合探查和注浆治理，成功地对该陷落柱进行了井下治理并安全回采通过。

1 19108工作面概况

19108工作面开采9号煤层，工作面走向长度3150m，倾向长度300m，采用综放开采(见图1)。

19108工作面地质条件局部较复杂，工作面两巷掘进过程中揭露大小断层24条，在辅运巷掘进过程中2260m处钻探探明1个不富水陷落柱，并在巷道掘进时揭露，陷落柱编号为19108-1，长轴16.2m，短轴7.6m，面积94m2。陷落柱处巷道底板标高+1041m，顶部发育至9煤底板上2.5m，标高低于奥灰水位19m，井下钻探探查结果显示，该陷落柱基本不导水、不富水，对矿井安全生产影响较小。

图1 平朔井工一矿19108工作面平面示意

19108工作面形成后，利用音频电透视对工作面9号煤层顶底板富水情况进行了探查。在对物探结果显示的2号异常区(如图2)进行钻探验证时，F7-1号顶板钻孔出现空推、出水等异常现象，通过观测钻孔初始水量为18m3/h。钻孔放水62000m3后，水量保持稳定。

该异常区处9煤底板标高为+1000m，距奥灰顶面约47m，底板带水压1.07MPa，突水系数为0.023MPa/m，为带压开采安全区。

图2 19108工作面物探2号异常区平面示意

2 陷落柱探查及治理

2.1 异常区探查

2.1.1 钻探初步探查

为了进一步探查异常区情况，矿井对该异常区域进行了钻探加密探查。本次共布置煤层顶底板及煤层钻孔14个。14个钻孔中9个钻孔出现空推、进尺加快等异常现象，8个钻孔有出水现象，单孔最大水量达55m3/h。钻孔岩芯破碎、块状，且地层出现由煤变为顶板砂质泥岩及砂岩等异常现象。另外，在施工煤层底板钻孔出水后，顶板出水钻孔水量出现明显减小现象。

2.1.2 水质化验

为了确定异常区充水水源，对探查钻孔水样进行了水质化验，并与该出水点附近的矿井奥灰水文孔水质化验成果进行了对比分析(见表1)。

表1 钻孔水质与水文孔水质对比

2.1.3 异常区物探精细探查

为了对2号异常区范围进一步准确圈定，并与初次物探、钻探探查结果相互验证，同时为下一步异常区治理做好准备，利用高分辨直流电法探测方法对工作面2号异常区进行再次精细探查。根据物探探测结果圈定异常区范围，并与前期物探、钻探探查结果对比分析，2次探查2号异常区范围基本一致(见图3)。

图3 19108工作面陷落柱钻探范围与物探探查范围平面对比

根据19108工作面2号异常区物探、钻探及化探资料综合分析，最终确定该异常区为1个导水陷落柱(编号为19108-2陷落柱)。

该陷落柱位于工作面辅运巷1550m处的工作面内33m左右，长轴(东西方向)44.3m，短轴33.8m，面积约1167m2，与1号陷落柱相距690m，陷落柱顶部发育至9煤顶板20m左右。

3 导水陷落柱的治理

3.1 治理方案的确定

19108-2陷落柱的基底发育至9煤底板下47m奥陶系灰岩含水层，陷落柱破碎体成为奥灰含水层向9号煤层充水的导水通道。考虑到9号煤层距奥灰含水层较近，底板隔水层厚度有限，根据带压开采突水系数评价标准，则对19108-2陷落柱直接采取在奥灰顶部10m和隔水层下部20m进行注浆加固，形成“堵水塞”，增加煤层底板有效隔水层，直接切断奥灰含水层导水通道，实现煤层安全开采。

3.2 施工地点的选取

陷落柱注浆加固治理一般分为地面和井下治理2种形式，且地面治理一般优于井下，但由于矿井上组煤已经回采，19108工作面上方为4号煤采空区，实施地面施工的难度较大。而在井下，陷落柱边界距19108工作面辅运巷水平距仅33m，煤层底板距奥灰47m，且井下空间及运输均较为便利，因此，井下施工较为可行。综合考虑，本次陷落柱治理施工采用井下治理方式。

3.3 陷落柱治理

3.3.1 初步方案及治理效果

3.3.1.1 初步方案

根据19108-2陷落柱的发育范围，以及华北型煤矿导水陷落柱内注浆扩散半径的经验数据(20m)，初步设计6个钻孔，其中4个钻孔对19108-2陷落柱柱体胶结及裂隙发育特征进行探查并治理，为探查和注浆孔，终孔位置为奥灰顶部10m；2个钻孔为检验孔，主要是检验加固段的凝结情况和注浆堵水效果，钻孔平、剖面布置见图4、图5。

图4 19108-2陷落柱治理工程钻孔布置

图5 19108-2陷落柱治理工程钻孔剖面

3.3.1.2 治理效果

根据初步设计4个注浆孔的施工情况，注2孔钻进过程中未见异常情况，终孔出水量0.2m3/h，注入水泥量0.80t，水泥浆液扩散半径不能达到原设计要求；注4孔处为主要裂隙导水通道，终孔水量为12.3m3/h，注入水泥量305.85t。通过初步治理方案施工可以发现，19108-2陷落柱呈各向异性，裂隙发育分布不均，需采取“边施工、边分析、边设计”的三边原则对该陷落柱进行治理。

3.3.2 奥灰顶部治理方案及治理效果

通过多次探查、优化设计和注浆治理，最终施工奥灰顶部注浆钻孔20个，共计注入奥灰层水泥1157t。最终施工奥灰顶部注浆加固钻孔设计平面图见图6。

图6 19108-2陷落柱治理最终奥灰层加固钻孔设计平面

通过注浆治理，建造“堵水塞”，使原陷落柱探查钻孔出水量16.3m3/h减小至0.413m3/h，钻孔基本无水，说明奥灰含水层顶部10m段注浆治理效果明显。

3.3.3 底板隔水层下部加固方案及治理效果

为了确保煤层底板形成足够有效隔水层，除对陷落柱奥灰顶部10m进行加固外，还需对9号煤层隔水层下部20m范围内进行注浆加固，以确保工作面回采安全、顺利通过陷落柱。本次治理共设计8个注浆加固钻孔(见图7)，且8个钻孔终孔均穿过陷落柱水平边界10m。8个钻孔中其中4个终孔位置为奥灰顶面上10m，另外4个钻孔终孔位置为奥灰顶面上20m。

图7 19108-2陷落柱治理工程奥灰层上20m加固钻孔平面布置

本次注浆钻孔施工过程中，钻孔出水量均小于1.5m3/h。8个钻孔共计注水泥138.35t，注浆治理后，陷落柱探查钻孔均不再出水，说明陷落柱治理达到预期目的。

3.4 陷落柱下部治理效果检验

为了检查19108-2陷落柱下部注浆治理效果，共布置了7个检验孔，通过取芯、注水试验等手段检验治理效果的可靠性。检验钻孔平剖布置见图8、图9。

通过检查孔施工，发现岩芯中有水泥充填，陷落柱下部柱体胶结完整，未出现钻孔坍塌、漏失、进尺变快等现象，注水试验中钻孔各段吸水率均小于0.004L/min·m·m，钻孔终孔涌水量不大于1.5m3/h。说明19108-2陷落柱通过28个钻孔注入水泥1295.35t加固后，治理效果达到设计要求。

图8 19108-2陷落柱治理工程检验孔平面布置

图9 19108-2陷落柱治理工程检验孔剖面

3.5 陷落柱9号煤层顶底板注浆加固处理

前面虽然对19108-2陷落柱下部进行了注浆加固治理，但陷落柱顶部存在空腔且顶底板破碎等不利地质因素，在煤层回采过程中将会出现顶板坍塌、抽冒以及支架下陷等安全隐患，因此，为确保工作面安全顺利通过陷落柱，需提前对该陷落柱煤层顶底板段进行注浆加固处理。

根据19108-2陷落柱在煤层顶底板发育范围，东西和南北方向按照10m等间距均匀布置钻孔30个，对9煤底板下2m和底板上6m进行注浆加固，钻孔平面布置及剖面见图10、图11。

图10 19108-2陷落柱9号煤顶底板段注浆加固平面布置

对陷落柱9煤顶底板段注浆加固处理共注入水泥377.85t，处理效果良好。

4 工作面回采

陷落柱完成治理后，19108工作面于2016年11月20日开始回采揭露19108-2陷落柱，11月28日安全顺利回采通过陷落柱，共计9d时间。在工作面回采通过陷落柱过程中未出现涌水、顶板抽冒、底板下陷等现象，最终实现回采工作面导水陷落柱治理后安全顺利回采。工作面回采通过陷落柱500m后，工作面采空区也未发现异常涌水现象。

5 总 结

中煤平朔集团在回采工作面对井工一矿19108-2陷落柱进行了井下注浆治理，并成功通过回采，避免了工作面采用跳采浪费煤炭资源的传统方式，多回收煤炭资源656.2kt，节约工作面回撤、安装及准备工程等费用1420万元，对国内类似陷落柱治理具有重要的示范意义。在导水陷落柱的发现、治理及回采通过等方面积累了部分经验。

图11 19108-2陷落柱9煤层顶底板段注浆加固剖面

(1)采用物探、钻探和化探等相结合的技术手段，探明了工作面内发育的导水陷落柱，有效预防了奥灰突水淹面或淹井的风险。

(2)根据陷落柱发育的位置，选取井下进行注浆加固，为类似条件下陷落柱治理提供了经验。

(3)采用“边施工、边分析、边设计”的“三边”原则进行陷落柱治理，探查陷落柱的主要导水通道，除陷落柱内部加固钻孔外，还增加穿透陷落柱边界钻孔，为陷落柱治理钻探设计提供一种思路。

(4)采用检查孔观察、取芯、注水试验等方法对注浆效果进行了验证，验证方法可行。

(5)回采通过陷落柱前需提前对顶、底板进行加固。

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TD745.21

B

1006-6225(2017)06-0015-05

2017-08-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.004

张忠温(1964-)，男，河北沧州人，教授级高级工程师，副总经理兼总工程师，主要从事采矿工程、煤矿安全方面管理工作。

张忠温，梁兴旺，张中静.平朔矿区导水陷落柱井下探查与治理技术[J].煤矿开采，2017，22(6)：15-19.

毛德兵]