9104工作面过陷落柱的探测方法及治理措施

（山西新元煤炭责任有限公司，山西 晋中 045400）

在对煤炭进行回采的过程中有时难免会遇到特殊的地质构造，陷落柱便是其中一种较为典型的地质构造[1]。由于陷落柱内部岩体组成复杂，柱内胶结程度较差，充填物压密程度低，且具有较强的承压水头，有时其顶部和底部还会与含水层相导通[2]，在回采过程中，若对其处理不当则会造成严重的事故，给矿井的安全生产带来巨大隐患[3]，因此在回采过程中对所揭露的陷落柱进行合理有效的治理成为了诸多学者的研究焦点[4]。

1 工程概况

新元煤矿9104工作面位于9#煤一水平一采区，埋藏深度为550 m。该面地表位于韩庄村以北，清平镇以东，南燕竹以南，冀家垴村西的黄土塬、黄土峁及沟谷地带，预计回采时对地面村庄建筑物无影响。该工作面采用综采放顶煤工艺，其中走向长1217.4m，倾斜长110 m。煤层平均厚度为4m，可采储量为1282531.5 t。9#煤层为中灰～富灰、特低硫、低磷、极难选的贫煤、无烟煤，煤层以亮煤为主，内生裂隙发育，煤层中含2～3层泥质夹矸，厚度一般为0.20～1.00 m左右，煤层倾角处于4°～25°之间。煤层直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，老顶以粉砂岩和细砂岩为主，直接底则以泥岩为主，直接顶和直接底均有一定程度的吸水性，且吸水易软化。

9104工作面在回采期间揭露陷落柱，导致回采环境急剧恶化，顶板淋水现象加重，底板软化，若不采取有效的治理措施则会严重影响工作面的正常生产，甚者造成重大的安全事故，因此对该陷落柱的性质进行探测并采取相应的治理措施对其进行治理成为了当前该矿急需解决的首要问题。

2 工作面陷落柱性质探测

掌握所揭露陷落柱的性质对于制定治理措施具有重要意义，矿山采用电法勘探的方法对其进行了探测。了解陷落柱内的物质组成以及发育程度、明确陷落柱的导水特性以及与上覆含水层的水力联系则是本次电磁勘探的主要目的。本次勘探共设计勘测线15条，其中勘测线P7位于陷落柱的中心，其余勘测线以P7为中心呈对称布置，其中P4～P12为陷落柱的主勘测线，P1～P3、P13～P15为陷落柱的外围测线。其中陷落柱主测线的线距为5m，点距为5～20m，外围测线的线距为10～40m，点距为5～40 m。勘测时测量频带选用750 Hz～92 KHz，滤波档选用50 Hz陷波，电极距选用40m，图1为电阻率切片合成的立体图。

图1 电阻率切片合成的立体图

3 陷落柱电法勘探结果分析

根据陷落柱电法勘探，可将勘测结果总结为如下几点：

1）陷落柱内岩体较为破碎，最大发育高度延伸到了顶板上方40m处，且从勘测结果来看该陷落柱与煤层顶板深部的第四系下组含水层并没有直接的水力联系。

2）陷落柱中部以及顶部的含水岩层富水性较好，而两侧的含水岩层较少，且富水性较差。

3）陷落柱的发育程度向下最大延伸到了煤层底板70m处，与煤层底板更深处的三灰岩层可能存在一定程度的水力联系。

4 现场钻探工程结论分析

为了进一步了解陷落柱的分布范围以及该陷落柱的围岩性质，在陷落柱以及周边煤层中共布置了4个钻孔，分别记为1#钻孔、2#钻孔、3#钻孔和4#钻孔。其中1#钻孔主要探查陷落柱顶部9#煤层的发育情况，2#钻孔主要探查地质异常区的边界位置。3#钻孔位于陷落柱中，主要探查陷落柱下部9#煤层的大体位置，4#钻孔则主要探查陷落柱底板深部的三灰岩层所处的深度。通过对4个钻孔的探查结果进行总结，可得出的主要结论为：9104工作面所揭露陷落柱的平面形状为不规则椭圆形，长轴为近东西向，短轴为近南北向，半长轴、半短轴以及总发育高度分别达到了20m、13 m以及110m，底板深部约68m处为三灰岩层，这与电磁勘探的结果基本一致，该岩层富水性较弱。

5 工作面通过陷落柱治理措施

根据电法勘探以及现场钻探的结果可将陷落柱的水文地质特征归结为如下几点：

1）陷落柱为不规则圆柱体，半长轴、半短轴以及发育高度分别达到了20m、13 m以及110m，陷落柱周边10～25m范围内围岩裂隙较为发育。

2）工作面在揭露陷落柱时顶板有一定程度的淋水现象，而由现场探测结果可知陷落柱顶部以及顶部以上岩层为砂岩含水层，该含水层具有一定的静储量，但补给量有限。

3）陷落柱与煤层顶板更深处的第四系下组含水层无直接水力联系。

4）陷落柱内充填物质裂隙发育，具有一定程度的储水和导水作用。

总体而言9140工作面所揭露的陷落柱为弱水充填型陷落柱，针对陷落柱的水文地质特征以及工作面顶板淋水现象严重的问题，现采取如下治理措施对其进行治理。

（1）由于陷落柱内部多为大小不一的充填岩体，且硬度较高，采煤机在对其切割时较为困难从而导致效率低下，为了提高资源的回收率，降低对陷落柱及周围岩体的的活化破坏程度，同时使工作面快速的通过陷落柱，可将工作面的采高由原来的3.5 m下降至2.4m，推进速度由原来的4.8 m/d提高至6.4 m/d。

（2）对煤层顶板至陷落柱顶部这一范围内进行注浆，达到充填陷落柱内部裂隙、加强陷落柱柱体强度的目的。为了减少工程量，在井下选取合适的位置来布置钻孔并进行注浆，单孔注浆累计深度至少达到了67.4m，注浆钻孔布置见图2。

图2 注浆钻孔布置

钻孔布置参数见表1。

表1 钻孔布置参数

（3）由于煤层底板70 m深处为三灰岩层，该岩层富水性较弱，与陷落柱可能存在一定程度的水力联系，为了防止回采过程中处于煤层底板深处的陷落柱柱体遭到破坏，进而与三灰岩层导通，为保证回采面的安全，需对煤层底板陷落柱进行加固，加固总长度为50m，即煤层底板下方30～80m范围内。加固陷落柱下部的钻孔布置见图3。

图3 加固陷落柱下部钻孔布置

底板钻孔布置参数见表2。

表2 底板钻孔布置参数

顶、底板累计钻孔数量达到了9个，各钻孔注浆加固参数见表3。

表3 各钻孔注浆加固参数

注浆压力以及终孔位置的变化会引起注浆扩散半径的变化，若注浆压力大于终孔位置水头值时，注浆扩散有效半径可以达到25 m左右。为了对陷落柱底部进行充分的加固，扩大注浆面积，在布置钻孔时应以斜孔为主，底板钻孔尽可能的揭露三灰含水层，从而更加有效的隔绝三灰岩和三灰岩下方奥灰岩中的水通过陷落柱导水滞后涌入回采工作面。

6 工作面治理效果

9104工作面揭露陷落柱时，淋水现象严重，回采环境恶化，本文采用降低回采高度+提高工作面推进速度+注浆加固陷落柱的方法对其进行了治理，治理后采用工程监测的方法对工作面涌水量进行了监测，监测结果显示工作面揭露陷落柱时的涌水量由原来的65m3/h下降至12m3/h，涌水量减少了81.5%，顶底板受淋水软化现象减弱，围岩强度有所提高，该治理措施对工作面水害及顶底板软化的治理效果显著。

7 结语

1）9104工作面在回采期间揭露陷落柱，矿山采用电法勘探、现场钻探的方法对陷落柱的性质进行了研究，探测结果表明陷落柱为不规则圆柱体，半长轴、半短轴以及发育高度分别达到了20m、13 m以及110m，陷落柱顶部以及顶部以上含水岩层具有一定的静储量，陷落柱与煤层顶板更深处的第四系下组含水层无直接水力联系，由于陷落柱内部裂隙发育，故具有一定程度的导水、储水作用。

2）根据勘探结果，矿山采用降低回采高度+提高工作面推进速度+注浆加固陷落柱的方法对工作面进行了治理，现场监测结果表明治理后处于陷落柱内的工作面涌水量与治理前相比下降了81.5%，该治理措施治理效果显著。