马兰矿18502工作面S91松散陷落柱治理技术研究

罗永青

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿）

马兰矿18502 工作面开采石炭系太原组8#煤，煤厚3.7～4.8 m，平均4.56 m，工作面倾斜长251 m。工作面对应地表标高1 271～1 386 m，煤层底板标高845～903 m，盖山厚度为381～541 m，平均465 m，与9#煤层间距8.63 m，9#煤平均煤厚1.82 m，距离奥灰顶界面约76.25 m。在辅运巷640～710 m 工作面内为坑透异常区K2范围，该区域发育一条向斜，向斜枢纽位于辅运巷697 m，两翼倾角最大分别为19°和7°。

2019 年3 月，18502 辅运巷施工至里程614 m 处停掘施工，施工超前钻孔发现右前方有陷落柱，后钻孔加密对S91 陷落柱含（导）水性进行验证，其中2#孔施工至61 m时孔内有涌水，初始水量约10 m3/h，后断流，取水样经化验分析表明水质类型为HCO3—Na型，水质对比表明为煤系水。陷落柱揭露前施工11个钻孔，探明了陷落柱含水性和与奥灰水之间的水力联系。巷道施工完成后，对陷落柱进行了综合物探，并施工10个钻孔圈定了陷落柱大小，同时确定陷落柱不具有导水性，结合物探、钻探分析，陷落柱发育较松散。为防止随着回采陷落柱活化，发生滞后导水，造成水害事故，对18502 工作面S91 陷落柱进行注浆加固，共施工注浆孔34 组，累计注浆108 次，总注浆水泥量195.3 t，有效浆水泥量174.743 t。

1 S91陷落柱揭露及勘查情况

（1）S91 陷落柱揭露情况。2019 年3 月，18502 辅运巷施工至里程614 m 处停掘施工，超前钻孔发现右前方有陷落柱，后施工探查孔对S91陷落柱大小及含（导）水性进行验证，累计施工11个钻孔，孔深分别为86，90，109，123，141，145，54，90，21，56，20 m。2 号孔施工至61 m时孔内有涌水，初始水量约10 m3/h，停钻，观测水量变化，并取水样进行化验分析，水质类型为HCO3—Na 型，待水量稳定后，继续进钻，62 m 为岩石，73 m 见煤，78 m 终孔为岩石，终孔深度84 m，提钻后涌水量约25 m3/h，定时观测水量变化，持续3～5 d后逐渐减小直至断流。3、4号孔在施工过程中受局部裂隙发育影响出现3～5 m3/h涌水，后随时间推移逐渐断流。

（2）陷落柱带压情况。S91 陷落柱位于马兰向斜轴西部约1 500 m 向斜的轴部，距离GS-6 水文孔约1 300 m，区域上奥灰含水层地下水处于径流带。18502 工作面所在区域奥灰水静水位标高950～962 m，8#煤底板至奥灰顶界面间距78～82 m。据邻近的GS-6 水文孔揭露资料，8#煤下距离本溪组界面34.35 m，本溪组厚度为41.9 m，即8#煤底板至奥灰顶界面间距76.25 m。该孔2001 年抽水试验资料表明：峰峰组降深62.4 m 时单位涌水量为0.080 L/（s·m），降深43.8 m 时单位涌水量0.078 L/（s·m），降深24.0 m 时单位涌水量0.076 L/（s·m），渗透系数0.21 m/d，影响半径287.14 m；上马家沟组降深2.0 m 时单位涌水量3.492 L/（s·m），降深4.3 m时单位涌水量2.388 L/（s·m），渗透系数3.32 m/d，影响半径78.32 m。该陷落柱发育位置8#煤底板标高855～860.5m，该处奥灰水静水位标高954 m，8#煤至奥灰顶面间距76.25 m，8#煤底板最大承压0.99 MPa。

（3）物探情况。2019年10月，对该工作面进行了槽波探测、音频电透视探测、无线电波坑透多种探测，根据探测结果，可以确定CX1#异常区推测为S91陷落柱范围，以及陷落柱外部影响顶底板异常范围，对回采影响较大。根据无线电波坑透探测成果解译，在工作面有5 个坑透异常区，其中异常区K2位于辅运巷640～710 m、皮带巷670～710 m，衰减5～15 dB，分析可能受工作面内上组煤推断的陷落柱影响。

（4）钻探情况。2019 年3 月19 日—4 月7 日，在18502 辅运巷里程614 m 停处掘施工了11 个超前钻孔对陷落柱含水性、充水情况进行了勘查。其中2号孔施工至61 m孔内有涌水现象，初始水量约10 m3/h，停钻观测水量变化，及时取水样进行化验分析，水质类型为HCO3—Na，待水量稳定后，继续进钻，62 m 见岩，73 m 见煤，78 m 见岩至终孔，终孔深度84 m，拔钻后水量约25 m3/h，后涌水逐渐减小直至疏干。3、4号孔在施工过程中受局部裂隙发育影响出现涌水现象，后逐渐疏干，其余钻孔均未发现有异常涌水现象。对于有涌水的钻孔，每日取水样进行水质化验分析，结果为HCO3—Na，属于煤系地层含水层水。2019年7月，在18502辅运巷里程660～703 m 处，施工了10 个探测钻孔对S91 陷落柱大小及富水性进行钻探验证，陷落柱为椭圆形，初步推断长轴52 m、短轴25～32 m，个别底板钻孔有少量涌水，涌水量为3～4 m³/h。其中1、2、5、8 号孔注浆封堵。2020 年4 月20日，在18502 瓦斯鉴定巷702 m 处施工9#煤本煤层瓦斯抽采孔的过程中，施工至57 m 时钻孔开始涌水，孔深至60 m时涌水量为13 m3/h，钻孔终孔位置位于S91陷落柱柱体内，涌水水源与上述水源一致，与奥灰水无水力联系。另外，由18502 辅运巷660～703 m 向工作面内施工的23 个8#煤本煤层钻孔，均出现不同程度见岩情况。结合上组对应2#煤位置的12504 回采揭露情况分析，S91 陷落柱位于18502 工作面内辅运巷661～697 m，柱体以大块砂岩、粉砂岩、砂质泥岩为主，泥质胶结，岩性混杂。

（5）水质化验情况。陷落柱在揭露及钻探过程中均有出水情况，先后进行了12 次水质化验，1 次揭露前超前钻孔（4 号孔）水样结果为SO4·HCO3—Na·（Ca）型，分析为柱体孤立点积水，煤层水长时间封闭后，水质发生变化，该钻孔涌水自然疏干，其余11 次水样结果为水质类型为HCO3—Na 型，属于煤系水；综合分析与奥灰水质不同，与奥灰水无明显水力联系［1-5］。

综上，根据物探成果、钻探勘查及水质化验情况分析，该陷落柱在8#煤与9#煤发育略有不同。其中8#煤发育大小为36 m×28 m（长轴×短轴），面积为806.7 m2；9#煤发育大小为38 m×29 m（长轴×短轴），面积为910.8 m2。综合物探、钻探及水质化验情况分析，该陷落柱较松散，松散含水为8#煤顶板太原组灰岩含水层水，未发现与奥灰水有水力联系［6-9］。

2 治理方案

2.1 治理目的

采用注浆加固方案对松散陷落柱进行注浆，并在9#煤底板5～13 m 位置即距8#煤20～28 m 处通过注浆加固，形成有效阻水层，达到“止水塞”目的。同时对8#～9#煤层松散空间通过注浆达到承重、承压作用，防止回采过程中出现下沉，最终形成完整的隔水层，预防回采后发生滞后导通奥灰水造成水害事故［10-12］。

2.2 设计方案

（1）18502 瓦斯鉴定巷与18502 辅运巷水平间距为20～23 m，在该巷道施工注浆堵水钻孔。原因如下：①该巷道有现成的探放水钻机以及配套设备，压风、压水、排水和供电系统完善，便于开展注浆工作；②该巷道位于9#煤层，9#煤层与8#煤层间距8.63 m，在9#煤层注浆堵水可以更好地完成8#煤层底板破坏带的注浆堵水工作；③该巷道开展的注浆堵水工作与18502工作面作业互不影响，加快工作进度。

（2）利用注浆法加固陷落柱及周边地层，在9#煤层底板形成阻水层，8#～9#煤层间形成完整的隔水层。

（3）在18502 瓦斯鉴定巷S91 陷落柱周围（660～700 m）施工顺层、顶板、底板钻孔，进行3 层注浆施工。根据经验及该区域地质条件，本次注浆影响范围取10 m，在9#煤层下部10 m、25 m 以及9#煤层上部10 m（8#煤层底板）3个平面内设计相邻注浆孔。经优化设计布局，9#煤层下部10 m 平面布置7 个钻孔，9#煤层下部30 m 平面布置8 个钻孔，9#煤层上部10 m（8#煤层底板）平面布置4 个钻孔，8#煤层向下部置5个钻孔，共计24个。施工过程中充分利用注浆孔，进行“一孔多用”，既用于探查陷落柱范围，又进行注浆范围探测，起到注浆加固的作用，兼顾注浆效果检查的功能。钻孔施工完成后需采用钻孔窥视仪进行测斜、孔内裂隙及注浆效果检查，并根据窥视情况调整钻孔设计参数。根据以上钻孔布置原则，设计了预注浆钻孔24个，钻探工程量1 780 m，

3 治理效果

根据上述方案对18502 瓦斯鉴定巷进行了治理，并对该巷684 m 下山孔和676 m 上山孔进行了窥视。对比分析了注浆前后18502瓦斯鉴定巷的治理效果。研究表明，注浆前孔内存在诸多裂缝，孔壁粗糙，注浆后基本没有裂缝，孔壁光滑（图1），此次对松散陷落柱进行注浆治理，注浆效果明显，基本达到了注浆目的，18502工作面具备安全回采条件。

于2021年2月在18502辅运巷674 m处开展了钻孔取芯工作，共取出10组岩芯，取出的岩芯大多数完整坚固，注浆痕迹明显，其中部分如图2所示。

4 结 论

（1）圈定了陷落柱大小，其中在8#煤层陷落柱尺寸为36 m×28 m（长轴×短轴），面积为806.7 m2；9#煤层陷落柱尺寸为38 m×29 m（长轴×短轴），面积为910.8 m2。

（2）采用多种物探方法并结合钻探验证，探明了陷落柱较松散，充水仅在8#～9#煤层间柱体松散带及周边裂隙发育带内，水源为8#煤层顶板灰岩水，利用勘查孔对陷落柱柱体及周边积水进行疏放，累计疏放水量1 458 m3。

（3）对18502 瓦斯鉴定巷684 m 下山孔和676 m上山孔进行了窥视。对比分析了注浆前后18502 瓦斯鉴定巷的治理效果，研究表明，注浆前孔内存在诸多裂缝，孔壁粗糙，注浆后基本没有裂缝，孔壁光滑。此次对松散陷落柱进行注浆治理，注浆效果明显，基本达到了注浆目的，18502 工作面具备了安全回采条件。