煤礦陷落柱特征分析及處理方法

李旭春

1 概述

陷落柱是煤礦井下常見的一種地質現象。陷落柱破壞了原有的煤層，降低了工作效率，惡化了生產環境，有時甚至會造成安全事故。快速識別陷落柱并采取合理措施安全通過，避免或者降低其對安全生產的影響，是煤礦采掘活動中需要解決的一個難題。

2 陷落柱的破壞性

1）圍巖產狀變化

陷落柱四周的圍巖不同程度地向柱體傾斜，其傾斜的程度跟煤層本身的傾角有很大的關系，如果陷落柱出現在下山方向則會導致煤層傾角加大，如果陷落柱出現在上山方向則會導致煤層傾角變緩，其導致的角度變化一般在5°左右，影響的范圍一般在20 m以內，但在實際生產作業中出現過傾角變化約20°的現象。

2）裂隙和小斷層增多

在陷落柱形成的過程中周圍的巖體會被向下坍塌的巖石拖曳而傾向柱體方向，這樣就形成了許多傾向柱體的裂隙，若裂隙兩側的巖體發生位移則形成了小斷層。斷層的落差一般在2 m以內，絕大多數不超過0.5 m，走向長度較短，一般不超過20 m。多數情況下在傾向柱體的方向上成階梯狀出現，落差逐漸變小，斷層間距逐漸變短，而且都是正斷層。

3）煤質氧化

陷落柱周邊的煤層松軟，光澤變得暗淡，灰分增大。

4）水和瓦斯涌出量增大

如果陷落柱穿過含水層就會將地下水導入到煤層中，導致采掘工作面涌水量增大。陷落柱坍塌形成的空間，導致瓦斯向柱體涌入從而使瓦斯涌出量增大。

3 陷落柱的基本特征

1）陷落柱外部形態特征。陷落柱在平面上呈近圓形或近橢圓形，個別呈現不規則形狀；在剖面上大致呈一個錐形，上小下大；與圍巖接觸界限明顯，邊緣上凸凹不平，接觸面呈鋸齒狀；圍巖變化一般較大，有明顯的牽引帶；發育在向斜軸部或褶曲的兩翼處，未曾發現發育在背斜軸部的陷落柱[1]。

2）陷落柱內部特征。充填物產狀有一定的規律，四周巖石產狀傾向柱體中心；圍繞柱體中心的巖石巖性具有對稱性；塌陷巖層的高度與陷落柱的大小成正比，見圖1。

圖1 陷落柱內部特征

4 陷落柱的觀察

遇到陷落柱時要觀測其導水性，觀測瓦斯涌出情況，要觀測周圍裂隙和小斷層的發育情況，察看內部巖石的巖性，碎石的膠結情況等；根據以上觀測內容采取合理方法確定陷落柱的邊界、大小，以及制定通過陷落柱的措施等。

5 陷落柱的處理方法

1）盡量避免陷落柱

礦井在各個時期已知的陷落柱要盡量使其留設在煤柱中，如地面物探探測到的陷落柱，或者開采上組煤時揭露的陷落柱等。

2）主要巷道遇陷落柱

礦井的主要巷道如軌道大巷、皮帶大巷等要求比較平直的巷道遇到陷落柱時，首先要探明其導水性，確定其安全后選擇直接通過，在通過陷落柱的過程中要制定好防止冒頂等的安全技術措施并嚴格執行。

3）掘進工作面遇陷落柱

這種情況下我們一般采取“三步走”的方法，即物探、鉆探和巷探。遇到陷落柱時首先進行物探，其主要目的是探測陷落柱的導水性，采用的儀器為瞬變電磁儀或直流電儀器。若物探有異常則采用鉆探方法進行驗證，若物探無異常也要進行鉆探，此時鉆探的目的是探測陷落柱的大小范圍等。如果陷落柱出現在較薄的煤層中，在鉆探的過程中鉆桿極易進入頂底板導致難以辨別陷落柱邊界，此時可采用巷探的方法加以驗證，巷探一般采用小斷面快速掘進，這種方法簡單、直接，但是工程量較大。技術人員在掘進工作面遇到陷落柱時往往會采取先水平通過陷落柱進入正常煤巖層中，然后再根據層位找煤。這種方法在找煤時比較安全，不會發生走錯層位的事故，但是往往會增加巖巷的掘進量，降低生產效率。我們要做到的是能在通過陷落柱時設計一個合理的坡度，在穿過陷落柱時可以直接進入煤層，但是這需要很高的技術要求。根據筆者多年的經驗總結出如下設計坡度的方法：

① 根據煤層頂底板標高設計巷道坡度。如曙光煤礦1214運輸巷與切巷交叉口處遇到一個陷落柱，該陷落柱首先在運輸巷揭露，通過鉆探得知該陷落柱直徑約40 m，而此時距與切巷貫通處約25 m，于是停止該巷道的掘進測得煤層頂板標高。隊組改為掘進切巷，在切巷揭露陷落柱時距貫通處約20 m，測得該處的煤層頂板標高，通過地測科計算切巷先以2°坡度施工到貫通處然后水平掘進與運輸巷貫通。

② 根據臨近巷道煤巖層產狀設計巷道坡度。如果揭露陷落柱的巷道有臨近的已掘巷道，可根據臨近巷道的煤巖層產狀設計本巷道的掘進坡度，這種方法與兩巷道之間的煤柱長度有關系，煤柱越短兩巷煤巖層產狀越相似，煤柱越長煤巖層產狀相似性越小，此時應結合其他因素綜合設計。

③ 根據本巷道煤巖層產狀設計巷道坡度。當巷道周圍沒有已掘巷道，鉆探效果不理想時，只能根據現有的煤巖層產狀設計巷道坡度。需要注意的是此時的煤巖層產狀不包括牽引范圍內的煤巖層產狀，而是正常煤層的產狀。一般采取在正常煤巖層產狀基礎上減去5°。

4）回采工作面遇陷落柱

回采工作面遇陷落柱時首先要核查陷落柱的邊界、大小，視其對安全生產的影響大小決定是否直接推過。圖2中1203回采工作面在回采期間遇到一個陷落柱，技術人員采取了巷探結合鉆探的方法對其進行了勘查，探明了其長軸約60 m，短軸約40 m，對安全生產影響較大，故工作面采取搬家倒面的方法規避了該陷落柱。

圖2 1203回采工作面陷落柱

6 結論

陷落柱有其明顯的外部及內部特征，利用其特征結合合理的措施就能找到最好的處理陷落柱的方法。遇到陷落柱時最重要的是確保其不具有導水性，控制瓦斯涌出量，然后根據各種地質資料確定巷道坡度，制定通過陷落柱時的安全技術措施。

〔1〕張文義，孔凡軍，王樂義，等.掘進工作面過陷落柱破碎圍巖控制探討及應用[J].山東煤炭科技，2012（5）：161-163.