淺談王莊煤礦陷落柱的探測驗證及水害防治

凌學鵬，宿 鵬

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

巖溶陷落柱主要分布于我國北方二疊系煤田，其因隱伏性好、突水性強、威脅大等特點成為煤礦水害事故發生的重要危險源，對煤礦安全生產造成嚴重威脅[1]。1983年開灤礦務局各莊礦2171工作面陷落柱突水造成礦井淹井，突水量達2 053 m3/min，直接經濟損失5億元[2]。山西省作為煤炭生產大省，已揭露巖溶陷落柱數量占據全國的90%以上，而山西范圍內煤層主要分布于奧灰水承壓帶上，巖溶陷落柱存在可能會形成強含水層，對煤層開采造成水害威脅[2]。潞安礦區位于山西沁水煤田，奧灰富水性較強，處于強徑流帶，已揭露陷落柱超過100個，多數發育在向斜軸線兩側，底板突水威脅性較大，1984年潞安礦區五陽煤礦曾發生過陷落柱突水事故，造成部分巷道淹沒[3]。王莊煤礦位于潞安礦區東南部，現已揭露陷落柱近60個，隨著采礦活動逐漸向+540 m水平轉移，陷落柱揭露數量也在不斷增加，而地面富水區和奧灰水的存在，極大增加了突水事故發生的可能，直接威脅到礦井的安全生產。所以，必須對井田范圍內的陷落柱發育特征及分布規律進行研究，并做好已揭露陷落柱的水害防治工作，堅決遏制突水事故的發生。

1 研究區概況

9105工作面位于王莊煤礦+540 m水平后備區，工作面設計由東向西沿走向方向推進，煤層底板標高377～520 m，主采二疊系3號煤層，平均煤厚6.5 m，煤層傾角1～11°。工作面主要充水因素為3號煤層上部的K8、K10砂巖含水層，正常涌水量為20～30 m3/d，最大涌水量50 m3/d，工作面處于奧灰水承壓區域，煤層與奧灰水間具有130 m隔水層，在沒有構造導通的情況下，不會發生底板突水危險。但根據已有三維地震勘探資料顯示，距離9105工作面風巷開口460 m巷道北部存在陷落柱X12，為了防止無計劃揭露地質構造，避免水害事故的發生，確保工作面安全掘進，必須對X12實際情況進行驗證。

2 陷落柱X12的實探和驗證

2.1 陷落柱X12實探驗證

為了超前查清陷落柱X12相關參數及影響范圍，在工作面掘進至430 m處(距離風5點前13 m)進行專項探測。鉆探共分為超前方向探測和巷道左幫探測，其中，超前方向探測重點查清巷道掘進方向及距離掘進方向左右兩側約30 m范圍內是否受X12的影響，左幫探測重點驗證X12實際參數及影響范圍。鉆孔布置見圖1。A為超前探測鉆孔位置，距離風巷開口處430 m(風5點前13 m)；B1和B2為驗證鉆孔位置，分別距離風巷開口處452 m(風5點前35 m)和468 m(風5點前51 m)。鉆孔具體參數見表1。所有鉆孔方位角和垂直角設計主要參考于三維地震勘探結果，實際施工鉆孔角度選擇按照現場鉆探情況來定。

圖1 X12超前鉆孔和驗證鉆孔平面布置

探測結果顯示，X12陷落柱長軸119 m，短軸82 m，長軸方向為東北至西南方向，風巷掘進跨陷落柱軸體右側位穿過，右側跨入7～9 m，穿越長度75 m。陷落柱實際揭露填充物為中、粗粒砂巖，塊狀，堆積無序，未發現流水現象。

表1 X12超前鉆孔和驗證鉆孔具體參數

注：設計孔深≥100 m

2.2 陷落柱鉆孔探查

根據已有鉆孔資料分析，3號煤層底板距K5灰巖層36.7 m，距K4灰巖79.65 m，距K3灰巖90.85 m、距K2灰巖104.1 m、K2～K4三層灰巖富水性相對較強。為了預防9105工作面回采通過陷落柱發生底板直接突水或者滯后突水事故，必須對陷落柱X12的底板導水性進行探查。本次主要探查底板垂深40 m富水情況，見圖2。分別在巷道兩邊距離陷落柱55 m的范圍內設置鉆場A和B。鉆孔具體參數為：1號孔，方位角為73°，傾角-29°，孔深216 m；2號孔，方位角為98°，傾角-26°，孔深161 m；3號孔，方位角為279°，傾角-35°，孔深177 m。探測結果顯示，鉆孔未出現大量出水現象，富水情況較弱，在不受到采煤影響條件下，陷落柱的導水性不良。

圖2 X12探查鉆孔平面布置

3 陷落柱的水害防治

根據探測結果，X12陷落柱發育區域煤層底板標高410 m，奧灰水承壓標高629～637 m，高差219～227 m，預計水壓為2.19～2.27 MPa。由于煤層下伏奧灰水強含水層水壓大于2 MPa，而陷落柱內部膠結程度差，與圍巖接觸關系不規整不融結，本身承壓能力差，在工作面回采時必然形成大面積、大深度的底板破壞裂隙帶，在高水壓作用下，極易形成與奧灰水的導水通道，對工作面回采造成嚴重的突水隱患。所以，必須對陷落柱進行加固治理。

本次采用井下施工鉆孔、井下注漿方法進行加固。通過施工一定深度的鉆孔后，進行高壓注漿，在陷落柱區域工作面底板約40～100 m深度范圍內形成具有一定強度的隔水層，使已有裂隙得到密實充填，改善其隔水性能，通過注入的人工膠結物與陷落柱體內松散礫巖的再次膠結，增強其抗壓強度，進而形成較高強度的隔水屏障，達到防患于未然的目的。隔水層的厚度按式(1)計算，經過計算，底板隔水層厚度為38 m，考慮回采期間底板受到的破壞深度為12～15 m，則底板隔水層厚度需53 m。基于鉆孔施工目的，在陷落柱所處9105風巷附近布置鉆場1號和2號，對陷落柱進行鉆孔和注漿作業，見圖3，共設計鉆孔41個，進尺3 772 m。

T=P/M

(1)

式中：T為突水系數，取最小值0.06 MPa/m；P為底板隔水層承受的壓力，取最大值2.27 MPa；M為底板隔水層厚度，m。

圖3 X12注漿隔水層鉆孔平面布置

除此之外，根據王莊煤礦已有回采經驗，3號煤層回采形成的頂板導水裂隙帶高度發育在100～110 m，已經波及K10頂板砂巖富水含水層。雖然探測結果顯示，陷落柱X12未波及K10含水層，但受到采動影響，可能會造成煤層及頂板裂隙發育，發生滯后突水事故。所以，在掘進過程中，必須對K10富水區水進行疏放。

4 結 語

陷落柱水害防治是煤礦水害防治工作的重點，為了消除陷落柱水害隱患，必須對陷落柱的分布特征及導水性等進行實際探測和驗證，并制定相應的水害防治措施。對于王莊煤礦來說，3號煤層處于奧灰水承壓區，陷落柱的存在極易造成底板裂隙帶的發育，引起奧灰水突水事故的發生，而回采活動可能會造成陷落柱與頂板富水區之間形成良好的導水通道，從而引起頂板水害事故。所以，王莊煤礦陷落柱水害防治的重點在于注漿加固陷落柱，在煤層底板一定深度范圍內形成良好的隔水層，并在巷道掘進過程中，加強頂板富水區含水的疏放工作。