辛置煤礦2-216工作面涌水陷落柱的防治實踐研究

王克勤

（霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦，山西 霍州031412）

0 引言

霍州煤田內北東-北北東向斷裂呈束展布，將向斜東翼切割成長方形地塊，煤田主要受新華夏系構造體系控制，為山西省多字形雁行斜列的主要煤盆地。陷落柱是在漫長的地質演變過程中，由于煤系基地碳酸鹽巖經地下水溶蝕，形成空洞，上覆巖層在重力的作用下冒落、塌陷形成的一種地質構造。陷落柱的發育不僅減少了煤炭開采儲量，且對采掘工作面的合理布置、生產帶來嚴重困難。到2018年年底霍州礦區生產揭露和地質勘探揭露的陷落柱總數達3100個。柱體大多填充密實，只有個別柱體內富水或有空洞，空洞內存水量最大可達600m3。辛置煤礦位于霍州煤田西部邊緣，煤層在地表均有出露，西部奧灰巖直接接受補給，井田構造發育，因而各類構造具有特殊性。

2019年2月5日9時，辛置煤礦南一下組煤綜采二隊2-216工作面回采到距停采線4m時，遇頂部有空洞的陷落柱，陷落柱內出現涌水，伴有瓦斯、硫化氫氣體逸出現象。霍州煤電集團公司、辛置煤礦技術人員當天派人現場對陷落柱進行了察看，并采取了應急措施，迅速組織進行了物探，請有經驗的防治水隊伍進行了注漿封堵，快速消除了安全隱患，為今后治理導水陷落柱提供了寶貴的經驗。

1 工作面概況

2-216工作面是辛置煤礦南一下組煤下山采區首采面，開采8#煤，該面走向長1246m，傾斜長194m，煤層傾角平均3°～4°，平均煤厚4.10m，可采儲量124.7萬t工作面地質條件復雜，回采中共揭露落差1m以上斷層13條，其中5m以上斷層2條，斷層延伸總長度Ⅰ260m；揭露陷落柱5個，陷落柱最大40m×25m，最小7.5m×4m；煤層起伏大，共控制2個背斜、1個向斜；斷層及陷落柱多發育在褶曲核部，造成煤巖層破碎，局部煤層傾角達28°。

工作面大部分區域帶壓開采，奧灰水位標高為900m，工作面遇陷落柱處煤層底板標高為891m，8#煤與9#煤層間距為12m，8#煤煤層底板至奧灰頂面間距約為76m，最大突水系數0.006MPa/m。工作面位于陷落柱發育帶上，停采線處揭露的8.5m×3.5m陷落柱柱體膠結松散，導通奧灰水（陷落柱處承壓10m水柱高度），涌水量穩定在10m3/h，經過40d的注漿治理，陷落柱柱體涌水。

2 礦井水文地質條件

井田內地層為第四系松散層及黃土，第三系紅色黏土，二疊系砂巖、泥頁巖夾煤層，石炭系砂巖、石灰巖、泥巖夾煤層，奧陶系中統峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組石灰巖、白云質灰巖、角礫狀灰巖，奧陶系下統泥灰巖、白云質灰巖，寒武系灰巖等。該陷落柱處于馬蘭向斜軸的西部約2500m，距離狐堰山堿性二長巖侵入體約6000m，距GS-6水文孔（終孔為奧陶系上馬家溝組石灰巖含水層）為2000m，奧陶系巖溶地下水處于相對徑流較強的地段。

辛置煤礦井田水文地質條件為復雜型，礦井充水水源主要為奧灰巖溶裂隙水、松散沖積層及基巖風化裂隙水、山西組砂巖裂隙水、太原組灰巖裂隙巖溶水以及小窯采空水。

3 陷落柱涌水水源辨識

3.1 現場觀測情況

2019年2月5日甲班，2-216工作面收尾正常割煤1.2m，無涌水征兆，乙班9點工作面割煤至距停采線4m時，在91*架處出現涌水，瞬時涌水較大，涌水流人采空區，幾分鐘后涌水量穩定，綜采二隊立即停止了生產，向礦調度室匯報，礦調度室向局調度室匯報，礦地測科接到通知后立即安排人員下井觀測涌水情況，隨后公司及礦主要領導到工作面，經觀測工作面在91#架處底板揭露一個頂部發育1m高空洞的陷落柱（見圖1）。

圖1 2-216工作面完全揭露陷落柱剖面

陷落柱段平剖面圖陷落柱長軸約8.5m，短軸約3.5m，長軸方位為141°，空洞上部尚有2.3m的8#煤，煤體裂隙充填方解石晶體，陷落柱柱壁、充填物表面及接觸處發育鐘乳狀方解石晶體，柱體膠結松散，有涌水及瓦斯、硫化氫氣體異常涌出現象。經測量涌水量約10m3/h，水的溫度17℃，空洞中瓦斯濃度大于10%硫化氫氣體濃度達300ppm。

2月5日丙班，經集團公司領導、礦領導及有關人員現場勘察、研究，初步確定涌水水源疑似奧灰水，并決定進行注漿治理。為滿足注漿治理場地的需要，制定了《辛置煤礦2-216工作面收尾擴循環揭露陷落柱綜合安全技術措施》并報集團公司，于2月7日工作面收完尾。期間涌水量穩定，瓦斯涌出量明顯減小，硫化氫氣體涌出量在涌水點水面處為20～50ppm，工作面風流中硫化氫氣體已測不出。

3.2 水質化驗分析

為確定涌水水源，2月5日立即取水樣進行化驗分析，2月7日水化學類型發生了重大轉變，基本確定為奧陶系巖溶水，2月12日、3月2日繼續采取水樣進行跟蹤化驗對比分析，陷落柱處涌水的水質類型由HCO3-KNa型水逐漸向奧灰水HCO2·SO4-Ca·Mg型水轉變，確定涌水水源為奧陶系巖溶水。

3.3 利用物探查明導水通道

為確定涌水通道，2月10日至12日，該礦聘請西安及重慶煤科院技術人員采用淺層地震儀、高密度電法儀、地質雷達等多種物探手段對陷落柱進行探測，并編制了物探報告，基本查清了陷落柱的分布范圍及富水性。根據水質化驗分析及多種物探手段探測分析，該陷落柱為充水并導水的陷落柱。

4 治理期間采取的應急措施

1）現場跟蹤觀測：①觀測涌水量變化。從2月5日到注漿治理完成期間，辛置煤礦派人24h值班，觀測涌水量的變化情況，一有增大的跡象，立即匯報礦調度室及主管領導。②派瓦斯檢査員現場監測硫化氫氣體、瓦斯濃度的變化情況，派人24h值班，一有異常及時匯報。工作面備足石灰粉，一旦陷落柱內硫化氫氣體濃度大于6.6ppm時，作業人員迅速拋灑石灰粉，以便降低硫化氫氣體濃度。③觀測頂板、底板的壓力變化情況，派人24h值班，一有異常及時匯報。④及時采取水樣化驗分析。2月5日、7日、12日和3月2日持續采取水樣送到山西省煤炭地質研究所化驗分析，以準確判斷水源。

2）鑒于涌水量基本穩定，為了便于對該陷落柱進行治理，在保證工作面安全的前提下工作面進行了擴循環，清理了現場，共推進4m。

3）辛置煤礦加強工作面的排水工作，在工作面低洼處開挖水倉，完善排水系統，排水泵采用耐酸水泵，并有備用泵。排水管路確保完好，運行正常。

4）同時觀測GS-6水文鉆孔（距離2000m）的水溫、水位的變化情況。

5）辛置煤礦編制了應急救援預案，一旦發生硫化氫氣體、瓦斯濃度增大，或水量增大，危及生產人員安全時，及時啟動救援預案，采取措施，保證人員及時安全的撤退，保證礦井的安全。

6）霍州煤電公司迅速組織技術人員，于2月7～12日深入井下現場采用瑞利波、淺層地震儀高密度電法儀、地質雷達等先進的多種物探手段對陷落柱周邊進行物理探測，基本查清陷落柱的分布范圍和空間位置。

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7）2月13日請煤炭科學研究總院西安分院水文所、重慶分院物探所的專家，以及地質處的地質技術人員對2-216工作面的陷落柱出水情況進行了詳細的研究分析，通過對現場出水點位置、陷落柱的充填情況、方解石的結晶形態的調查，對水量及水溫、硫化氫氣體及瓦斯的觀測，對奧陶系巖溶水的標高、工作面底板標高及區域水文地質情況的分析，并結合多種物探的結果分析，以及水質化驗成果的分析，確定了該陷落柱為導水陷落柱，導水通道為陷落柱與圍巖的接觸地帶。

8）霍州煤電公司及時聯系煤炭科學研究總院西安分院水文所編制了注漿堵水治理方案，聘請了有經驗的注漿堵水隊伍，對陷落柱進行注漿封堵。

9）工作面回采完畢后，在工作面切眼附近的軌道巷、皮帶巷構筑了防水密閉。

5 注漿治理情況

確定陷落柱涌水水源及涌水通道后，根據《煤礦防治水工作條例》及《煤礦安全規程》的有關規定，決定在井下對導水陷落柱進行注漿治理。2月17日，委托煤炭科學研究總院西安分院專家編制《辛置煤礦2-216工作面陷落柱注漿堵水方案》設計，并由其下屬注漿隊伍進行施工。集團公司地測處下發了《辛置煤礦2-216工作面陷落柱注漿堵水前期準備工作安排》，辛置煤礦根據要求完善了采區及工作面排水系統，并進行了注漿前期準備工作，編制了注漿期間專項應急救援預案。

注漿工期前后共40天，共設計4個注漿孔，一次全長注漿，先低壓（小于2MPa）后高壓最大達9MPa）注漿，單孔注漿2～3次。之后在陷落柱中部施工了一個注漿效果檢查驗收孔。

注漿工作量如下：注漿鉆孔進尺141.5m（其中孔口管段孔徑130mm，進尺45m；裸孔段孔徑80mm，進尺85.5m；二次及三次掃孔進尺189.5m）。

注漿效果：根據注漿孔及驗證孔施工觀測記錄，注漿加固段深度大于25m，注漿后柱體無涌水，僅陷落柱周邊裂隙帶有間歇性瓦斯與水涌出，涌水量0.05m3/h。

6 注漿治理導水陷落經驗

1）辛置煤礦2-216工作面陷落柱導通奧灰水涌水在霍州煤電集團公司是首次，從發現陷落柱導水到治理結束，集團公司、礦各級領導及相關單位高度重視，各項措施得力，有效防止了水害事故的擴大。

2）該工作面雖然經過無線電坑透，但由于該陷落柱較小，柱體存在富水空洞，坑透手段對水體探測效果不好，資料無異常顯示。今后在帶壓開采工作面時選擇合理的物探方法，探測工作面隱伏導水構造；對帶壓開采工作面要出臺相應的防治水技術管理規定；加強超前探測及隱伏導水構造探測技術攻關。

3）陷落柱涌水后，對水源的判別主要靠水質分析，由于沒有自己的化驗室，化驗周期長，經過近10天才確定了涌水水源，不能第一時間為防災救災提供技術支持。應建立快速水質實驗室，各礦井應完善水質數據庫，建立涌水水源快速判別的水文地質模型。

4）帶壓區預測預報一般多采用突水系數法及構造分析法，而此次奧灰突水只帶壓10m水頭，位于帶壓開采安全區內回采，但卻出現了導通奧灰水現象。今后要加強奧灰突水機理的研究，尤其是陷落柱導水研究（辛置煤礦目前共揭露陷落柱76個，有約1/5陷落柱柱體松散，并出現涌水）；要改進帶壓區水情水患預測預報方法，堅持帶壓區有掘必探，先治后采。

5）為防止構造滯后導水，工作面?完后應在關鍵部位施工擋水密閉，此次辛置煤礦所揭露的陷落柱與奧灰水有連通通道，改變了人們對霍州陷落柱不導水的看法通過此次對辛置煤礦陷落柱涌水的治理，積累了豐富的經驗，特別是對陷落柱的認識、探測方法、治理方案等，為今后的防治水工作提供了寶貴經驗。