葛泉礦陷落柱特性及開采方案優化研究

劉銀波

（冀中能源股份有限公司 葛泉礦，河北 邢臺 054100）

煤層陷落柱實際是一種特殊形式的斷層，由煤層中的石灰巖由于巖溶裂隙發育，在自重作用下呈柱狀或圓錐狀塌陷而形成的[1-5]。華北型煤田的陷落柱主要分布于石炭二疊系煤層中，具有一定的區域性。華北型煤田下組煤距離奧灰水較近，含水量豐富，水頭壓力大，絕大部分煤層要實施帶壓開采。陷落柱屬于垂向構造，正常情況下奧灰水垂向突破向采掘工作面充水的可能性較小，但在采動條件下，陷落柱柱體裂隙活化，奧灰水經陷落柱突水的風險驟然增大，極易與奧灰水導通，形成突水。該類型的突水具有隱蔽性、突發性并且補給豐富，出水量大，嚴重威脅煤礦的安全生產[6-9]。因此，根據陷落柱的發育特點與規律，采用相應的開采方式和治理措施，降低觸及陷落柱而導致突水事故的風險，對實現煤礦安全生產具有重要意義。

1 地質條件

1.1 工作面概況

132下04 工作面位于-190 水平2下煤三采區，西南為2下煤三采區上山，西北為北翼-190 大巷，東北為2下煤可采邊界，工作面標高-70— -170 m，地面標高97—103 m。所采2下煤平均厚度為1.77 m，煤層傾角為14°，走向長約960 m，傾向長220 m。該工作面共有陷落柱13 個，其中X401、X408、X411、X413、X417 這5 個陷落柱對掘進和采煤的影響較大。

1.2 陷落柱微觀特征及組分

132下04 運料巷和運輸巷掘進過程中，分別揭露陷落柱X306 和X408，從現場揭露情況看，2 個陷落柱均不含水不導水。為進一步研究柱體特征，在陷落柱X306 和X408 柱體內部采集了5 塊巖石標本。

通過鏡下觀察（圖1）可以看出，DX306-B01標本巖性均一，主要的成分為石英和長石，填充物以云母為主，部分區域有黃鐵礦分布，極個別區域有明顯的沸石化現象。

圖1 DX306-B01 標本鏡下結構Fig.1 Microscopic structure of No.DX306-B01 specimen

1.3 陷落柱特點

通過對5 塊巖石標本的分析，可以得到葛泉礦井田陷落柱有以下特點。

（1）絕大多數陷落柱截面為橢圓形，受斷層等地質構造的影響，陷落柱發育方向以東西向為主。

（2）陷落柱巖體的膠結程度高，強度大，大多數陷落柱內無水。內部填充物以砂巖為主，顏色為灰-灰黑色，部分區域為淺紅色。

（3）陷落柱與周邊的煤巖體間接觸緊密，但界線明顯，部分接觸面清晰可見。少數陷落柱嵌入煤體中，成為煤層的一部分。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

依據132下04 工作面的實際情況建立長500 m，寬350 m，高250 m，共358 420 個網格單元的模型，共整合17 個巖層，包含2下煤和5 煤上下兩組煤，上下兩個工作面平行布置，分別都是面寬150 m，推進距離300 m。模型沒有取至地表，因此將模型高度之上未計算在內的巖層及其上部松散層采用荷載施壓的方式在模型上部邊界加荷載。模擬未計算在內的巖（土）層厚度約為100 m，容重取平均值25 kPa/m，故上部荷載P=γh=25×100=2.5 MPa。

工程實際中陷落柱是不規則的變徑柱體，為方便研究，這里簡化成等徑柱體。根據該工作面內X413 號陷落柱的特征分別設置軸長為20、40、60 m 的3 個陷落柱，每個陷落柱高200 m，貫穿整個模型。

2.2 模擬結果

對于3 個軸長不同的模型分別進行兩種不同方式的開挖，第一種是直接推采過陷落柱，第二種是開采至陷落柱前方時，四周留20 m 保護煤柱跨過陷落柱再繼續開采。開采次序是先采上組煤（2下煤），再采下組煤（5 煤）。開挖完成后，對比分析上下兩個工作面頂板和底板的塑性破壞高度以及陷落柱區域應力分布情況，為工程實際中注漿治理和陷落柱的處置提供參考。

2.2.1 應力分析

分別截取每個模型上下兩組煤開挖完成后的應力分布云圖，如圖2 所示。

圖2 不同開采方案應力云圖Fig.2 Stress cloud diagram under different mining schemes

陷落柱在模型中的高度是0～200 m，對陷落柱標高25、76、112、146 m 位置點的主應力值進行監測，不同情況下的應力數值見表1。

表1 不同位置應力監測數據（MPa）Table 1 Stress monitoring data at different locations(MPa)

通過以上數據可以看出，兩種開采方式導致的應力分布情況有明顯差異。對于同一位置來說，直接推采過陷落柱比留煤柱跨過陷落柱的應力小。煤層開采后，圍巖應力會重新分布，保護煤柱和陷落柱會形成一個支撐上覆巖層的“柱子”，陷落柱內部各個位置的應力都會增大，為陷落柱內部出現塑性破壞提供力學條件。

2.2.2 底板破壞深度分析

分別截取每個模型上下兩組煤開挖完成后的塑性區分布云圖，如圖3 所示。

圖3 不同開采方案塑性區分布Fig.3 Plastic zone distribution under different mining schemes

通過塑性區云圖可以看出，每一種情況下最終形成的塑性破壞區大致相似，模擬結果顯示，2下煤底板最大破壞深度基本為30 m，5 煤底板最大破壞深度為28 m，下組煤底板破壞高度較小，應該是由于上組煤開采后，圍巖發生破壞，礦壓釋放的原因。底板破壞深度見表2。

表2 底板破壞深度統計Table 2 Statistics of floor failure depth

2.3 結果分析

根據數值模擬結果可以看出，工作面出水與回采過程中的礦壓變化關系密切。當工作面推進長度與工作面斜長大致相等時，礦壓顯現強烈。此時，地應力場的最大主應力可能由垂向轉變為水平，原地應力、構造隔水強度和水壓力之間的平衡被打破，奧灰水壓力在垂向上被激活，奧灰水在水壓力的驅動下沿底板隔水層中固有垂向裂隙不斷導升，有可能導致陷落柱在豎向上與奧灰水溝通，從而形成導水裂隙，造成突水事故的發生。

3 開采方案優化

3.1 現有開采方案

目前2下煤三采區在工作面設計以及巷道布置中，所有采掘活動均采取避開陷落柱方式。由于陷落柱發育較多，范圍較廣、大小不一，全部采取補巷避讓措施，不僅增加巷道工程量，也造成了回采過程中多次搬家、機頭機尾頻繁對接、改系統等問題。

以2下煤工作面內發育1 個長軸30～40 m 陷落柱為例，如該陷落柱位于機頭、機尾時，以132下06 工作面為例，需要補巷工程65 m，其中30 m 為補切眼，規格為5.0 m×2.2 m。工作面與補巷貫通擴幫上網后，將工作面運輸（運料）系統改經補巷至工作面，繼續推進過程中安排隊伍將陷落柱影響范圍內20 個支架搬到補切眼內，耗時10 d 左右，其中影響工作面推進時間約5 d。補巷與陷落柱間損耗工作面儲量約500 t。如陷落柱多位于工作面內部時，以132下04 工作面為例，面內發育5 個陷落柱，其中30～40 m 軸長3 個，另外2 個軸長均超過50 m。工作面內共需要補巷工程735 m，回采期間搬家改系統5 次，影響工作面推進時間約60 d，分兩面回采一次，影響工作面推進時間約5 d，共計損失回采儲量約4 500 t。

3.2 方案優化

由于葛泉礦目前所揭露陷落柱隔水性能較好，且2下煤上部2 號煤、下部5 號煤均揭露過陷落柱，已探明陷落柱導水性較差，因此在臨近或揭露陷落柱進行采掘活動時，可以參照斷層等構造進行探查、治理以及頂板加固工作。當陷落柱軸長大于工作面面長的一半或長度大于40 m 時，嚴重影響工作面煤質，采取搬家甩陷落柱的方式通過；當陷落柱軸長較小時，可參考過斷層方案直接通過，同樣以180 m 面長、40 m 軸長陷落柱為例，通過陷落柱最長軸期間，每推進1 m 矸石占煤比值為41.5%，采取措施降低陷落柱區域采高至1.4 m 后，可將該比值降低至36.4%。

按照40 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間共計出矸石約4 300 t，生產費用增加129 萬元（300 元/t），分揀洗煤成本增加13 萬元（30 元/t），合計142 萬元。按照補巷甩陷落柱搬家方案，補巷費用44 萬元（5 500 元/m），搬家組織費用50 萬元，損失煤柱資源費用70 萬元（800 元/t），合計164 萬元，兩方案經濟差值22 萬元。

按照20 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間共計出矸石約1 056 t，生產費用增加31.7 萬元，分揀洗煤成本增加3.2 萬元，合計35 萬元。按照補巷甩陷落柱搬家方案，補巷費用22 萬元，搬家組織費用20 萬元，損失煤柱資源費用18.2 萬元，合計60.2 萬元，兩方案經濟差值25.2 萬元。

由于40 m 軸長時兩種方案經濟差值較小，且陷落柱軸長大于工作面面長的一半或長度大于40 m 時，嚴重影響工作面煤質，因此選取40 m 軸長為過陷落柱經濟標準，大于40 m 采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m 建議采取直接通過措施。

3.3 陷落柱治理

無論采取推過陷落柱還是搬家甩陷落柱方案，陷落柱空間定位必須準確，并且對陷落柱周邊及底板區域進行加固。

3.3.1 加固設計

13512 運輸巷按37°方位沿5 號煤頂板掘進。巷道掘進前方發育X404 陷落柱，該陷落柱最初在北翼-190 大巷掘進時揭露。采用常規的注漿加固方式進行治理[10-12]。

探查孔開設在13512 運輸巷32 號測點前26 m（迎頭）處煤層底板較為完整的巖層中，鉆探設備為ZDY1900S 鉆機、配套鉆桿、泥漿泵、防噴裝置。探查鉆開孔孔徑133 mm，下孔徑108 mm 孔口管16 m，固管后孔徑變為裸孔直徑75 mm 至終孔。鉆孔施工參數見表3。

表3 鉆孔施工參數Table 3 Parameters of drilling construction

3.3.2 加固效果

鉆探施工5 個探查鉆孔，共計工程量496.5 m，查明X404 陷落柱內膠結密實，不具有導含水性。按照規定要求對X404 陷落柱進行注漿加固，注漿材料為水泥漿，水泥漿液比重1.5，并對各鉆孔進行全孔封嚴、封實，封孔壓力為6 MPa，封孔質量良好。

4 結 論

（1）華北型煤田陷落柱易與下組煤奧灰水導通，形成隱蔽性、突發性的突水，嚴重威脅煤礦的安全生產。

（2）葛泉礦陷落柱截面以橢圓形為主，陷落柱內部結構致密，膠結程度高，接觸面附近常見擦痕及牽引現象，界面清晰。

（3）對于工作面中的陷落柱應留設一定寬度的保護煤柱，但對陷落柱周邊進行注漿加固后，采用直接推采的方案，可實現安全生產。