凌學(xué)鵬，宿 鵬

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

巖溶陷落柱主要分布于我國(guó)北方二疊系煤田，其因隱伏性好、突水性強(qiáng)、威脅大等特點(diǎn)成為煤礦水害事故發(fā)生的重要危險(xiǎn)源，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。1983年開(kāi)灤礦務(wù)局各莊礦2171工作面陷落柱突水造成礦井淹井，突水量達(dá)2 053 m3/min，直接經(jīng)濟(jì)損失5億元[2]。山西省作為煤炭生產(chǎn)大省，已揭露巖溶陷落柱數(shù)量占據(jù)全國(guó)的90%以上，而山西范圍內(nèi)煤層主要分布于奧灰水承壓帶上，巖溶陷落柱存在可能會(huì)形成強(qiáng)含水層，對(duì)煤層開(kāi)采造成水害威脅[2]。潞安礦區(qū)位于山西沁水煤田，奧灰富水性較強(qiáng)，處于強(qiáng)徑流帶，已揭露陷落柱超過(guò)100個(gè)，多數(shù)發(fā)育在向斜軸線兩側(cè)，底板突水威脅性較大，1984年潞安礦區(qū)五陽(yáng)煤礦曾發(fā)生過(guò)陷落柱突水事故，造成部分巷道淹沒(méi)[3]。王莊煤礦位于潞安礦區(qū)東南部，現(xiàn)已揭露陷落柱近60個(gè)，隨著采礦活動(dòng)逐漸向+540 m水平轉(zhuǎn)移，陷落柱揭露數(shù)量也在不斷增加，而地面富水區(qū)和奧灰水的存在，極大增加了突水事故發(fā)生的可能，直接威脅到礦井的安全生產(chǎn)。所以，必須對(duì)井田范圍內(nèi)的陷落柱發(fā)育特征及分布規(guī)律進(jìn)行研究，并做好已揭露陷落柱的水害防治工作，堅(jiān)決遏制突水事故的發(fā)生。

1 研究區(qū)概況

9105工作面位于王莊煤礦+540 m水平后備區(qū)，工作面設(shè)計(jì)由東向西沿走向方向推進(jìn)，煤層底板標(biāo)高377～520 m，主采二疊系3號(hào)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(hào)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(qū)域，煤層與奧灰水間具有130 m隔水層，在沒(méi)有構(gòu)造導(dǎo)通的情況下，不會(huì)發(fā)生底板突水危險(xiǎn)。但根據(jù)已有三維地震勘探資料顯示，距離9105工作面風(fēng)巷開(kāi)口460 m巷道北部存在陷落柱X12，為了防止無(wú)計(jì)劃揭露地質(zhì)構(gòu)造，避免水害事故的發(fā)生，確保工作面安全掘進(jìn)，必須對(duì)X12實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證。

2 陷落柱X12的實(shí)探和驗(yàn)證

2.1 陷落柱X12實(shí)探驗(yàn)證

為了超前查清陷落柱X12相關(guān)參數(shù)及影響范圍，在工作面掘進(jìn)至430 m處(距離風(fēng)5點(diǎn)前13 m)進(jìn)行專項(xiàng)探測(cè)。鉆探共分為超前方向探測(cè)和巷道左幫探測(cè)，其中，超前方向探測(cè)重點(diǎn)查清巷道掘進(jìn)方向及距離掘進(jìn)方向左右兩側(cè)約30 m范圍內(nèi)是否受X12的影響，左幫探測(cè)重點(diǎn)驗(yàn)證X12實(shí)際參數(shù)及影響范圍。鉆孔布置見(jiàn)圖1。A為超前探測(cè)鉆孔位置，距離風(fēng)巷開(kāi)口處430 m(風(fēng)5點(diǎn)前13 m)；B1和B2為驗(yàn)證鉆孔位置，分別距離風(fēng)巷開(kāi)口處452 m(風(fēng)5點(diǎn)前35 m)和468 m(風(fēng)5點(diǎn)前51 m)。鉆孔具體參數(shù)見(jiàn)表1。所有鉆孔方位角和垂直角設(shè)計(jì)主要參考于三維地震勘探結(jié)果，實(shí)際施工鉆孔角度選擇按照現(xiàn)場(chǎng)鉆探情況來(lái)定。

圖1 X12超前鉆孔和驗(yàn)證鉆孔平面布置

探測(cè)結(jié)果顯示，X12陷落柱長(zhǎng)軸119 m，短軸82 m，長(zhǎng)軸方向?yàn)闁|北至西南方向，風(fēng)巷掘進(jìn)跨陷落柱軸體右側(cè)位穿過(guò)，右側(cè)跨入7～9 m，穿越長(zhǎng)度75 m。陷落柱實(shí)際揭露填充物為中、粗粒砂巖，塊狀，堆積無(wú)序，未發(fā)現(xiàn)流水現(xiàn)象。

表1 X12超前鉆孔和驗(yàn)證鉆孔具體參數(shù)

注：設(shè)計(jì)孔深≥100 m

2.2 陷落柱鉆孔探查

根據(jù)已有鉆孔資料分析，3號(hào)煤層底板距K5灰?guī)r層36.7 m，距K4灰?guī)r79.65 m，距K3灰?guī)r90.85 m、距K2灰?guī)r104.1 m、K2～K4三層灰?guī)r富水性相對(duì)較強(qiáng)。為了預(yù)防9105工作面回采通過(guò)陷落柱發(fā)生底板直接突水或者滯后突水事故，必須對(duì)陷落柱X12的底板導(dǎo)水性進(jìn)行探查。本次主要探查底板垂深40 m富水情況，見(jiàn)圖2。分別在巷道兩邊距離陷落柱55 m的范圍內(nèi)設(shè)置鉆場(chǎng)A和B。鉆孔具體參數(shù)為：1號(hào)孔，方位角為73°，傾角-29°，孔深216 m；2號(hào)孔，方位角為98°，傾角-26°，孔深161 m；3號(hào)孔，方位角為279°，傾角-35°，孔深177 m。探測(cè)結(jié)果顯示，鉆孔未出現(xiàn)大量出水現(xiàn)象，富水情況較弱，在不受到采煤影響條件下，陷落柱的導(dǎo)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(jù)探測(cè)結(jié)果，X12陷落柱發(fā)育區(qū)域煤層底板標(biāo)高410 m，奧灰水承壓標(biāo)高629～637 m，高差219～227 m，預(yù)計(jì)水壓為2.19～2.27 MPa。由于煤層下伏奧灰水強(qiáng)含水層水壓大于2 MPa，而陷落柱內(nèi)部膠結(jié)程度差，與圍巖接觸關(guān)系不規(guī)整不融結(jié)，本身承壓能力差，在工作面回采時(shí)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(dǎo)水通道，對(duì)工作面回采造成嚴(yán)重的突水隱患。所以，必須對(duì)陷落柱進(jìn)行加固治理。

本次采用井下施工鉆孔、井下注漿方法進(jìn)行加固。通過(guò)施工一定深度的鉆孔后，進(jìn)行高壓注漿，在陷落柱區(qū)域工作面底板約40～100 m深度范圍內(nèi)形成具有一定強(qiáng)度的隔水層，使已有裂隙得到密實(shí)充填，改善其隔水性能，通過(guò)注入的人工膠結(jié)物與陷落柱體內(nèi)松散礫巖的再次膠結(jié)，增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而形成較高強(qiáng)度的隔水屏障，達(dá)到防患于未然的目的。隔水層的厚度按式(1)計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)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?；阢@孔施工目的，在陷落柱所處9105風(fēng)巷附近布置鉆場(chǎng)1號(hào)和2號(hào)，對(duì)陷落柱進(jìn)行鉆孔和注漿作業(yè)，見(jiàn)圖3，共設(shè)計(jì)鉆孔41個(gè)，進(jìn)尺3 772 m。

T=P/M

(1)

式中：T為突水系數(shù)，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(jù)王莊煤礦已有回采經(jīng)驗(yàn)，3號(hào)煤層回采形成的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育在100～110 m，已經(jīng)波及K10頂板砂巖富水含水層。雖然探測(cè)結(jié)果顯示，陷落柱X12未波及K10含水層，但受到采動(dòng)影響，可能會(huì)造成煤層及頂板裂隙發(fā)育，發(fā)生滯后突水事故。所以，在掘進(jìn)過(guò)程中，必須對(duì)K10富水區(qū)水進(jìn)行疏放。

4 結(jié) 語(yǔ)

陷落柱水害防治是煤礦水害防治工作的重點(diǎn)，為了消除陷落柱水害隱患，必須對(duì)陷落柱的分布特征及導(dǎo)水性等進(jìn)行實(shí)際探測(cè)和驗(yàn)證，并制定相應(yīng)的水害防治措施。對(duì)于王莊煤礦來(lái)說(shuō)，3號(hào)煤層處于奧灰水承壓區(qū)，陷落柱的存在極易造成底板裂隙帶的發(fā)育，引起奧灰水突水事故的發(fā)生，而回采活動(dòng)可能會(huì)造成陷落柱與頂板富水區(qū)之間形成良好的導(dǎo)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(diǎn)在于注漿加固陷落柱，在煤層底板一定深度范圍內(nèi)形成良好的隔水層，并在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，加強(qiáng)頂板富水區(qū)含水的疏放工作。