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(zhì)現(xiàn)象。陷落柱破壞了原有的煤層，降低了工作效率，惡化了生產(chǎn)環(huán)境，有時(shí)甚至?xí)斐砂踩鹿省？焖僮R(shí)別陷落柱并采取合理措施安全通過(guò)，避免或者降低其對(duì)安全生產(chǎn)的影響，是煤礦采掘活動(dòng)中需要解決的一個(gè)難題。

2 陷落柱的破壞性

1）圍巖產(chǎn)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(guān)系，如果陷落柱出現(xiàn)在下山方向則會(huì)導(dǎo)致煤層傾角加大，如果陷落柱出現(xiàn)在上山方向則會(huì)導(dǎo)致煤層傾角變緩，其導(dǎo)致的角度變化一般在5°左右，影響的范圍一般在20 m以內(nèi)，但在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中出現(xiàn)過(guò)傾角變化約20°的現(xiàn)象。

2）裂隙和小斷層增多

在陷落柱形成的過(guò)程中周圍的巖體會(huì)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(cè)的巖體發(fā)生位移則形成了小斷層。斷層的落差一般在2 m以內(nèi)，絕大多數(shù)不超過(guò)0.5 m，走向長(zhǎng)度較短，一般不超過(guò)20 m。多數(shù)情況下在傾向柱體的方向上成階梯狀出現(xiàn)，落差逐漸變小，斷層間距逐漸變短，而且都是正斷層。

3）煤質(zhì)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(guò)含水層就會(huì)將地下水導(dǎo)入到煤層中，導(dǎo)致采掘工作面涌水量增大。陷落柱坍塌形成的空間，導(dǎo)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(tài)特征。陷落柱在平面上呈近圓形或近橢圓形，個(gè)別呈現(xiàn)不規(guī)則形狀；在剖面上大致呈一個(gè)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(fā)育在向斜軸部或褶曲的兩翼處，未曾發(fā)現(xiàn)發(fā)育在背斜軸部的陷落柱[1]。

2）陷落柱內(nèi)部特征。充填物產(chǎn)狀有一定的規(guī)律，四周巖石產(chǎn)狀傾向柱體中心；圍繞柱體中心的巖石巖性具有對(duì)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(nèi)部特征

4 陷落柱的觀察

遇到陷落柱時(shí)要觀測(cè)其導(dǎo)水性，觀測(cè)瓦斯涌出情況，要觀測(cè)周圍裂隙和小斷層的發(fā)育情況，察看內(nèi)部巖石的巖性，碎石的膠結(jié)情況等；根據(jù)以上觀測(cè)內(nèi)容采取合理方法確定陷落柱的邊界、大小，以及制定通過(guò)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(gè)時(shí)期已知的陷落柱要盡量使其留設(shè)在煤柱中，如地面物探探測(cè)到的陷落柱，或者開采上組煤時(shí)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(shí)，首先要探明其導(dǎo)水性，確定其安全后選擇直接通過(guò)，在通過(guò)陷落柱的過(guò)程中要制定好防止冒頂?shù)鹊陌踩夹g(shù)措施并嚴(yán)格執(zhí)行。

3）掘進(jìn)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(shí)首先進(jìn)行物探，其主要目的是探測(cè)陷落柱的導(dǎo)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(jìn)行驗(yàn)證，若物探無(wú)異常也要進(jìn)行鉆探，此時(shí)鉆探的目的是探測(cè)陷落柱的大小范圍等。如果陷落柱出現(xiàn)在較薄的煤層中，在鉆探的過(guò)程中鉆桿極易進(jìn)入頂?shù)装鍖?dǎo)致難以辨別陷落柱邊界，此時(shí)可采用巷探的方法加以驗(yàn)證，巷探一般采用小斷面快速掘進(jìn)，這種方法簡(jiǎn)單、直接，但是工程量較大。技術(shù)人員在掘進(jìn)工作面遇到陷落柱時(shí)往往會(huì)采取先水平通過(guò)陷落柱進(jìn)入正常煤巖層中，然后再根據(jù)層位找煤。這種方法在找煤時(shí)比較安全，不會(huì)發(fā)生走錯(cuò)層位的事故，但是往往會(huì)增加巖巷的掘進(jìn)量，降低生產(chǎn)效率。我們要做到的是能在通過(guò)陷落柱時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的坡度，在穿過(guò)陷落柱時(shí)可以直接進(jìn)入煤層，但是這需要很高的技術(shù)要求。根據(jù)筆者多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出如下設(shè)計(jì)坡度的方法：

① 根據(jù)煤層頂?shù)装鍢?biāo)高設(shè)計(jì)巷道坡度。如曙光煤礦1214運(yùn)輸巷與切巷交叉口處遇到一個(gè)陷落柱，該陷落柱首先在運(yùn)輸巷揭露，通過(guò)鉆探得知該陷落柱直徑約40 m，而此時(shí)距與切巷貫通處約25 m，于是停止該巷道的掘進(jìn)測(cè)得煤層頂板標(biāo)高。隊(duì)組改為掘進(jìn)切巷，在切巷揭露陷落柱時(shí)距貫通處約20 m，測(cè)得該處的煤層頂板標(biāo)高，通過(guò)地測(cè)科計(jì)算切巷先以2°坡度施工到貫通處然后水平掘進(jìn)與運(yùn)輸巷貫通。

② 根據(jù)臨近巷道煤巖層產(chǎn)狀設(shè)計(jì)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(jù)臨近巷道的煤巖層產(chǎn)狀設(shè)計(jì)本巷道的掘進(jìn)坡度，這種方法與兩巷道之間的煤柱長(zhǎng)度有關(guān)系，煤柱越短兩巷煤巖層產(chǎn)狀越相似，煤柱越長(zhǎng)煤巖層產(chǎn)狀相似性越小，此時(shí)應(yīng)結(jié)合其他因素綜合設(shè)計(jì)。

③ 根據(jù)本巷道煤巖層產(chǎn)狀設(shè)計(jì)巷道坡度。當(dāng)巷道周圍沒(méi)有已掘巷道，鉆探效果不理想時(shí)，只能根據(jù)現(xiàn)有的煤巖層產(chǎn)狀設(shè)計(jì)巷道坡度。需要注意的是此時(shí)的煤巖層產(chǎn)狀不包括牽引范圍內(nèi)的煤巖層產(chǎn)狀，而是正常煤層的產(chǎn)狀。一般采取在正常煤巖層產(chǎn)狀基礎(chǔ)上減去5°。

4）回采工作面遇陷落柱

回采工作面遇陷落柱時(shí)首先要核查陷落柱的邊界、大小，視其對(duì)安全生產(chǎn)的影響大小決定是否直接推過(guò)。圖2中1203回采工作面在回采期間遇到一個(gè)陷落柱，技術(shù)人員采取了巷探結(jié)合鉆探的方法對(duì)其進(jìn)行了勘查，探明了其長(zhǎng)軸約60 m，短軸約40 m，對(duì)安全生產(chǎn)影響較大，故工作面采取搬家倒面的方法規(guī)避了該陷落柱。

圖2 1203回采工作面陷落柱

6 結(jié)論

陷落柱有其明顯的外部及內(nèi)部特征，利用其特征結(jié)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(shí)最重要的是確保其不具有導(dǎo)水性，控制瓦斯涌出量，然后根據(jù)各種地質(zhì)資料確定巷道坡度，制定通過(guò)陷落柱時(shí)的安全技術(shù)措施。

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