陷落柱影響下的煤層開采方案分析

劉振江

（冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺 054000）

1 概 況

礦井構(gòu)造預(yù)測與探測直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，陷落柱是煤礦生產(chǎn)過程中遇見的一種地質(zhì)構(gòu)造，陷落柱的發(fā)育使煤層遭受到了不同程度的破壞，不僅對安全生產(chǎn)造成較大的隱患，還影響了采掘布置，煤炭資源流失嚴(yán)重。國內(nèi)外對陷落柱等構(gòu)造的探測主要依靠三維地震及電法探測。對陷落柱的探測和治理研究具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。葛泉礦礦區(qū)屬于典型的華北型石炭二疊煤系沉積建造，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其下組煤開采時(shí)絕大部分煤層要實(shí)施帶壓開采，解放下組煤是礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)。

2 陷落柱的發(fā)育特點(diǎn)及分布特征

葛泉礦陷落柱發(fā)育，迄今為止已經(jīng)揭露并探明近70 個(gè)，經(jīng)過探查后發(fā)現(xiàn)陷落柱均為不導(dǎo)水陷落柱，填充較實(shí)，隔水性好。結(jié)合已有的相關(guān)資料，分析揭露的陷落柱特性。

（1） 陷落柱內(nèi)部多為上部不同層位的巖塊陷落、破碎后重新膠結(jié)，且同一陷落柱的不同部位或不同陷落柱的巖層落下的距離和破碎情況不同、充填物風(fēng)化程度明顯有差異。充填物主要以基底式膠結(jié)為主，孔隙式次之，膠結(jié)物成分不統(tǒng)一，以碳酸鹽、火山質(zhì)為主的居多，層狀比較穩(wěn)定，壓實(shí)膠結(jié)情況較好。柱體中心部分比柱體邊緣部分壓實(shí)膠結(jié)程度好，柱體下部比柱體上部好。在平面上陷落柱的形態(tài)總體呈不規(guī)則橢圓形，從外向里一般可劃分3 個(gè)帶，外圍影響帶、邊緣過渡帶、中心塌陷帶；在垂直方向上，自上而下可將巖溶陷落柱劃分成4個(gè)帶，頂部懸空帶、上部整體碎裂帶、中部松散破碎帶以及下部致密混雜帶。

（2） 陷落柱的發(fā)育、分布特點(diǎn)是在構(gòu)造應(yīng)力增高區(qū)域容易形成，由于地下水強(qiáng)徑流帶和地下水排泄口處巖溶作用強(qiáng)烈，因此幾乎所有導(dǎo)水性強(qiáng)的巖溶陷落柱都分布在地下水強(qiáng)徑流帶上，其發(fā)育具有明顯的不均勻性、密集成群性，塌陷高度大。

（3） 從空間位置來看，巖溶陷落柱發(fā)育在向斜軸部附近，且分布在巖溶強(qiáng)徑流帶附近，在垂向結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出該地區(qū)的獨(dú)特性，柱體垮落穿過煤系基巖，根據(jù)采礦頂板垮落的一般經(jīng)驗(yàn)，柱體塌陷應(yīng)是分次垮落形成的。

研究發(fā)現(xiàn)，葛泉礦陷落柱分布還具有密集成群型、網(wǎng)絡(luò)帶狀分布性等特征，對掘進(jìn)和回采造成了較大的影響。

3 陷落柱對開采的影響及開采方案的分析

3.1 陷落柱對開采的影響分析

葛泉礦陷落柱發(fā)育眾多，對多煤層開采造成極大影響。到2022 年4 月，均未發(fā)現(xiàn)陷落柱內(nèi)導(dǎo)水情況發(fā)生，突水威脅較小。但眾多陷落柱不僅影響儲量，還影響采面布置、采煤工藝等。另外在2 號煤及5 號煤層已經(jīng)揭露多個(gè)，且均為不導(dǎo)水陷落柱，2下煤及9 號煤層開采，如何應(yīng)對陷落柱同樣是亟待解決的問題。

該礦2下煤三采區(qū)在工作面設(shè)計(jì)以及巷道布置中，所有采掘活動均采取避開陷落柱方式。以2下煤工作面內(nèi)發(fā)育一個(gè)長軸長度30~40 m 大小陷落柱為例，如陷落柱多位于工作面內(nèi)部時(shí)，如132下04 工作面，面內(nèi)發(fā)育5 個(gè)陷落柱，其中30~40 m軸長3 個(gè)，另外2 個(gè)軸長均超過50 m。工作面內(nèi)共需要補(bǔ)巷工程735 m，回采期間搬家改系統(tǒng)5次，影響工作面推進(jìn)時(shí)間約65 d，損失回采儲量約4 500 t。因此采取這種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(jī)頭機(jī)尾頻繁對接、改系統(tǒng)等問題，影響了工作面推進(jìn)，也造成了資源浪費(fèi)。

此次在對陷落柱進(jìn)行有效探查和治理的基礎(chǔ)上，結(jié)合陷落柱發(fā)育的范圍大小，分析對比利用補(bǔ)巷甩陷落柱和直接推過陷落柱的方案優(yōu)劣，從而采取更適合的回采方案。

3.2 陷落柱的探查和治理

葛泉礦的陷落柱探查和治理方法主要是物探、鉆探相結(jié)合，對陷落柱進(jìn)行綜合探查和治理。利用物探方法對其導(dǎo)含水性進(jìn)行探測，其次利用鉆探對其導(dǎo)含水性進(jìn)一步探查，然后對其底板進(jìn)行注漿加固，鉆探布置在平面上，根據(jù)陷落柱范圍進(jìn)行布置，但不低于3 個(gè)，鉆孔終孔間距保持在不大于注漿擴(kuò)散半徑的范圍，陷落柱探查治理設(shè)計(jì)平面如圖1 所示。

圖1 X411 陷落柱探查治理設(shè)計(jì)平面Fig.1 Exploration control design plane of X411 collapse column

在剖面上則根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄五（5-2） “突水系數(shù)”計(jì)算公式：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)按不大于0.06 MPa/m 計(jì)算，正常塊段按不大于0.1 MPa/m 計(jì)算。因此在探測陷落柱時(shí)，按突水系數(shù)0.06 MPa/m 取值，符合要求。即：

式中：T為突水系數(shù)，取0.06 MPa/m；P為底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，MPa，水壓應(yīng)從含水層頂界面起算，取近3 a 含水層觀測水位最高值。

通過突水系數(shù)公式計(jì)算底板隔水層厚度，該區(qū)域煤層底板標(biāo)高為-201 m，近3 a 奧灰水位最高為+51 m，即水頭壓力取值為2.52 MPa，因此按式（1） 計(jì)算底板隔水層厚度為41 m，即該治理鉆孔設(shè)計(jì)終孔位置達(dá)到隔水層厚度41 m 以下。圖2 為陷落柱探查治理設(shè)計(jì)剖面，將陷落柱進(jìn)行多方位、立體式的加固治理，使陷落柱的底板和周邊形成一個(gè)不低于41 m 的有效隔水層，從而避免陷落柱突水，保障開采安全。

3.3 經(jīng)濟(jì)性對比分析

按照40 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間出矸石約4 300 t，結(jié)合當(dāng)前煤炭形勢計(jì)算，生產(chǎn)費(fèi)用增加129 萬元，分揀洗煤成本增加13 萬元，合計(jì)142 萬元。按照補(bǔ)巷甩陷落柱搬家方案，補(bǔ)巷費(fèi)用44 萬元，搬家組織費(fèi)用50 萬元，損失煤柱資源費(fèi)用70 萬元，合計(jì)164 萬元，兩方案差值22萬元。

按照20 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間共出矸石約1 056 t，生產(chǎn)費(fèi)用增加31.7 萬元，分揀洗煤成本增加3.2 萬元，合計(jì)35 萬元。按照補(bǔ)巷甩陷落柱搬家方案，補(bǔ)巷費(fèi)用22 萬元，搬家組織費(fèi)用20 萬元，損失煤柱資源費(fèi)用18.2 萬元，合計(jì)60.2 萬元，兩方案經(jīng)濟(jì)差值25.2 萬元。

綜上所述，由于陷落柱40 m 軸長時(shí)兩種方案經(jīng)濟(jì)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(shí)，嚴(yán)重影響工作面煤質(zhì)，因此應(yīng)以40 m 軸長為過陷落柱經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大于40 m 的陷落柱采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m的陷落柱可考慮采取直接回采通過方案。

4 結(jié) 語

陷落柱的發(fā)育是葛泉礦的一大特點(diǎn)，尤其是陷落柱導(dǎo)水，會給煤礦的安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。即使不導(dǎo)水也會因?yàn)橄萋渲苓吤簩釉獾絿?yán)重破壞，從而影響采面的正常設(shè)計(jì)和設(shè)備布置，造成煤炭資源的損失。因此在對陷落柱的發(fā)育和分布特性進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，采取綜合探查和治理手段，確保安全的同時(shí)，根據(jù)其規(guī)模及對開采的影響范圍，分析并采取相對應(yīng)的開采方案，有效避免煤炭資源的浪費(fèi)，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 X411 陷落柱探查治理設(shè)計(jì)剖面圖Fig.2 Profile of exploration control design of X411 collapse column