馬蘭礦18502工作面S91松散陷落柱治理技術研究

羅永青

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦）

馬蘭礦18502 工作面開采石炭系太原組8#煤，煤厚3.7～4.8 m，平均4.56 m，工作面傾斜長251 m。工作面對應地表標高1 271～1 386 m，煤層底板標高845～903 m，蓋山厚度為381～541 m，平均465 m，與9#煤層間距8.63 m，9#煤平均煤厚1.82 m，距離奧灰頂界面約76.25 m。在輔運巷640～710 m 工作面內(nèi)為坑透異常區(qū)K2范圍，該區(qū)域發(fā)育一條向斜，向斜樞紐位于輔運巷697 m，兩翼傾角最大分別為19°和7°。

2019 年3 月，18502 輔運巷施工至里程614 m 處停掘施工，施工超前鉆孔發(fā)現(xiàn)右前方有陷落柱，后鉆孔加密對S91 陷落柱含（導）水性進行驗證，其中2#孔施工至61 m時孔內(nèi)有涌水，初始水量約10 m3/h，后斷流，取水樣經(jīng)化驗分析表明水質(zhì)類型為HCO3—Na型，水質(zhì)對比表明為煤系水。陷落柱揭露前施工11個鉆孔，探明了陷落柱含水性和與奧灰水之間的水力聯(lián)系。巷道施工完成后，對陷落柱進行了綜合物探，并施工10個鉆孔圈定了陷落柱大小，同時確定陷落柱不具有導水性，結合物探、鉆探分析，陷落柱發(fā)育較松散。為防止隨著回采陷落柱活化，發(fā)生滯后導水，造成水害事故，對18502 工作面S91 陷落柱進行注漿加固，共施工注漿孔34 組，累計注漿108 次，總注漿水泥量195.3 t，有效漿水泥量174.743 t。

1 S91陷落柱揭露及勘查情況

（1）S91 陷落柱揭露情況。2019 年3 月，18502 輔運巷施工至里程614 m 處停掘施工，超前鉆孔發(fā)現(xiàn)右前方有陷落柱，后施工探查孔對S91陷落柱大小及含（導）水性進行驗證，累計施工11個鉆孔，孔深分別為86，90，109，123，141，145，54，90，21，56，20 m。2 號孔施工至61 m時孔內(nèi)有涌水，初始水量約10 m3/h，停鉆，觀測水量變化，并取水樣進行化驗分析，水質(zhì)類型為HCO3—Na 型，待水量穩(wěn)定后，繼續(xù)進鉆，62 m 為巖石，73 m 見煤，78 m 終孔為巖石，終孔深度84 m，提鉆后涌水量約25 m3/h，定時觀測水量變化，持續(xù)3～5 d后逐漸減小直至斷流。3、4號孔在施工過程中受局部裂隙發(fā)育影響出現(xiàn)3～5 m3/h涌水，后隨時間推移逐漸斷流。

（2）陷落柱帶壓情況。S91 陷落柱位于馬蘭向斜軸西部約1 500 m 向斜的軸部，距離GS-6 水文孔約1 300 m，區(qū)域上奧灰含水層地下水處于徑流帶。18502 工作面所在區(qū)域奧灰水靜水位標高950～962 m，8#煤底板至奧灰頂界面間距78～82 m。據(jù)鄰近的GS-6 水文孔揭露資料，8#煤下距離本溪組界面34.35 m，本溪組厚度為41.9 m，即8#煤底板至奧灰頂界面間距76.25 m。該孔2001 年抽水試驗資料表明：峰峰組降深62.4 m 時單位涌水量為0.080 L/（s·m），降深43.8 m 時單位涌水量0.078 L/（s·m），降深24.0 m 時單位涌水量0.076 L/（s·m），滲透系數(shù)0.21 m/d，影響半徑287.14 m；上馬家溝組降深2.0 m 時單位涌水量3.492 L/（s·m），降深4.3 m時單位涌水量2.388 L/（s·m），滲透系數(shù)3.32 m/d，影響半徑78.32 m。該陷落柱發(fā)育位置8#煤底板標高855～860.5m，該處奧灰水靜水位標高954 m，8#煤至奧灰頂面間距76.25 m，8#煤底板最大承壓0.99 MPa。

（3）物探情況。2019年10月，對該工作面進行了槽波探測、音頻電透視探測、無線電波坑透多種探測，根據(jù)探測結果，可以確定CX1#異常區(qū)推測為S91陷落柱范圍，以及陷落柱外部影響頂?shù)装瀹惓７秶?，對回采影響較大。根據(jù)無線電波坑透探測成果解譯，在工作面有5 個坑透異常區(qū)，其中異常區(qū)K2位于輔運巷640～710 m、皮帶巷670～710 m，衰減5～15 dB，分析可能受工作面內(nèi)上組煤推斷的陷落柱影響。

（4）鉆探情況。2019 年3 月19 日—4 月7 日，在18502 輔運巷里程614 m 停處掘施工了11 個超前鉆孔對陷落柱含水性、充水情況進行了勘查。其中2號孔施工至61 m孔內(nèi)有涌水現(xiàn)象，初始水量約10 m3/h，停鉆觀測水量變化，及時取水樣進行化驗分析，水質(zhì)類型為HCO3—Na，待水量穩(wěn)定后，繼續(xù)進鉆，62 m 見巖，73 m 見煤，78 m 見巖至終孔，終孔深度84 m，拔鉆后水量約25 m3/h，后涌水逐漸減小直至疏干。3、4號孔在施工過程中受局部裂隙發(fā)育影響出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，后逐漸疏干，其余鉆孔均未發(fā)現(xiàn)有異常涌水現(xiàn)象。對于有涌水的鉆孔，每日取水樣進行水質(zhì)化驗分析，結果為HCO3—Na，屬于煤系地層含水層水。2019年7月，在18502輔運巷里程660～703 m 處，施工了10 個探測鉆孔對S91 陷落柱大小及富水性進行鉆探驗證，陷落柱為橢圓形，初步推斷長軸52 m、短軸25～32 m，個別底板鉆孔有少量涌水，涌水量為3～4 m3/h。其中1、2、5、8 號孔注漿封堵。2020 年4 月20日，在18502 瓦斯鑒定巷702 m 處施工9#煤本煤層瓦斯抽采孔的過程中，施工至57 m 時鉆孔開始涌水，孔深至60 m時涌水量為13 m3/h，鉆孔終孔位置位于S91陷落柱柱體內(nèi)，涌水水源與上述水源一致，與奧灰水無水力聯(lián)系。另外，由18502 輔運巷660～703 m 向工作面內(nèi)施工的23 個8#煤本煤層鉆孔，均出現(xiàn)不同程度見巖情況。結合上組對應2#煤位置的12504 回采揭露情況分析，S91 陷落柱位于18502 工作面內(nèi)輔運巷661～697 m，柱體以大塊砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，泥質(zhì)膠結，巖性混雜。

（5）水質(zhì)化驗情況。陷落柱在揭露及鉆探過程中均有出水情況，先后進行了12 次水質(zhì)化驗，1 次揭露前超前鉆孔（4 號孔）水樣結果為SO4·HCO3—Na·（Ca）型，分析為柱體孤立點積水，煤層水長時間封閉后，水質(zhì)發(fā)生變化，該鉆孔涌水自然疏干，其余11 次水樣結果為水質(zhì)類型為HCO3—Na 型，屬于煤系水；綜合分析與奧灰水質(zhì)不同，與奧灰水無明顯水力聯(lián)系［1-5］。

綜上，根據(jù)物探成果、鉆探勘查及水質(zhì)化驗情況分析，該陷落柱在8#煤與9#煤發(fā)育略有不同。其中8#煤發(fā)育大小為36 m×28 m（長軸×短軸），面積為806.7 m2；9#煤發(fā)育大小為38 m×29 m（長軸×短軸），面積為910.8 m2。綜合物探、鉆探及水質(zhì)化驗情況分析，該陷落柱較松散，松散含水為8#煤頂板太原組灰?guī)r含水層水，未發(fā)現(xiàn)與奧灰水有水力聯(lián)系［6-9］。

2 治理方案

2.1 治理目的

采用注漿加固方案對松散陷落柱進行注漿，并在9#煤底板5～13 m 位置即距8#煤20～28 m 處通過注漿加固，形成有效阻水層，達到“止水塞”目的。同時對8#～9#煤層松散空間通過注漿達到承重、承壓作用，防止回采過程中出現(xiàn)下沉，最終形成完整的隔水層，預防回采后發(fā)生滯后導通奧灰水造成水害事故［10-12］。

2.2 設計方案

（1）18502 瓦斯鑒定巷與18502 輔運巷水平間距為20～23 m，在該巷道施工注漿堵水鉆孔。原因如下：①該巷道有現(xiàn)成的探放水鉆機以及配套設備，壓風、壓水、排水和供電系統(tǒng)完善，便于開展注漿工作；②該巷道位于9#煤層，9#煤層與8#煤層間距8.63 m，在9#煤層注漿堵水可以更好地完成8#煤層底板破壞帶的注漿堵水工作；③該巷道開展的注漿堵水工作與18502工作面作業(yè)互不影響，加快工作進度。

（2）利用注漿法加固陷落柱及周邊地層，在9#煤層底板形成阻水層，8#～9#煤層間形成完整的隔水層。

（3）在18502 瓦斯鑒定巷S91 陷落柱周圍（660～700 m）施工順層、頂板、底板鉆孔，進行3 層注漿施工。根據(jù)經(jīng)驗及該區(qū)域地質(zhì)條件，本次注漿影響范圍取10 m，在9#煤層下部10 m、25 m 以及9#煤層上部10 m（8#煤層底板）3個平面內(nèi)設計相鄰注漿孔。經(jīng)優(yōu)化設計布局，9#煤層下部10 m 平面布置7 個鉆孔，9#煤層下部30 m 平面布置8 個鉆孔，9#煤層上部10 m（8#煤層底板）平面布置4 個鉆孔，8#煤層向下部置5個鉆孔，共計24個。施工過程中充分利用注漿孔，進行“一孔多用”，既用于探查陷落柱范圍，又進行注漿范圍探測，起到注漿加固的作用，兼顧注漿效果檢查的功能。鉆孔施工完成后需采用鉆孔窺視儀進行測斜、孔內(nèi)裂隙及注漿效果檢查，并根據(jù)窺視情況調(diào)整鉆孔設計參數(shù)。根據(jù)以上鉆孔布置原則，設計了預注漿鉆孔24個，鉆探工程量1 780 m，

3 治理效果

根據(jù)上述方案對18502 瓦斯鑒定巷進行了治理，并對該巷684 m 下山孔和676 m 上山孔進行了窺視。對比分析了注漿前后18502瓦斯鑒定巷的治理效果。研究表明，注漿前孔內(nèi)存在諸多裂縫，孔壁粗糙，注漿后基本沒有裂縫，孔壁光滑（圖1），此次對松散陷落柱進行注漿治理，注漿效果明顯，基本達到了注漿目的，18502工作面具備安全回采條件。

于2021年2月在18502輔運巷674 m處開展了鉆孔取芯工作，共取出10組巖芯，取出的巖芯大多數(shù)完整堅固，注漿痕跡明顯，其中部分如圖2所示。

4 結 論

（1）圈定了陷落柱大小，其中在8#煤層陷落柱尺寸為36 m×28 m（長軸×短軸），面積為806.7 m2；9#煤層陷落柱尺寸為38 m×29 m（長軸×短軸），面積為910.8 m2。

（2）采用多種物探方法并結合鉆探驗證，探明了陷落柱較松散，充水僅在8#～9#煤層間柱體松散帶及周邊裂隙發(fā)育帶內(nèi)，水源為8#煤層頂板灰?guī)r水，利用勘查孔對陷落柱柱體及周邊積水進行疏放，累計疏放水量1 458 m3。

（3）對18502 瓦斯鑒定巷684 m 下山孔和676 m上山孔進行了窺視。對比分析了注漿前后18502 瓦斯鑒定巷的治理效果，研究表明，注漿前孔內(nèi)存在諸多裂縫，孔壁粗糙，注漿后基本沒有裂縫，孔壁光滑。此次對松散陷落柱進行注漿治理，注漿效果明顯，基本達到了注漿目的，18502 工作面具備了安全回采條件。