葛泉礦回采工作面底板陷落柱加固與安全評價

尚冀瑋

（冀中能源股份有限公司 葛泉礦，河北 邢臺 054102）

陷落柱在我國華北型煤田廣泛存在，在采動影響下極易形成導水通道，給安全回采造成較大威脅。近年來眾多專家學者在陷落柱對回采安全的影響方面進行了研究。尹尚先等人分析了華北型煤田巖溶陷落柱的成因、機理等；王沉等對綜合工作面過陷落柱時圍巖應力變化特點進行了總結(jié)；路鑫以古城煤礦為例采用地震正演技術(shù)等結(jié)合地面三維地震勘探數(shù)據(jù)進行陷落柱精細識別；黃勇等運用數(shù)值模擬對采動影響下隱伏陷落柱突水災變特征進行了研究。葛泉礦1523 工作面位于葛泉礦南翼五采區(qū)，通過回采前的綜合物探及鉆探資料分析，工作面內(nèi)并未發(fā)育隱伏陷落柱，但實際回采過程中揭露X503 陷落柱。為確保安全回采，制定了詳細的加固方案，并進行了安全評價，為今后類似情況提供了參考。

1 概 況

1.1 工作面情況

1523 工作面位于南翼五采區(qū)1525 與1521 工作面之間，為一孤島工作面。其西北為一采區(qū)運輸、軌道上山，東北1525 工作面采空區(qū)，東南為DF6-5 斷層，西南為1521 工作面采空區(qū)。工作面走向長1 103 m，傾向長101 m，面積111 313 m2，開采2 號煤平均煤厚2.7 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角22°～50°，平均37°，可采儲量449 979 t。該工作面總體位于葛泉向斜軸右翼，基本呈單斜構(gòu)造。工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，斷層發(fā)育，其中f23-6、F505、F506、DF6-5斷層，落差分別為6、2.5、5、8 m。

1.2 區(qū)域地層情況及主要含水層

1.2.1 地層情況

底部礫石層，以淺紫色、紫紅色石英巖為主，堅硬，距2 號煤100 m。下石盒組粉砂巖，多為灰色夾紫色或紅紫色夾紫色花斑，特征較為明顯，該層距2 號煤80 m。上述粉砂巖下部發(fā)育一層鋁土巖淺灰色、乳白色，均一性脆，巖石細膩，具參差狀及貝殼狀斷口，特征較明顯，該層距2 號煤60～70 m。1 號煤黑色，弱玻璃光澤，裂隙發(fā)育，厚度0.25～0.55 m，平均0.43 m，距2 號煤10 m左右。2 號煤老頂為中砂巖，灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，主要成分為石英、長石，含少量暗色礦物，距2 號煤2 m 左右。2 號煤直接頂為粉砂巖，灰色為主，淺灰色，細砂結(jié)構(gòu)，致密，具水平層理，局部不穩(wěn)定發(fā)育粉砂巖形成偽頂。2 號煤黑色，弱玻璃光澤，常以亮煤為主夾少量暗煤，含夾矸1～2 層，厚度2.45～3.5 m，平均2.7 m。2 號煤底板為粉砂巖，深灰色、黑灰色，局部夾細砂薄層，中厚層狀，具水平層理。2下煤黑色，弱玻璃光澤，暗型煤，常以暗煤為主，夾少量亮煤，厚度0～1.4 m，平均0.4 m，距2 號煤20 m 左右。3上煤位于該層頂部黑色，弱玻璃光澤，暗型煤，常以暗煤為主，夾少量亮煤，厚度0～0.58 m，平均0.29 m，距2號煤35 m 左右。3上煤底板富含黃鐵礦、少量植物根化石。3 號煤位于該層頂部黑色，弱玻璃光澤，暗型煤，常以暗煤為主，夾少量亮煤，厚度0.3～1.35 m，平均0.39 m，距2 號煤50 m 左右。野青灰?guī)r，頂部黃色，其余灰色，隱晶結(jié)構(gòu)，致密，含大量海百合莖和腕足類動物化石，厚度4.45～6.70 m，平均5.75 m，距2 號煤70 m 左右。

1.2.2 主要含水層

（1）石盒子組砂巖裂隙承壓弱含水層。該層以中粗粒砂巖為主，底部含礫，夾粉砂巖，砂巖裂隙不甚發(fā)育，且為泥質(zhì)充填。最大厚度139.20 m，鉆孔沖洗液消耗量均小于0.5 m3/h，為含水性弱的裂隙含水層。

（2）山西組砂巖裂隙承壓極弱～弱含水層。2號煤頂板砂巖，為中細砂巖，裂隙不發(fā)育，常含鐵質(zhì)鮞狀顆粒。該層段作簡易抽水試驗鉆孔21 個，泥漿消耗量大于0.5 m3/h 的4 個，僅占鉆孔總數(shù)的19%，單位涌水量為0.000 383～0.065 L/s·m，滲透系數(shù)為0.004 3～0.017 0 m/d，屬于HCO3-Na+型水，礦化度為0.048 6～0.074 2 g/L，為含水性弱—極弱裂隙含水層。

（3）野青灰?guī)r裂隙巖溶承壓極弱—弱含水層。該層灰?guī)r厚0.50～8.04 m，一般厚4～6 m，裂隙不發(fā)育，裂隙被全充填或半充填。揭露本層作簡易水文地質(zhì)觀測62 個鉆孔中，有漏水孔16 個，沖洗液消耗量大于0.5 m3/h 的鉆孔4 個，這二者占鉆孔總數(shù)的32%。抽水試驗3 次，測得單位涌水量為0.000 368～0.051 6 L/s·m，滲透系數(shù)為0.003 67～1.512 00 m/d。屬于HCO3-Na+型水，礦化度為0.375～0.508 g/L。

2 陷落柱治理

2.1 X503 陷落柱概況

依據(jù)工作面實際揭露情況并結(jié)合鉆探資料綜合分析，陷落柱平面形態(tài)呈不規(guī)則橢圓形，長軸55 m，短軸35 m，面積1 500 m2。井下觀測陷落柱內(nèi)巖性混雜，陷落柱內(nèi)巖性以山西組灰色、深灰色、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、中細砂巖為主，局部有較大巖塊的黑灰色中砂巖，并發(fā)育裂隙，裂隙內(nèi)被方解石脈、黃鐵礦晶體充填；并發(fā)育有下石盒子組紅紫色夾紫色花斑砂巖及淺灰色中粗砂巖，灰黑色粉砂巖。陷落柱內(nèi)干燥無水。

最初揭露時的工作面揭露素描如圖1 所示，6月2 日時陷落柱長度5 m（平距，以下數(shù)據(jù)均為平距）；推進9.5 m 后6 月14 日，陷落柱長度22 m，陷落柱范圍逐漸增加；推進3.5 m 后6 月15 日，陷落柱長度32 m，陷落柱范圍驟增；推進2 m 后6月23 日，陷落柱長度38 m，陷落柱范圍逐漸增加；推進4 m 后7 月2 日，陷落柱長度45 m，陷落柱范圍逐漸增加；最終確定為陷落柱，其素描圖如圖2 所示。

圖1 最初揭露陷落柱時的工作面揭露情況Fig.1 The working face situation when the collapse column was initially exposed

圖2 確定揭露陷落柱時的工作面揭露情況Fig.2 The working face situation when the collapse column was determined to expose

2.2 陷落柱治理方案

2.2.1 X503 陷落柱特殊性

葛泉礦以往所揭露的陷落柱內(nèi)含大量上部地層巖石，特征明顯，且陷落柱內(nèi)巖石膠結(jié)密實，壓實性較好，干燥無水。而X503 陷落柱到目前為止只揭露少量上部下石盒子組紅紫色砂巖，陷落柱內(nèi)大部分巖性仍以2 號頂板以上20 m 范圍內(nèi)泥質(zhì)粉砂巖、中細砂巖為主。同時從揭露情況看X503 陷落柱內(nèi)巖石膠結(jié)松散，壓實差，存在孔隙、空洞。鉆探過程中除1 個鉆孔無水外，其余鉆孔均有出水，出水深度在陷落柱范圍內(nèi)2 號煤底板以下6.5～52 m，說明該陷落柱有含水性。

2.2.2 治理方案

隨著陷落柱的確認及工作面揭露范圍不斷增大，為防止陷落柱滯后出水、保證安全生產(chǎn)，決定進行鉆探、注漿治理。通過注漿加固使2 號煤底板下10～40 m 形成一個完整、堅硬、密實的整體，以阻止由于采動破壞導致下部水體滯后突出。終孔控制深度不小于2 號煤層底板下40 m；注漿材料選用水泥，漿液比重1.2～1.3，注漿終孔壓力為該區(qū)域靜水壓力的2～3 倍，即4～5 MPa。

最終確定總體治理方案如圖3 所示，結(jié)合現(xiàn)場條件，在1523 運輸巷探巷施工第一鉆窩，在中間巷下口處施工第二鉆窩。首先對其范圍進行探查，查明陷落柱范圍后，進行鉆探注漿治理，同時根據(jù)打鉆、注漿情況邊施工邊調(diào)整鉆孔施工密度。第一鉆窩內(nèi)主要完成陷落柱范圍探查及陷落柱里部加固工作；第二鉆窩主要完成陷落柱外部加固及檢查孔施工工作。

圖3 X503 陷落柱加固鉆孔分布圖Fig.3 Reinforcement borehole distribution of No.X503 collapse column

2.2.3 陷落柱治理過程

（1）初期治理。工作面24 架處施工鉆探，對其進行探查。施工底板鉆孔1 個，工程量50 m；煤層鉆孔1 個，工程量50 m。底板鉆孔：經(jīng)鉆探揭露，未揭露有陷落柱特征巖性，鉆孔未見水，達到設(shè)計終孔后進行注漿加固，共注漿12 t。煤層鉆孔：孔深10～39.5 m 未見煤，0～10 m、39.5～50 m 為揭露2 號煤。

（2）陷落柱范圍探查。第一鉆窩處施工煤層孔，探查陷落柱范圍。共施工鉆孔6 個，工程量108.5 m，其中M2-3 號、M3 號孔有效控制了陷落柱范圍。上述工程施工結(jié)束后，結(jié)合初期施工的1個煤層孔及工作面第二中間巷揭露情況綜合分析，工作面揭露的陷落柱范圍基本查明。

（3）總體治理。分別在第一、第二鉆窩，結(jié)合施工現(xiàn)場條件，決定分兩個階段進行探查治理，第一鉆窩內(nèi)主要完成陷落柱范圍探查及陷落柱里部加固工作；第二鉆窩主要完成陷落柱外部加固及檢查孔施工工作。

①第一鉆窩。該處設(shè)計施工1～5 號鉆孔，工程量320.9 m，注漿248.2 t，其中2 號、4 號鉆孔控制陷落柱的邊緣，終孔巖性屬正常層位巖性。2號、5 號鉆孔在鉆進過程中，多次塌孔、多次掃孔、注漿，且每次均出水，影響鉆孔施工進度，為減少因塌孔、掃孔影響工期，采取注漿、鉆探平行作業(yè)方式進行施工，最大程度減少對工期的影響。

②第二鉆窩。該處設(shè)、計施工6～11 號鉆孔，工程量402.6 m，注漿24.45 t，其中8 號、9 號、11 號鉆孔為檢查孔，9 號鉆孔控制陷落柱的邊緣。雖鉆孔在施工過程中均出水，但鉆孔基本不存在塌孔，水量有限，注漿量較小，說明前期注漿加固效果明顯，陷落柱內(nèi)裂隙充填加固效果密實。在施工過程中嚴格采取平行作業(yè)方式和明確的施工順序，保證了注漿、檢查的效果。

2.3 治理效果

通過鉆探探查，X503 陷落柱共施工煤層鉆孔7 個，工程量158.5 m，查明陷落柱的范圍；共完成底板注漿鉆孔12 個，工程量773.5 m，注漿總量284.65 t，注漿終壓4～5 MPa。通過鉆探、注漿，除了中期施工的2 號、3 號、5 號孔施工過程中因塌孔多次注漿、掃孔，鉆孔在不同孔深均不同程度出水，且以上3 個鉆孔注漿量占了總注漿量的2/3以上。其余鉆孔包括后期檢查孔在施工過程中均未出現(xiàn)塌孔事故。綜合上述情況，說明陷落柱經(jīng)探查范圍明確，底板注漿加固效果良好，陷落柱內(nèi)裂隙得到了有效充填，在陷落柱范圍內(nèi)2 號煤底板下10～60 m 形成了一個有效、完整、堅硬、密實的具有隔水意義的堅固整體，如圖4 所示。

圖4 鉆孔加固深度綜合投影圖Fig.4 Comprehensive projection of drilling reinforcement depth

3 X503 陷落柱安全性評價

3.1 注漿效果

通過鉆探探查，基本查明陷落柱范圍，控制程度較高；經(jīng)底板注漿加固，完成底板注漿鉆孔12個，工程量773.5 m，注漿總量284.65 t。經(jīng)前期鉆孔的多次塌孔、掃孔、鉆孔分岔、注漿及后期注漿、檢查孔檢查，陷落柱范圍內(nèi)及邊緣部位均得到加固，陷落柱內(nèi)裂隙被充填、加固，效果明顯。

3.2 水源分析

后期施工過程中每個鉆孔均在不同孔深見水，鉆孔出水點距2 號煤底板6～44 m，水量在0.5～20 m3/h，經(jīng)觀測各鉆孔均未測到水壓。鉆孔出水后經(jīng)疏放，鉆孔涌水量明顯減小，說明各鉆孔無有效補給，連通性較差。水質(zhì)分析結(jié)果表明鉆孔涌水具有砂巖水質(zhì)特征，應屬于HCO3-Na+型水，礦化度為0.375～0.508 g/L，未測到水壓，表明無奧灰水等深部水源補給。

3.3 突水系數(shù)

此次陷落柱治理過程中12 個底板注漿鉆孔有10 個鉆孔深度達到2 號煤底板下40 m（T1 號、10號孔深度小于2 號煤底板下40 m），且注漿效果較好。依據(jù)《煤礦防治水細則》附錄四突水系數(shù)計算公式計算陷落柱注漿加固后的突水系數(shù)值，以突水系數(shù)值不大于0.06 MPa/m 確定陷落柱安全性。按公式Ts=P/M計算，M 為底板隔水層厚度，取40 m，P 為底板隔水層承受的水頭壓力，按照奧灰水水位+20 m（歷年平均值），底板標高-175 m，則P=2.35 MPa；因此Ts=0.06 MPa/m，考慮到多數(shù)鉆孔加固深度均大于2 號煤底板下40 m，因此此次計算的Ts 實際應小于0.06 MPa/m。根據(jù)《煤礦防治水細則》可確定X503 陷落柱不具有突水威脅。

4 結(jié)語

文章從鉆探注漿效果、陷落柱內(nèi)水源分析及注漿后底板突水系數(shù)3 個方面進行分析，認為通過鉆探注漿加固治理后，X503 陷落柱范圍內(nèi)2 號煤底板下10～40 m 段已經(jīng)形成一個有效隔水層，并且陷落柱內(nèi)賦水無奧灰水等深部水源補給。因此認定1523 工作面可以安全回采過X503 陷落柱。