“衰退—死亡”型陷落柱綜合探查治理及發(fā)育特征研究

安豐存，杜海鵬，馮 輝，張豪哲，武文強(qiáng)，柴集瑞，劉育敏

(1.山西錦興能源有限公司 肖家洼煤礦，山西 呂梁 033600；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

巖溶陷落柱是我國(guó)華北型煤田廣泛發(fā)育的一種特殊地質(zhì)現(xiàn)象，屬于隱伏垂向構(gòu)造，通常會(huì)破壞煤層完整性、影響掘進(jìn)進(jìn)度和采煤產(chǎn)量等。在煤炭的開采過(guò)程中，陷落柱可能會(huì)成為良好的導(dǎo)水通道，發(fā)生突水事故。陷落柱突水具有隱蔽性、突發(fā)性且突水量大等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著煤炭資源的安全開采。比如，1984年6月，開灤范各莊煤礦2171綜采工作面發(fā)生世界罕見(jiàn)陷落柱突水安全事故，最大突水量2050 m3/min；2003年4月，邢臺(tái)東龐礦2903工作面發(fā)生陷落柱突水，最大突水量1167 m3/min；2017年5月，安徽淮南潘二煤礦發(fā)生陷落柱突水后淹沒(méi)部分巷道[1，2]。根據(jù)華北型煤田溶巖陷落柱發(fā)育程度不同，一般將其分為4個(gè)發(fā)育階段：前期發(fā)育階段、強(qiáng)烈發(fā)育階段、衰退階段和死亡階段[3，4]，不同發(fā)育階段的陷落柱對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅程度差異較大，因此在礦井采掘前準(zhǔn)確探查陷落柱發(fā)育邊界及分布特征，并進(jìn)行合理的治理十分關(guān)鍵[5-8]。

山西呂梁肖家洼煤礦屬華北型煤田，礦井221302工作面在運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露地質(zhì)異常體，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣進(jìn)行X衍射、掃描電鏡測(cè)試，結(jié)合三維地震勘探成果推斷地質(zhì)異常體為陷落柱。為消除水害隱患，按照先探查后治理的原則劃分為兩個(gè)階段：第一階段主要以探查為主，利用瞬變電磁、礦井地震與取芯鉆探相結(jié)合，精確圈定煤層中陷落柱的邊界范圍，查明其含導(dǎo)水性；第二階段以治理為主，為不影響礦井采掘接續(xù)，采取先外后內(nèi)的方式對(duì)陷落柱淺部進(jìn)行注漿治理，并對(duì)治理可靠性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

1 工程概況

肖家洼井田位于山西省呂梁中段西部，屬華北型煤田。井田內(nèi)主要含水層分為奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組碎屑巖類裂隙含水層、二疊系上統(tǒng)和三疊系下統(tǒng)碎屑巖類裂隙含水層、第四系和新近系松散巖類孔隙含水層。肖家洼煤礦221302工作面主采煤層13煤，煤層埋深450 m，工作面走向長(zhǎng)3810 m，傾斜寬255 m，與奧灰含水層頂界面隔水層厚度47.73～79.02 m，承受奧灰水壓為0.83～4.24 MPa，屬于帶壓開采。

2021年11月4日，221302工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)至3780 m時(shí)突水，最大涌水量為35 m3/h，隨后逐漸衰減并穩(wěn)定至4 m3/h。為探查頂?shù)装甯凰?，共施工探測(cè)鉆孔18個(gè)，鉆孔長(zhǎng)度6～67 m，僅4個(gè)鉆孔出水，最大水量約4 m3/h，距探測(cè)孔孔口2～8 m范圍內(nèi)出現(xiàn)較大裂隙，鉆孔不反水，無(wú)法完成套管封孔注漿。通過(guò)取水樣進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)，水化學(xué)類型為Cl-Mg型，判斷為砂巖裂隙水。

掘進(jìn)至3782.4 m處發(fā)現(xiàn)，巷道右側(cè)頂板上方存在3～4 m裂隙帶，巷道煤巖層位紊亂，有硫化亞鐵結(jié)晶顆粒。結(jié)合地面三維地震探測(cè)成果，13號(hào)煤層形成的T13反射波光滑、連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)明顯同相軸的錯(cuò)動(dòng)、彎曲等異?，F(xiàn)象，下伏奧灰頂界面形成的波形存在異常的現(xiàn)象，圈定了地質(zhì)異常體大致范圍，如圖1所示。

圖1 三維地震探測(cè)成果Fig.1 3D seismic detection result

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)異常體膠結(jié)物取樣，采用SM-1型振動(dòng)研磨機(jī)將巖樣粉碎至100目以下。經(jīng)X射線衍射儀對(duì)巖樣的礦物組成成分進(jìn)行定性和定量測(cè)試分析[9，10]，礦物膠結(jié)體成分為含量100%的方解石。通過(guò)SEM掃描電鏡測(cè)試，可以看出樣品的臺(tái)階式節(jié)理發(fā)育，為方解石的主要形態(tài)特征，其主要元素為Ca、C、O，即為方解石的化學(xué)成分CaCO3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露情況、三維地震探測(cè)成果及膠結(jié)物礦物質(zhì)組成，經(jīng)綜合分析判斷地質(zhì)異常體為陷落柱，由于煤層厚度大，陷落柱發(fā)育不完全，僅發(fā)育至煤層中部，造成巷道頂板孔隙裂隙發(fā)育。

2 陷落柱邊界精準(zhǔn)探查

2.1 陷落柱物探探查

采用礦井無(wú)線電波透視法在工作面區(qū)域進(jìn)行探測(cè)[11]，輔運(yùn)巷施工發(fā)射點(diǎn)15個(gè)，運(yùn)輸巷施工接收點(diǎn)37個(gè)。根據(jù)布置的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)和衰減系數(shù)CT成像計(jì)算，獲得成像剖面，如圖2所示。根據(jù)坑透探測(cè)結(jié)果可以看出，在鄰近三維地震圈定的“奧灰異?！备浇嬖谝欢ǖ漠惓７从?，推測(cè)陷落柱及其影響區(qū)的范圍向工作面有擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖2 無(wú)線電波透視法成果Fig.2 Radio wave perspective result

采用礦井地震法超前探測(cè)運(yùn)輸巷3810 m處迎頭前方陷落柱發(fā)育情況，設(shè)計(jì)震源激發(fā)點(diǎn)12個(gè)，布置檢波器接收點(diǎn)6個(gè)，地震記錄72道，共采集數(shù)據(jù)8組。根據(jù)采集地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)置、小波變換、濾波、波組增強(qiáng)、反射波提取、速度分析、偏移成像、反射界面提取等處理。通過(guò)自動(dòng)增益控制(AGC)方法增強(qiáng)了反射信號(hào)同相軸特征，按照縱波速度2917 m/s進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換得到了深度域反射地震剖面。從迎頭單點(diǎn)反射地震成果圖可以看出，在65 m、100 m附近各存在一組較為明顯的反射信號(hào)，如圖3所示。

圖3 迎頭單點(diǎn)反射地震成果Fig.3 Single point reflection earthquake result

綜上，通過(guò)無(wú)線電波透視和礦井地震超前探測(cè)成果綜合分析，進(jìn)一步圈定了陷落柱的異常范圍。無(wú)線電波透視和礦井地震主要探測(cè)工作面內(nèi)部陷落柱構(gòu)造，通過(guò)與地面三維地震成果對(duì)比，進(jìn)一步探明了工作面內(nèi)部陷落柱邊界范圍，對(duì)原異常范圍進(jìn)行了修正。由于物探具有邊界體積效應(yīng)，比鉆探結(jié)果范圍稍大。物探探測(cè)成果如圖4所示。

2.2 鉆探探查

2.2.1 鉆探設(shè)計(jì)

針對(duì)井上下聯(lián)合物探探測(cè)的陷落柱異常范圍，在221302工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)2個(gè)鉆場(chǎng)，即距迎頭實(shí)體煤位置20 m處右?guī)筒贾?#鉆場(chǎng)，距迎頭實(shí)體煤位置15 m處左幫布置2#鉆場(chǎng)。陷落柱邊界鉆探探查共設(shè)計(jì)7個(gè)取芯鉆孔，其中，1#鉆場(chǎng)4個(gè)，2#鉆場(chǎng)3個(gè)。鉆孔布置如圖5所示，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)輸巷探測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Probe borehole design parameters in the transport roadway

圖5 運(yùn)輸巷探測(cè)鉆孔布置Fig.5 Schematic diagram of probe hole layout in the transport roadway

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)先向底板方向施工第一組3個(gè)淺孔(Z1-2、Z1-3和 Z2-2)，探查煤層底板陷落柱導(dǎo)水情況。若未導(dǎo)通底板奧灰水，再施工煤層順層孔。根據(jù)鉆孔取芯巖樣變化特征判別陷落柱邊界，若已施工外端鉆孔探到陷落柱，則繼續(xù)向外增加鉆孔數(shù)量，反之未探到陷落柱，則向內(nèi)繼續(xù)增加鉆孔。

2.2.2 鉆探成果分析

施工的第一組3個(gè)鉆孔(Z1-2、Z1-3和Z2-2)均未出水，表明陷落柱淺部未導(dǎo)通奧灰水，然后施工了煤層順層孔。由于外側(cè)Z1-1和Z2-1鉆孔未發(fā)現(xiàn)異常，因此現(xiàn)場(chǎng)施工由外向內(nèi)逐步探測(cè)。通過(guò)巖芯鑒定，陷落柱充填物以泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖為主。Z1-2鉆孔25～27 m巖芯破碎，提鉆困難，27～75 m粉砂巖中含有少量硫鐵礦顆粒，并出現(xiàn)難以鉆進(jìn)現(xiàn)象，分析25～75 m為陷落柱異常區(qū)。Z1-3鉆孔35～37 m出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，巖芯破碎，37～122 m粉砂巖中斷斷續(xù)續(xù)破碎，95～105 m破碎取不出芯，35～105 m為陷落柱異常區(qū)。Z1-4鉆孔22～119 m煤芯破碎。Z2-3鉆孔35～98 m含少量硫鐵礦顆粒，破碎不成型，為陷落柱異常區(qū)。Z2-2鉆孔25～28 m破碎塌孔，67 m后巖芯完整，25～67 m為陷落柱異常區(qū)。施工結(jié)束后采用測(cè)斜儀對(duì)鉆孔測(cè)斜，鉆孔方位及傾角誤差均不大于1°，表明鉆探提高了探測(cè)精度，探測(cè)陷落柱范圍長(zhǎng)軸為104 m，短軸為96 m。

3 陷落柱注漿治理及對(duì)巷道掘進(jìn)的影響

3.1 陷落柱治理情況

3.1.1 陷落柱注漿治理設(shè)計(jì)

根據(jù)陷落柱異常范圍，施工煤層底板導(dǎo)水性探測(cè)鉆孔，探測(cè)底板陷落柱的導(dǎo)水性，并兼做注漿封堵鉆孔，治理陷落柱[12-14]。由于礦井工作面接續(xù)緊張，前期確保巷道掘進(jìn)安全，僅對(duì)陷落柱淺部進(jìn)行治理，工作面圈定后進(jìn)一步對(duì)深部進(jìn)行治理。按照煤層采動(dòng)底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式[15]：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中，h1為底板破壞深度，m；H為構(gòu)造周邊煤層采深，此處取450 m；α為煤層傾角，取10°；L為工作面斜長(zhǎng)，取255 m。

通過(guò)計(jì)算工作面底板破壞深度為28.65 m，為提高隔水層強(qiáng)度及隔水性能，陷落柱注漿治理范圍取30 m。221302工作面運(yùn)輸巷2個(gè)鉆場(chǎng)中施工探水兼注漿鉆孔6個(gè)，根據(jù)鉆孔揭露涌水情況在1#鉆場(chǎng)施工補(bǔ)充鉆孔5個(gè)，鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表2。鉆孔施工如圖6所示。

表2 運(yùn)輸巷陷落柱導(dǎo)水性探測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of water conductivity detection boreholes in the transport roadway

圖6 運(yùn)輸巷陷落柱導(dǎo)水性探測(cè)結(jié)果Fig.6 Water conductivity detection results for collapse pillar in the transport roadway

鉆孔設(shè)計(jì)2級(jí)套管，一開孔徑?113 mm，進(jìn)入13煤底板完整巖石，下入?108 mm無(wú)縫鋼管10 m；固管合格后二開孔徑?93 mm，下入?89 mm不銹鋼套管20 m；固管合格后三開孔徑?75 mm，鉆進(jìn)至終孔。鉆孔耐壓試驗(yàn)壓力為2.5 MPa，采用比重1.4～1.5 g/cm3的PO 42.5硅酸鹽水泥漿進(jìn)行注漿治理，終孔注漿壓力為2.5 MPa。

3.1.2 陷落柱導(dǎo)水性探查及治理效果

Z1-1—Z1-7和Z2-1—Z2-6鉆孔共注漿(水泥干料)119.6 t。B1-1—B1-5補(bǔ)充鉆孔共注漿(水泥干料)372.4 t。注漿治理后迎頭水量變?yōu)?，實(shí)現(xiàn)100%有效封堵，并在1#和2#鉆場(chǎng)各施工1個(gè)檢驗(yàn)孔(J1-1和J2-1)，檢驗(yàn)孔未發(fā)生出水和異常塌孔現(xiàn)象，并且注漿量較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了治理效果的可靠性。迎頭水量治理前后水量變化如圖7所示。

圖7 迎頭水量治理前后水量變化曲線Fig.7 Water inflow change before and after treatment in the driving face

3.1.3 陷落柱發(fā)育特征分析

肖家洼井田位于天橋巖溶地下水系統(tǒng)的南部強(qiáng)徑流帶，井田地下奧灰水流場(chǎng)方向自東南向西北。地下水交替循環(huán)為陷落柱的形成提供了良好的地下水動(dòng)力條件。井田奧陶系碳酸鹽巖類巖溶、裂隙含水巖組以巨厚灰?guī)r、豹皮灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，總厚330～400 m，豐富的石灰?guī)r非常有利于后期的巖溶作用。井田褶皺、斷層構(gòu)造較發(fā)育，這些條件為陷落柱的形成提供了基本條件。

根據(jù)各個(gè)鉆孔的探查情況分析，陷落柱底部為堆石段，位于陷落柱柱體的最下方的奧灰?guī)r地層中，堆積時(shí)期為巖溶陷落柱形成的初期。原巖受到強(qiáng)烈的應(yīng)力改變，導(dǎo)致塌落巖塊體積增大，同時(shí)受到較強(qiáng)的動(dòng)水壓力作用，導(dǎo)致細(xì)小的巖屑、泥質(zhì)物質(zhì)等被水流帶走，留下的塌落堆積物多為大、中型巖塊。地下水徑流速度越大，堆石段的范圍越大，根據(jù)陷落柱探明的范圍為大型陷落柱，表明陷落柱形成初期的地下水活躍。根據(jù)B1-5鉆孔124 m處涌水量為4 m3/h、135～138 m塌孔、171 m處水量增大等異?，F(xiàn)象，判斷該段為堆石過(guò)渡段，破碎巖塊裂隙發(fā)育。陷落柱底板30 m以上柱體內(nèi)及周圍裂隙帶充填較為完好，壓實(shí)緊密，膠結(jié)程度好，未導(dǎo)通奧灰，具有良好的阻水介質(zhì)，將其視為泥石漿段，形成于陷落柱發(fā)育過(guò)程的中后期。巷道揭露陷落柱頂部裂隙發(fā)育，空洞明顯，有空頂現(xiàn)象，為巖塊碎屑段，形成于陷落柱發(fā)育的后期，柱體下方被泥石漿段封死，無(wú)地下水作用而出現(xiàn)了干式塌陷堆積。該段周圍進(jìn)行開挖，一般不會(huì)發(fā)生突水事故，但需注意巷道的穩(wěn)定性問(wèn)題。李永軍等劃分的華北型煤田巖溶陷落柱類型及其特征表明[2]，衰退階段的陷落柱柱體內(nèi)及其周圍的裂隙逐漸被泥砂或方解石充填封堵，但壓實(shí)、膠結(jié)程度相對(duì)較差，多呈半膠結(jié)或局部膠結(jié)狀態(tài)；死亡階段的陷落柱體內(nèi)及周圍裂隙帶充填較為完好，壓實(shí)緊密，膠結(jié)程度好，膠結(jié)緊密。根據(jù)衰退和死亡階段陷落柱的特征，結(jié)合鉆孔巖芯、涌水量及鉆探異常情況，B1-5鉆孔最大水量相對(duì)較小，后期巖溶作用較弱，下段為弱膠結(jié)，上端為膠結(jié)緊密，因此將其劃分為“衰退—死亡”階段，該階段的陷落柱自下而上可劃分為堆石段、過(guò)渡段、泥石漿段及巖塊碎屑段。

將煤層交點(diǎn)與塌孔點(diǎn)連接延伸至奧灰頂界面視為陷落柱過(guò)渡帶邊界，與奧灰頂界面夾角為69°，根據(jù)鉆孔異常特征，推斷陷落柱發(fā)育形態(tài)如圖8所示。

圖8 陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure diagram in the collapse column

4 陷落柱治理后對(duì)工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)的影響

巷道掘進(jìn)過(guò)程中底板是否發(fā)生突水，主要影響因素有：巷道底板承受的水頭壓力、底板隔水層性能以及巷道的底板寬度等。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，掘進(jìn)工作面底板安全隔水層厚度的計(jì)算公式為[16]：

式中，t為掘進(jìn)安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，巷道寬度5.4 m，松動(dòng)圈取2 m，則L=7.4 m；γ為底板隔水層的平均重度，取0.026 MN/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，取原始地層1.5 MPa的20%，即為0.3 MPa；P為底板隔水層承受的水頭壓力，取1.3 MPa。

本次陷落柱治理范圍為煤層底板以下30 m，注漿治理后底板有效隔水層厚度遠(yuǎn)大于掘進(jìn)需要的安全隔水層厚度9.77 m，因此工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)不會(huì)受到底板奧灰水的威脅。

受采動(dòng)影響，底板破壞帶會(huì)破壞底板完整性，降低底板的隔水性能，易對(duì)導(dǎo)水構(gòu)造產(chǎn)生活化作用，導(dǎo)致導(dǎo)水構(gòu)造內(nèi)的巖層更加破碎，可能進(jìn)一步溝通深部的導(dǎo)水通道，形成貫通奧灰水的突水通道。陷落柱導(dǎo)水性探測(cè)結(jié)果表明，陷落柱范圍內(nèi)煤層底板40 m以下導(dǎo)通奧灰水，工作面回采將受奧灰水的威脅。為了不受底板奧灰水的威脅，確保礦井安全生產(chǎn)，需進(jìn)行陷落柱采前注漿治理或留設(shè)防隔水煤柱等防治措施。

5 結(jié) 論

1)采用X衍射和掃描電鏡測(cè)試分析了陷落柱膠結(jié)物主要為方解石，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露情況、三維地震探測(cè)成果及膠結(jié)物礦物質(zhì)組成，經(jīng)綜合分析判斷地質(zhì)異常體為陷落柱。由于煤層厚度大，陷落柱發(fā)育不完全，僅發(fā)育至煤層中部，造成巷道頂板孔隙裂隙發(fā)育。

2)通過(guò)井上下綜合物探及鉆探探明了巖溶陷落柱的分布位置及范圍，陷落柱長(zhǎng)軸104 m，短軸96 m，呈圓錐狀，上部充填物壓實(shí)膠結(jié)較好、導(dǎo)水性差，下部具有一般導(dǎo)水性，將其劃分為“衰退—死亡”型，自下而上分為堆石段、過(guò)渡段、泥石漿段及巖塊碎屑段。

3)根據(jù)鉆孔涌水、注漿量及塌孔等異?，F(xiàn)象推斷了陷落柱的發(fā)育形態(tài)特征，對(duì)陷落柱注漿治理后，巷道揭露出水點(diǎn)得到有效封堵，經(jīng)檢驗(yàn)孔檢測(cè)治理效果明顯，底板隔水層有效厚度遠(yuǎn)大于掘進(jìn)需要安全隔水層厚度，可確保巷道安全掘進(jìn)。