淺談王莊煤礦陷落柱的探測驗證及水害防治

凌學(xué)鵬，宿 鵬

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

巖溶陷落柱主要分布于我國北方二疊系煤田，其因隱伏性好、突水性強、威脅大等特點成為煤礦水害事故發(fā)生的重要危險源，對煤礦安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。1983年開灤礦務(wù)局各莊礦2171工作面陷落柱突水造成礦井淹井，突水量達2 053 m3/min，直接經(jīng)濟損失5億元[2]。山西省作為煤炭生產(chǎn)大省，已揭露巖溶陷落柱數(shù)量占據(jù)全國的90%以上，而山西范圍內(nèi)煤層主要分布于奧灰水承壓帶上，巖溶陷落柱存在可能會形成強含水層，對煤層開采造成水害威脅[2]。潞安礦區(qū)位于山西沁水煤田，奧灰富水性較強，處于強徑流帶，已揭露陷落柱超過100個，多數(shù)發(fā)育在向斜軸線兩側(cè)，底板突水威脅性較大，1984年潞安礦區(qū)五陽煤礦曾發(fā)生過陷落柱突水事故，造成部分巷道淹沒[3]。王莊煤礦位于潞安礦區(qū)東南部，現(xiàn)已揭露陷落柱近60個，隨著采礦活動逐漸向+540 m水平轉(zhuǎn)移，陷落柱揭露數(shù)量也在不斷增加，而地面富水區(qū)和奧灰水的存在，極大增加了突水事故發(fā)生的可能，直接威脅到礦井的安全生產(chǎn)。所以，必須對井田范圍內(nèi)的陷落柱發(fā)育特征及分布規(guī)律進行研究，并做好已揭露陷落柱的水害防治工作，堅決遏制突水事故的發(fā)生。

1 研究區(qū)概況

9105工作面位于王莊煤礦+540 m水平后備區(qū)，工作面設(shè)計由東向西沿走向方向推進，煤層底板標(biāo)高377～520 m，主采二疊系3號煤層，平均煤厚6.5 m，煤層傾角1～11°。工作面主要充水因素為3號煤層上部的K8、K10砂巖含水層，正常涌水量為20～30 m3/d，最大涌水量50 m3/d，工作面處于奧灰水承壓區(qū)域，煤層與奧灰水間具有130 m隔水層，在沒有構(gòu)造導(dǎo)通的情況下，不會發(fā)生底板突水危險。但根據(jù)已有三維地震勘探資料顯示，距離9105工作面風(fēng)巷開口460 m巷道北部存在陷落柱X12，為了防止無計劃揭露地質(zhì)構(gòu)造，避免水害事故的發(fā)生，確保工作面安全掘進，必須對X12實際情況進行驗證。

2 陷落柱X12的實探和驗證

2.1 陷落柱X12實探驗證

為了超前查清陷落柱X12相關(guān)參數(shù)及影響范圍，在工作面掘進至430 m處(距離風(fēng)5點前13 m)進行專項探測。鉆探共分為超前方向探測和巷道左幫探測，其中，超前方向探測重點查清巷道掘進方向及距離掘進方向左右兩側(cè)約30 m范圍內(nèi)是否受X12的影響，左幫探測重點驗證X12實際參數(shù)及影響范圍。鉆孔布置見圖1。A為超前探測鉆孔位置，距離風(fēng)巷開口處430 m(風(fēng)5點前13 m)；B1和B2為驗證鉆孔位置，分別距離風(fēng)巷開口處452 m(風(fēng)5點前35 m)和468 m(風(fēng)5點前51 m)。鉆孔具體參數(shù)見表1。所有鉆孔方位角和垂直角設(shè)計主要參考于三維地震勘探結(jié)果，實際施工鉆孔角度選擇按照現(xiàn)場鉆探情況來定。

圖1 X12超前鉆孔和驗證鉆孔平面布置

探測結(jié)果顯示，X12陷落柱長軸119 m，短軸82 m，長軸方向為東北至西南方向，風(fēng)巷掘進跨陷落柱軸體右側(cè)位穿過，右側(cè)跨入7～9 m，穿越長度75 m。陷落柱實際揭露填充物為中、粗粒砂巖，塊狀，堆積無序，未發(fā)現(xiàn)流水現(xiàn)象。

表1 X12超前鉆孔和驗證鉆孔具體參數(shù)

注：設(shè)計孔深≥100 m

2.2 陷落柱鉆孔探查

根據(jù)已有鉆孔資料分析，3號煤層底板距K5灰?guī)r層36.7 m，距K4灰?guī)r79.65 m，距K3灰?guī)r90.85 m、距K2灰?guī)r104.1 m、K2～K4三層灰?guī)r富水性相對較強。為了預(yù)防9105工作面回采通過陷落柱發(fā)生底板直接突水或者滯后突水事故，必須對陷落柱X12的底板導(dǎo)水性進行探查。本次主要探查底板垂深40 m富水情況，見圖2。分別在巷道兩邊距離陷落柱55 m的范圍內(nèi)設(shè)置鉆場A和B。鉆孔具體參數(shù)為：1號孔，方位角為73°，傾角-29°，孔深216 m；2號孔，方位角為98°，傾角-26°，孔深161 m；3號孔，方位角為279°，傾角-35°，孔深177 m。探測結(jié)果顯示，鉆孔未出現(xiàn)大量出水現(xiàn)象，富水情況較弱，在不受到采煤影響條件下，陷落柱的導(dǎo)水性不良。

圖2 X12探查鉆孔平面布置

3 陷落柱的水害防治

根據(jù)探測結(jié)果，X12陷落柱發(fā)育區(qū)域煤層底板標(biāo)高410 m，奧灰水承壓標(biāo)高629～637 m，高差219～227 m，預(yù)計水壓為2.19～2.27 MPa。由于煤層下伏奧灰水強含水層水壓大于2 MPa，而陷落柱內(nèi)部膠結(jié)程度差，與圍巖接觸關(guān)系不規(guī)整不融結(jié)，本身承壓能力差，在工作面回采時必然形成大面積、大深度的底板破壞裂隙帶，在高水壓作用下，極易形成與奧灰水的導(dǎo)水通道，對工作面回采造成嚴(yán)重的突水隱患。所以，必須對陷落柱進行加固治理。

本次采用井下施工鉆孔、井下注漿方法進行加固。通過施工一定深度的鉆孔后，進行高壓注漿，在陷落柱區(qū)域工作面底板約40～100 m深度范圍內(nèi)形成具有一定強度的隔水層，使已有裂隙得到密實充填，改善其隔水性能，通過注入的人工膠結(jié)物與陷落柱體內(nèi)松散礫巖的再次膠結(jié)，增強其抗壓強度，進而形成較高強度的隔水屏障，達到防患于未然的目的。隔水層的厚度按式(1)計算，經(jīng)過計算，底板隔水層厚度為38 m，考慮回采期間底板受到的破壞深度為12～15 m，則底板隔水層厚度需53 m?；阢@孔施工目的，在陷落柱所處9105風(fēng)巷附近布置鉆場1號和2號，對陷落柱進行鉆孔和注漿作業(yè)，見圖3，共設(shè)計鉆孔41個，進尺3 772 m。

T=P/M

(1)

式中：T為突水系數(shù)，取最小值0.06 MPa/m；P為底板隔水層承受的壓力，取最大值2.27 MPa；M為底板隔水層厚度，m。

圖3 X12注漿隔水層鉆孔平面布置

除此之外，根據(jù)王莊煤礦已有回采經(jīng)驗，3號煤層回采形成的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育在100～110 m，已經(jīng)波及K10頂板砂巖富水含水層。雖然探測結(jié)果顯示，陷落柱X12未波及K10含水層，但受到采動影響，可能會造成煤層及頂板裂隙發(fā)育，發(fā)生滯后突水事故。所以，在掘進過程中，必須對K10富水區(qū)水進行疏放。

4 結(jié) 語

陷落柱水害防治是煤礦水害防治工作的重點，為了消除陷落柱水害隱患，必須對陷落柱的分布特征及導(dǎo)水性等進行實際探測和驗證，并制定相應(yīng)的水害防治措施。對于王莊煤礦來說，3號煤層處于奧灰水承壓區(qū)，陷落柱的存在極易造成底板裂隙帶的發(fā)育，引起奧灰水突水事故的發(fā)生，而回采活動可能會造成陷落柱與頂板富水區(qū)之間形成良好的導(dǎo)水通道，從而引起頂板水害事故。所以，王莊煤礦陷落柱水害防治的重點在于注漿加固陷落柱，在煤層底板一定深度范圍內(nèi)形成良好的隔水層，并在巷道掘進過程中，加強頂板富水區(qū)含水的疏放工作。