劉銀波

（冀中能源股份有限公司 葛泉礦，河北 邢臺(tái) 054100）

煤層陷落柱實(shí)際是一種特殊形式的斷層，由煤層中的石灰?guī)r由于巖溶裂隙發(fā)育，在自重作用下呈柱狀或圓錐狀塌陷而形成的[1-5]。華北型煤田的陷落柱主要分布于石炭二疊系煤層中，具有一定的區(qū)域性。華北型煤田下組煤距離奧灰水較近，含水量豐富，水頭壓力大，絕大部分煤層要實(shí)施帶壓開(kāi)采。陷落柱屬于垂向構(gòu)造，正常情況下奧灰水垂向突破向采掘工作面充水的可能性較小，但在采動(dòng)條件下，陷落柱柱體裂隙活化，奧灰水經(jīng)陷落柱突水的風(fēng)險(xiǎn)驟然增大，極易與奧灰水導(dǎo)通，形成突水。該類型的突水具有隱蔽性、突發(fā)性并且補(bǔ)給豐富，出水量大，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[6-9]。因此，根據(jù)陷落柱的發(fā)育特點(diǎn)與規(guī)律，采用相應(yīng)的開(kāi)采方式和治理措施，降低觸及陷落柱而導(dǎo)致突水事故的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 地質(zhì)條件

1.1 工作面概況

132下04 工作面位于-190 水平2下煤三采區(qū)，西南為2下煤三采區(qū)上山，西北為北翼-190 大巷，東北為2下煤可采邊界，工作面標(biāo)高-70— -170 m，地面標(biāo)高97—103 m。所采2下煤平均厚度為1.77 m，煤層傾角為14°，走向長(zhǎng)約960 m，傾向長(zhǎng)220 m。該工作面共有陷落柱13 個(gè)，其中X401、X408、X411、X413、X417 這5 個(gè)陷落柱對(duì)掘進(jìn)和采煤的影響較大。

1.2 陷落柱微觀特征及組分

132下04 運(yùn)料巷和運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中，分別揭露陷落柱X306 和X408，從現(xiàn)場(chǎng)揭露情況看，2 個(gè)陷落柱均不含水不導(dǎo)水。為進(jìn)一步研究柱體特征，在陷落柱X306 和X408 柱體內(nèi)部采集了5 塊巖石標(biāo)本。

通過(guò)鏡下觀察（圖1）可以看出，DX306-B01標(biāo)本巖性均一，主要的成分為石英和長(zhǎng)石，填充物以云母為主，部分區(qū)域有黃鐵礦分布，極個(gè)別區(qū)域有明顯的沸石化現(xiàn)象。

圖1 DX306-B01 標(biāo)本鏡下結(jié)構(gòu)Fig.1 Microscopic structure of No.DX306-B01 specimen

1.3 陷落柱特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)5 塊巖石標(biāo)本的分析，可以得到葛泉礦井田陷落柱有以下特點(diǎn)。

（1）絕大多數(shù)陷落柱截面為橢圓形，受斷層等地質(zhì)構(gòu)造的影響，陷落柱發(fā)育方向以東西向?yàn)橹鳌?/p>

（2）陷落柱巖體的膠結(jié)程度高，強(qiáng)度大，大多數(shù)陷落柱內(nèi)無(wú)水。內(nèi)部填充物以砂巖為主，顏色為灰-灰黑色，部分區(qū)域?yàn)闇\紅色。

（3）陷落柱與周邊的煤巖體間接觸緊密，但界線明顯，部分接觸面清晰可見(jiàn)。少數(shù)陷落柱嵌入煤體中，成為煤層的一部分。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

依據(jù)132下04 工作面的實(shí)際情況建立長(zhǎng)500 m，寬350 m，高250 m，共358 420 個(gè)網(wǎng)格單元的模型，共整合17 個(gè)巖層，包含2下煤和5 煤上下兩組煤，上下兩個(gè)工作面平行布置，分別都是面寬150 m，推進(jìn)距離300 m。模型沒(méi)有取至地表，因此將模型高度之上未計(jì)算在內(nèi)的巖層及其上部松散層采用荷載施壓的方式在模型上部邊界加荷載。模擬未計(jì)算在內(nèi)的巖（土）層厚度約為100 m，容重取平均值25 kPa/m，故上部荷載P=γh=25×100=2.5 MPa。

工程實(shí)際中陷落柱是不規(guī)則的變徑柱體，為方便研究，這里簡(jiǎn)化成等徑柱體。根據(jù)該工作面內(nèi)X413 號(hào)陷落柱的特征分別設(shè)置軸長(zhǎng)為20、40、60 m 的3 個(gè)陷落柱，每個(gè)陷落柱高200 m，貫穿整個(gè)模型。

2.2 模擬結(jié)果

對(duì)于3 個(gè)軸長(zhǎng)不同的模型分別進(jìn)行兩種不同方式的開(kāi)挖，第一種是直接推采過(guò)陷落柱，第二種是開(kāi)采至陷落柱前方時(shí)，四周留20 m 保護(hù)煤柱跨過(guò)陷落柱再繼續(xù)開(kāi)采。開(kāi)采次序是先采上組煤（2下煤），再采下組煤（5 煤）。開(kāi)挖完成后，對(duì)比分析上下兩個(gè)工作面頂板和底板的塑性破壞高度以及陷落柱區(qū)域應(yīng)力分布情況，為工程實(shí)際中注漿治理和陷落柱的處置提供參考。

2.2.1 應(yīng)力分析

分別截取每個(gè)模型上下兩組煤開(kāi)挖完成后的應(yīng)力分布云圖，如圖2 所示。

圖2 不同開(kāi)采方案應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud diagram under different mining schemes

陷落柱在模型中的高度是0～200 m，對(duì)陷落柱標(biāo)高25、76、112、146 m 位置點(diǎn)的主應(yīng)力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不同情況下的應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 不同位置應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（MPa）Table 1 Stress monitoring data at different locations(MPa)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，兩種開(kāi)采方式導(dǎo)致的應(yīng)力分布情況有明顯差異。對(duì)于同一位置來(lái)說(shuō)，直接推采過(guò)陷落柱比留煤柱跨過(guò)陷落柱的應(yīng)力小。煤層開(kāi)采后，圍巖應(yīng)力會(huì)重新分布，保護(hù)煤柱和陷落柱會(huì)形成一個(gè)支撐上覆巖層的“柱子”，陷落柱內(nèi)部各個(gè)位置的應(yīng)力都會(huì)增大，為陷落柱內(nèi)部出現(xiàn)塑性破壞提供力學(xué)條件。

2.2.2 底板破壞深度分析

分別截取每個(gè)模型上下兩組煤開(kāi)挖完成后的塑性區(qū)分布云圖，如圖3 所示。

圖3 不同開(kāi)采方案塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic zone distribution under different mining schemes

通過(guò)塑性區(qū)云圖可以看出，每一種情況下最終形成的塑性破壞區(qū)大致相似，模擬結(jié)果顯示，2下煤底板最大破壞深度基本為30 m，5 煤底板最大破壞深度為28 m，下組煤底板破壞高度較小，應(yīng)該是由于上組煤開(kāi)采后，圍巖發(fā)生破壞，礦壓釋放的原因。底板破壞深度見(jiàn)表2。

表2 底板破壞深度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of floor failure depth

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，工作面出水與回采過(guò)程中的礦壓變化關(guān)系密切。當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度與工作面斜長(zhǎng)大致相等時(shí)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。此時(shí)，地應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力可能由垂向轉(zhuǎn)變?yōu)樗剑貞?yīng)力、構(gòu)造隔水強(qiáng)度和水壓力之間的平衡被打破，奧灰水壓力在垂向上被激活，奧灰水在水壓力的驅(qū)動(dòng)下沿底板隔水層中固有垂向裂隙不斷導(dǎo)升，有可能導(dǎo)致陷落柱在豎向上與奧灰水溝通，從而形成導(dǎo)水裂隙，造成突水事故的發(fā)生。

3 開(kāi)采方案優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有開(kāi)采方案

目前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(dòng)均采取避開(kāi)陷落柱方式。由于陷落柱發(fā)育較多，范圍較廣、大小不一，全部采取補(bǔ)巷避讓措施，不僅增加巷道工程量，也造成了回采過(guò)程中多次搬家、機(jī)頭機(jī)尾頻繁對(duì)接、改系統(tǒng)等問(wèn)題。

以2下煤工作面內(nèi)發(fā)育1 個(gè)長(zhǎng)軸30～40 m 陷落柱為例，如該陷落柱位于機(jī)頭、機(jī)尾時(shí)，以132下06 工作面為例，需要補(bǔ)巷工程65 m，其中30 m 為補(bǔ)切眼，規(guī)格為5.0 m×2.2 m。工作面與補(bǔ)巷貫通擴(kuò)幫上網(wǎng)后，將工作面運(yùn)輸（運(yùn)料）系統(tǒng)改經(jīng)補(bǔ)巷至工作面，繼續(xù)推進(jìn)過(guò)程中安排隊(duì)伍將陷落柱影響范圍內(nèi)20 個(gè)支架搬到補(bǔ)切眼內(nèi)，耗時(shí)10 d 左右，其中影響工作面推進(jìn)時(shí)間約5 d。補(bǔ)巷與陷落柱間損耗工作面儲(chǔ)量約500 t。如陷落柱多位于工作面內(nèi)部時(shí)，以132下04 工作面為例，面內(nèi)發(fā)育5 個(gè)陷落柱，其中30～40 m 軸長(zhǎng)3 個(gè)，另外2 個(gè)軸長(zhǎng)均超過(guò)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60 d，分兩面回采一次，影響工作面推進(jìn)時(shí)間約5 d，共計(jì)損失回采儲(chǔ)量約4 500 t。

3.2 方案優(yōu)化

由于葛泉礦目前所揭露陷落柱隔水性能較好，且2下煤上部2 號(hào)煤、下部5 號(hào)煤均揭露過(guò)陷落柱，已探明陷落柱導(dǎo)水性較差，因此在臨近或揭露陷落柱進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，可以參照斷層等構(gòu)造進(jìn)行探查、治理以及頂板加固工作。當(dāng)陷落柱軸長(zhǎng)大于工作面面長(zhǎng)的一半或長(zhǎng)度大于40 m 時(shí)，嚴(yán)重影響工作面煤質(zhì)，采取搬家甩陷落柱的方式通過(guò)；當(dāng)陷落柱軸長(zhǎng)較小時(shí)，可參考過(guò)斷層方案直接通過(guò)，同樣以180 m 面長(zhǎng)、40 m 軸長(zhǎng)陷落柱為例，通過(guò)陷落柱最長(zhǎng)軸期間，每推進(jìn)1 m 矸石占煤比值為41.5%，采取措施降低陷落柱區(qū)域采高至1.4 m 后，可將該比值降低至36.4%。

按照40 m 陷落柱作參考，過(guò)陷落柱期間共計(jì)出矸石約4 300 t，生產(chǎn)費(fèi)用增加129 萬(wàn)元（300 元/t），分揀洗煤成本增加13 萬(wàn)元（30 元/t），合計(jì)142 萬(wàn)元。按照補(bǔ)巷甩陷落柱搬家方案，補(bǔ)巷費(fèi)用44 萬(wàn)元（5 500 元/m），搬家組織費(fèi)用50 萬(wàn)元，損失煤柱資源費(fèi)用70 萬(wàn)元（800 元/t），合計(jì)164 萬(wàn)元，兩方案經(jīng)濟(jì)差值22 萬(wàn)元。

按照20 m 陷落柱作參考，過(guò)陷落柱期間共計(jì)出矸石約1 056 t，生產(chǎn)費(fèi)用增加31.7 萬(wàn)元，分揀洗煤成本增加3.2 萬(wàn)元，合計(jì)35 萬(wàn)元。按照補(bǔ)巷甩陷落柱搬家方案，補(bǔ)巷費(fèi)用22 萬(wàn)元，搬家組織費(fèi)用20 萬(wàn)元，損失煤柱資源費(fèi)用18.2 萬(wàn)元，合計(jì)60.2 萬(wàn)元，兩方案經(jīng)濟(jì)差值25.2 萬(wàn)元。

由于40 m 軸長(zhǎng)時(shí)兩種方案經(jīng)濟(jì)差值較小，且陷落柱軸長(zhǎng)大于工作面面長(zhǎng)的一半或長(zhǎng)度大于40 m 時(shí)，嚴(yán)重影響工作面煤質(zhì)，因此選取40 m 軸長(zhǎng)為過(guò)陷落柱經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大于40 m 采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m 建議采取直接通過(guò)措施。

3.3 陷落柱治理

無(wú)論采取推過(guò)陷落柱還是搬家甩陷落柱方案，陷落柱空間定位必須準(zhǔn)確，并且對(duì)陷落柱周邊及底板區(qū)域進(jìn)行加固。

3.3.1 加固設(shè)計(jì)

13512 運(yùn)輸巷按37°方位沿5 號(hào)煤頂板掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)前方發(fā)育X404 陷落柱，該陷落柱最初在北翼-190 大巷掘進(jìn)時(shí)揭露。采用常規(guī)的注漿加固方式進(jìn)行治理[10-12]。

探查孔開(kāi)設(shè)在13512 運(yùn)輸巷32 號(hào)測(cè)點(diǎn)前26 m（迎頭）處煤層底板較為完整的巖層中，鉆探設(shè)備為ZDY1900S 鉆機(jī)、配套鉆桿、泥漿泵、防噴裝置。探查鉆開(kāi)孔孔徑133 mm，下孔徑108 mm 孔口管16 m，固管后孔徑變?yōu)槁憧字睆?5 mm 至終孔。鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆孔施工參數(shù)Table 3 Parameters of drilling construction

3.3.2 加固效果

鉆探施工5 個(gè)探查鉆孔，共計(jì)工程量496.5 m，查明X404 陷落柱內(nèi)膠結(jié)密實(shí)，不具有導(dǎo)含水性。按照規(guī)定要求對(duì)X404 陷落柱進(jìn)行注漿加固，注漿材料為水泥漿，水泥漿液比重1.5，并對(duì)各鉆孔進(jìn)行全孔封嚴(yán)、封實(shí)，封孔壓力為6 MPa，封孔質(zhì)量良好。

4 結(jié) 論

（1）華北型煤田陷落柱易與下組煤奧灰水導(dǎo)通，形成隱蔽性、突發(fā)性的突水，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。

（2）葛泉礦陷落柱截面以橢圓形為主，陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，膠結(jié)程度高，接觸面附近常見(jiàn)擦痕及牽引現(xiàn)象，界面清晰。

（3）對(duì)于工作面中的陷落柱應(yīng)留設(shè)一定寬度的保護(hù)煤柱，但對(duì)陷落柱周邊進(jìn)行注漿加固后，采用直接推采的方案，可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。