辛置煤矿2-216工作面涌水陷落柱的防治实践研究

王克勤

（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 霍州031412）

0 引言

霍州煤田内北东-北北东向断裂呈束展布，将向斜东翼切割成长方形地块，煤田主要受新华夏系构造体系控制，为山西省多字形雁行斜列的主要煤盆地。陷落柱是在漫长的地质演变过程中，由于煤系基地碳酸盐岩经地下水溶蚀，形成空洞，上覆岩层在重力的作用下冒落、塌陷形成的一种地质构造。陷落柱的发育不仅减少了煤炭开采储量，且对采掘工作面的合理布置、生产带来严重困难。到2018年年底霍州矿区生产揭露和地质勘探揭露的陷落柱总数达3100个。柱体大多填充密实，只有个别柱体内富水或有空洞，空洞内存水量最大可达600m3。辛置煤矿位于霍州煤田西部边缘，煤层在地表均有出露，西部奥灰岩直接接受补给，井田构造发育，因而各类构造具有特殊性。

2019年2月5日9时，辛置煤矿南一下组煤综采二队2-216工作面回采到距停采线4m时，遇顶部有空洞的陷落柱，陷落柱内出现涌水，伴有瓦斯、硫化氢气体逸出现象。霍州煤电集团公司、辛置煤矿技术人员当天派人现场对陷落柱进行了察看，并采取了应急措施，迅速组织进行了物探，请有经验的防治水队伍进行了注浆封堵，快速消除了安全隐患，为今后治理导水陷落柱提供了宝贵的经验。

1 工作面概况

2-216工作面是辛置煤矿南一下组煤下山采区首采面，开采8#煤，该面走向长1246m，倾斜长194m，煤层倾角平均3°～4°，平均煤厚4.10m，可采储量124.7万t工作面地质条件复杂，回采中共揭露落差1m以上断层13条，其中5m以上断层2条，断层延伸总长度Ⅰ260m；揭露陷落柱5个，陷落柱最大40m×25m，最小7.5m×4m；煤层起伏大，共控制2个背斜、1个向斜；断层及陷落柱多发育在褶曲核部，造成煤岩层破碎，局部煤层倾角达28°。

工作面大部分区域带压开采，奥灰水位标高为900m，工作面遇陷落柱处煤层底板标高为891m，8#煤与9#煤层间距为12m，8#煤煤层底板至奥灰顶面间距约为76m，最大突水系数0.006MPa/m。工作面位于陷落柱发育带上，停采线处揭露的8.5m×3.5m陷落柱柱体胶结松散，导通奥灰水（陷落柱处承压10m水柱高度），涌水量稳定在10m3/h，经过40d的注浆治理，陷落柱柱体涌水。

2 矿井水文地质条件

井田内地层为第四系松散层及黄土，第三系红色黏土，二叠系砂岩、泥页岩夹煤层，石炭系砂岩、石灰岩、泥岩夹煤层，奥陶系中统峰峰组、上马家沟组、下马家沟组石灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩，奥陶系下统泥灰岩、白云质灰岩，寒武系灰岩等。该陷落柱处于马兰向斜轴的西部约2500m，距离狐堰山碱性二长岩侵入体约6000m，距GS-6水文孔（终孔为奥陶系上马家沟组石灰岩含水层）为2000m，奥陶系岩溶地下水处于相对径流较强的地段。

辛置煤矿井田水文地质条件为复杂型，矿井充水水源主要为奥灰岩溶裂隙水、松散冲积层及基岩风化裂隙水、山西组砂岩裂隙水、太原组灰岩裂隙岩溶水以及小窑采空水。

3 陷落柱涌水水源辨识

3.1 现场观测情况

2019年2月5日甲班，2-216工作面收尾正常割煤1.2m，无涌水征兆，乙班9点工作面割煤至距停采线4m时，在91*架处出现涌水，瞬时涌水较大，涌水流人采空区，几分钟后涌水量稳定，综采二队立即停止了生产，向矿调度室汇报，矿调度室向局调度室汇报，矿地测科接到通知后立即安排人员下井观测涌水情况，随后公司及矿主要领导到工作面，经观测工作面在91#架处底板揭露一个顶部发育1m高空洞的陷落柱（见图1）。

图1 2-216工作面完全揭露陷落柱剖面

陷落柱段平剖面图陷落柱长轴约8.5m，短轴约3.5m，长轴方位为141°，空洞上部尚有2.3m的8#煤，煤体裂隙充填方解石晶体，陷落柱柱壁、充填物表面及接触处发育钟乳状方解石晶体，柱体胶结松散，有涌水及瓦斯、硫化氢气体异常涌出现象。经测量涌水量约10m3/h，水的温度17℃，空洞中瓦斯浓度大于10%硫化氢气体浓度达300ppm。

2月5日丙班，经集团公司领导、矿领导及有关人员现场勘察、研究，初步确定涌水水源疑似奥灰水，并决定进行注浆治理。为满足注浆治理场地的需要，制定了《辛置煤矿2-216工作面收尾扩循环揭露陷落柱综合安全技术措施》并报集团公司，于2月7日工作面收完尾。期间涌水量稳定，瓦斯涌出量明显减小，硫化氢气体涌出量在涌水点水面处为20～50ppm，工作面风流中硫化氢气体已测不出。

3.2 水质化验分析

为确定涌水水源，2月5日立即取水样进行化验分析，2月7日水化学类型发生了重大转变，基本确定为奥陶系岩溶水，2月12日、3月2日继续采取水样进行跟踪化验对比分析，陷落柱处涌水的水质类型由HCO3-KNa型水逐渐向奥灰水HCO2·SO4-Ca·Mg型水转变，确定涌水水源为奥陶系岩溶水。

3.3 利用物探查明导水通道

为确定涌水通道，2月10日至12日，该矿聘请西安及重庆煤科院技术人员采用浅层地震仪、高密度电法仪、地质雷达等多种物探手段对陷落柱进行探测，并编制了物探报告，基本查清了陷落柱的分布范围及富水性。根据水质化验分析及多种物探手段探测分析，该陷落柱为充水并导水的陷落柱。

4 治理期间采取的应急措施

1）现场跟踪观测：①观测涌水量变化。从2月5日到注浆治理完成期间，辛置煤矿派人24h值班，观测涌水量的变化情况，一有增大的迹象，立即汇报矿调度室及主管领导。②派瓦斯检査员现场监测硫化氢气体、瓦斯浓度的变化情况，派人24h值班，一有异常及时汇报。工作面备足石灰粉，一旦陷落柱内硫化氢气体浓度大于6.6ppm时，作业人员迅速抛洒石灰粉，以便降低硫化氢气体浓度。③观测顶板、底板的压力变化情况，派人24h值班，一有异常及时汇报。④及时采取水样化验分析。2月5日、7日、12日和3月2日持续采取水样送到山西省煤炭地质研究所化验分析，以准确判断水源。

2）鉴于涌水量基本稳定，为了便于对该陷落柱进行治理，在保证工作面安全的前提下工作面进行了扩循环，清理了现场，共推进4m。

3）辛置煤矿加强工作面的排水工作，在工作面低洼处开挖水仓，完善排水系统，排水泵采用耐酸水泵，并有备用泵。排水管路确保完好，运行正常。

4）同时观测GS-6水文钻孔（距离2000m）的水温、水位的变化情况。

5）辛置煤矿编制了应急救援预案，一旦发生硫化氢气体、瓦斯浓度增大，或水量增大，危及生产人员安全时，及时启动救援预案，采取措施，保证人员及时安全的撤退，保证矿井的安全。

6）霍州煤电公司迅速组织技术人员，于2月7～12日深入井下现场采用瑞利波、浅层地震仪高密度电法仪、地质雷达等先进的多种物探手段对陷落柱周边进行物理探测，基本查清陷落柱的分布范围和空间位置。

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7）2月13日请煤炭科学研究总院西安分院水文所、重庆分院物探所的专家，以及地质处的地质技术人员对2-216工作面的陷落柱出水情况进行了详细的研究分析，通过对现场出水点位置、陷落柱的充填情况、方解石的结晶形态的调查，对水量及水温、硫化氢气体及瓦斯的观测，对奥陶系岩溶水的标高、工作面底板标高及区域水文地质情况的分析，并结合多种物探的结果分析，以及水质化验成果的分析，确定了该陷落柱为导水陷落柱，导水通道为陷落柱与围岩的接触地带。

8）霍州煤电公司及时联系煤炭科学研究总院西安分院水文所编制了注浆堵水治理方案，聘请了有经验的注浆堵水队伍，对陷落柱进行注浆封堵。

9）工作面回采完毕后，在工作面切眼附近的轨道巷、皮带巷构筑了防水密闭。

5 注浆治理情况

确定陷落柱涌水水源及涌水通道后，根据《煤矿防治水工作条例》及《煤矿安全规程》的有关规定，决定在井下对导水陷落柱进行注浆治理。2月17日，委托煤炭科学研究总院西安分院专家编制《辛置煤矿2-216工作面陷落柱注浆堵水方案》设计，并由其下属注浆队伍进行施工。集团公司地测处下发了《辛置煤矿2-216工作面陷落柱注浆堵水前期准备工作安排》，辛置煤矿根据要求完善了采区及工作面排水系统，并进行了注浆前期准备工作，编制了注浆期间专项应急救援预案。

注浆工期前后共40天，共设计4个注浆孔，一次全长注浆，先低压（小于2MPa）后高压最大达9MPa）注浆，单孔注浆2～3次。之后在陷落柱中部施工了一个注浆效果检查验收孔。

注浆工作量如下：注浆钻孔进尺141.5m（其中孔口管段孔径130mm，进尺45m；裸孔段孔径80mm，进尺85.5m；二次及三次扫孔进尺189.5m）。

注浆效果：根据注浆孔及验证孔施工观测记录，注浆加固段深度大于25m，注浆后柱体无涌水，仅陷落柱周边裂隙带有间歇性瓦斯与水涌出，涌水量0.05m3/h。

6 注浆治理导水陷落经验

1）辛置煤矿2-216工作面陷落柱导通奥灰水涌水在霍州煤电集团公司是首次，从发现陷落柱导水到治理结束，集团公司、矿各级领导及相关单位高度重视，各项措施得力，有效防止了水害事故的扩大。

2）该工作面虽然经过无线电坑透，但由于该陷落柱较小，柱体存在富水空洞，坑透手段对水体探测效果不好，资料无异常显示。今后在带压开采工作面时选择合理的物探方法，探测工作面隐伏导水构造；对带压开采工作面要出台相应的防治水技术管理规定；加强超前探测及隐伏导水构造探测技术攻关。

3）陷落柱涌水后，对水源的判别主要靠水质分析，由于没有自己的化验室，化验周期长，经过近10天才确定了涌水水源，不能第一时间为防灾救灾提供技术支持。应建立快速水质实验室，各矿井应完善水质数据库，建立涌水水源快速判别的水文地质模型。

4）带压区预测预报一般多采用突水系数法及构造分析法，而此次奥灰突水只带压10m水头，位于带压开采安全区内回采，但却出现了导通奥灰水现象。今后要加强奥灰突水机理的研究，尤其是陷落柱导水研究（辛置煤矿目前共揭露陷落柱76个，有约1/5陷落柱柱体松散，并出现涌水）；要改进带压区水情水患预测预报方法，坚持带压区有掘必探，先治后采。

5）为防止构造滞后导水，工作面?完后应在关键部位施工挡水密闭，此次辛置煤矿所揭露的陷落柱与奥灰水有连通通道，改变了人们对霍州陷落柱不导水的看法通过此次对辛置煤矿陷落柱涌水的治理，积累了丰富的经验，特别是对陷落柱的认识、探测方法、治理方案等，为今后的防治水工作提供了宝贵经验。