陷落柱影响下的煤层开采方案分析

刘振江

（冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台 054000）

1 概 况

矿井构造预测与探测直接关系到煤矿的安全生产，陷落柱是煤矿生产过程中遇见的一种地质构造，陷落柱的发育使煤层遭受到了不同程度的破坏，不仅对安全生产造成较大的隐患，还影响了采掘布置，煤炭资源流失严重。国内外对陷落柱等构造的探测主要依靠三维地震及电法探测。对陷落柱的探测和治理研究具有理论意义和实用价值。葛泉矿矿区属于典型的华北型石炭二叠煤系沉积建造，地质、水文地质条件复杂，尤其下组煤开采时绝大部分煤层要实施带压开采，解放下组煤是矿区可持续发展的战略任务。

2 陷落柱的发育特点及分布特征

葛泉矿陷落柱发育，迄今为止已经揭露并探明近70 个，经过探查后发现陷落柱均为不导水陷落柱，填充较实，隔水性好。结合已有的相关资料，分析揭露的陷落柱特性。

（1） 陷落柱内部多为上部不同层位的岩块陷落、破碎后重新胶结，且同一陷落柱的不同部位或不同陷落柱的岩层落下的距离和破碎情况不同、充填物风化程度明显有差异。充填物主要以基底式胶结为主，孔隙式次之，胶结物成分不统一，以碳酸盐、火山质为主的居多，层状比较稳定，压实胶结情况较好。柱体中心部分比柱体边缘部分压实胶结程度好，柱体下部比柱体上部好。在平面上陷落柱的形态总体呈不规则椭圆形，从外向里一般可划分3 个带，外围影响带、边缘过渡带、中心塌陷带；在垂直方向上，自上而下可将岩溶陷落柱划分成4个带，顶部悬空带、上部整体碎裂带、中部松散破碎带以及下部致密混杂带。

（2） 陷落柱的发育、分布特点是在构造应力增高区域容易形成，由于地下水强径流带和地下水排泄口处岩溶作用强烈，因此几乎所有导水性强的岩溶陷落柱都分布在地下水强径流带上，其发育具有明显的不均匀性、密集成群性，塌陷高度大。

（3） 从空间位置来看，岩溶陷落柱发育在向斜轴部附近，且分布在岩溶强径流带附近，在垂向结构上表现出该地区的独特性，柱体垮落穿过煤系基岩，根据采矿顶板垮落的一般经验，柱体塌陷应是分次垮落形成的。

研究发现，葛泉矿陷落柱分布还具有密集成群型、网络带状分布性等特征，对掘进和回采造成了较大的影响。

3 陷落柱对开采的影响及开采方案的分析

3.1 陷落柱对开采的影响分析

葛泉矿陷落柱发育众多，对多煤层开采造成极大影响。到2022 年4 月，均未发现陷落柱内导水情况发生，突水威胁较小。但众多陷落柱不仅影响储量，还影响采面布置、采煤工艺等。另外在2 号煤及5 号煤层已经揭露多个，且均为不导水陷落柱，2下煤及9 号煤层开采，如何应对陷落柱同样是亟待解决的问题。

该矿2下煤三采区在工作面设计以及巷道布置中，所有采掘活动均采取避开陷落柱方式。以2下煤工作面内发育一个长轴长度30~40 m 大小陷落柱为例，如陷落柱多位于工作面内部时，如132下04 工作面，面内发育5 个陷落柱，其中30~40 m轴长3 个，另外2 个轴长均超过50 m。工作面内共需要补巷工程735 m，回采期间搬家改系统5次，影响工作面推进时间约65 d，损失回采储量约4 500 t。因此采取这种措施不仅增加巷道工程量，也造成了回采过程中多次搬家、机头机尾频繁对接、改系统等问题，影响了工作面推进，也造成了资源浪费。

此次在对陷落柱进行有效探查和治理的基础上，结合陷落柱发育的范围大小，分析对比利用补巷甩陷落柱和直接推过陷落柱的方案优劣，从而采取更适合的回采方案。

3.2 陷落柱的探查和治理

葛泉矿的陷落柱探查和治理方法主要是物探、钻探相结合，对陷落柱进行综合探查和治理。利用物探方法对其导含水性进行探测，其次利用钻探对其导含水性进一步探查，然后对其底板进行注浆加固，钻探布置在平面上，根据陷落柱范围进行布置，但不低于3 个，钻孔终孔间距保持在不大于注浆扩散半径的范围，陷落柱探查治理设计平面如图1 所示。

图1 X411 陷落柱探查治理设计平面Fig.1 Exploration control design plane of X411 collapse column

在剖面上则根据《煤矿防治水细则》附录五（5-2） “突水系数”计算公式：底板受构造破坏块段突水系数按不大于0.06 MPa/m 计算，正常块段按不大于0.1 MPa/m 计算。因此在探测陷落柱时，按突水系数0.06 MPa/m 取值，符合要求。即：

式中：T为突水系数，取0.06 MPa/m；P为底板隔水层承受的实际水头值，MPa，水压应从含水层顶界面起算，取近3 a 含水层观测水位最高值。

通过突水系数公式计算底板隔水层厚度，该区域煤层底板标高为-201 m，近3 a 奥灰水位最高为+51 m，即水头压力取值为2.52 MPa，因此按式（1） 计算底板隔水层厚度为41 m，即该治理钻孔设计终孔位置达到隔水层厚度41 m 以下。图2 为陷落柱探查治理设计剖面，将陷落柱进行多方位、立体式的加固治理，使陷落柱的底板和周边形成一个不低于41 m 的有效隔水层，从而避免陷落柱突水，保障开采安全。

3.3 经济性对比分析

按照40 m 陷落柱作参考，过陷落柱期间出矸石约4 300 t，结合当前煤炭形势计算，生产费用增加129 万元，分拣洗煤成本增加13 万元，合计142 万元。按照补巷甩陷落柱搬家方案，补巷费用44 万元，搬家组织费用50 万元，损失煤柱资源费用70 万元，合计164 万元，两方案差值22万元。

按照20 m 陷落柱作参考，过陷落柱期间共出矸石约1 056 t，生产费用增加31.7 万元，分拣洗煤成本增加3.2 万元，合计35 万元。按照补巷甩陷落柱搬家方案，补巷费用22 万元，搬家组织费用20 万元，损失煤柱资源费用18.2 万元，合计60.2 万元，两方案经济差值25.2 万元。

综上所述，由于陷落柱40 m 轴长时两种方案经济差值较小，且陷落柱轴长大于工作面面长的一半或长度大于40 m 时，严重影响工作面煤质，因此应以40 m 轴长为过陷落柱经济标准，大于40 m 的陷落柱采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m的陷落柱可考虑采取直接回采通过方案。

4 结 语

陷落柱的发育是葛泉矿的一大特点，尤其是陷落柱导水，会给煤矿的安全生产带来巨大隐患。即使不导水也会因为陷落柱周边煤层遭到严重破坏，从而影响采面的正常设计和设备布置，造成煤炭资源的损失。因此在对陷落柱的发育和分布特性进行研究和分析的基础上，采取综合探查和治理手段，确保安全的同时，根据其规模及对开采的影响范围，分析并采取相对应的开采方案，有效避免煤炭资源的浪费，提高企业经济效益。

图2 X411 陷落柱探查治理设计剖面图Fig.2 Profile of exploration control design of X411 collapse column