葛泉矿回采工作面底板陷落柱加固与安全评价

尚冀玮

（冀中能源股份有限公司 葛泉矿，河北 邢台 054102）

陷落柱在我国华北型煤田广泛存在，在采动影响下极易形成导水通道，给安全回采造成较大威胁。近年来众多专家学者在陷落柱对回采安全的影响方面进行了研究。尹尚先等人分析了华北型煤田岩溶陷落柱的成因、机理等；王沉等对综合工作面过陷落柱时围岩应力变化特点进行了总结；路鑫以古城煤矿为例采用地震正演技术等结合地面三维地震勘探数据进行陷落柱精细识别；黄勇等运用数值模拟对采动影响下隐伏陷落柱突水灾变特征进行了研究。葛泉矿1523 工作面位于葛泉矿南翼五采区，通过回采前的综合物探及钻探资料分析，工作面内并未发育隐伏陷落柱，但实际回采过程中揭露X503 陷落柱。为确保安全回采，制定了详细的加固方案，并进行了安全评价，为今后类似情况提供了参考。

1 概 况

1.1 工作面情况

1523 工作面位于南翼五采区1525 与1521 工作面之间，为一孤岛工作面。其西北为一采区运输、轨道上山，东北1525 工作面采空区，东南为DF6-5 断层，西南为1521 工作面采空区。工作面走向长1 103 m，倾向长101 m，面积111 313 m2，开采2 号煤平均煤厚2.7 m，煤层结构简单，煤层倾角22°～50°，平均37°，可采储量449 979 t。该工作面总体位于葛泉向斜轴右翼，基本呈单斜构造。工作面地质构造较为复杂，断层发育，其中f23-6、F505、F506、DF6-5断层，落差分别为6、2.5、5、8 m。

1.2 区域地层情况及主要含水层

1.2.1 地层情况

底部砾石层，以浅紫色、紫红色石英岩为主，坚硬，距2 号煤100 m。下石盒组粉砂岩，多为灰色夹紫色或红紫色夹紫色花斑，特征较为明显，该层距2 号煤80 m。上述粉砂岩下部发育一层铝土岩浅灰色、乳白色，均一性脆，岩石细腻，具参差状及贝壳状断口，特征较明显，该层距2 号煤60～70 m。1 号煤黑色，弱玻璃光泽，裂隙发育，厚度0.25～0.55 m，平均0.43 m，距2 号煤10 m左右。2 号煤老顶为中砂岩，灰白色，中粒结构，主要成分为石英、长石，含少量暗色矿物，距2 号煤2 m 左右。2 号煤直接顶为粉砂岩，灰色为主，浅灰色，细砂结构，致密，具水平层理，局部不稳定发育粉砂岩形成伪顶。2 号煤黑色，弱玻璃光泽，常以亮煤为主夹少量暗煤，含夹矸1～2 层，厚度2.45～3.5 m，平均2.7 m。2 号煤底板为粉砂岩，深灰色、黑灰色，局部夹细砂薄层，中厚层状，具水平层理。2下煤黑色，弱玻璃光泽，暗型煤，常以暗煤为主，夹少量亮煤，厚度0～1.4 m，平均0.4 m，距2 号煤20 m 左右。3上煤位于该层顶部黑色，弱玻璃光泽，暗型煤，常以暗煤为主，夹少量亮煤，厚度0～0.58 m，平均0.29 m，距2号煤35 m 左右。3上煤底板富含黄铁矿、少量植物根化石。3 号煤位于该层顶部黑色，弱玻璃光泽，暗型煤，常以暗煤为主，夹少量亮煤，厚度0.3～1.35 m，平均0.39 m，距2 号煤50 m 左右。野青灰岩，顶部黄色，其余灰色，隐晶结构，致密，含大量海百合茎和腕足类动物化石，厚度4.45～6.70 m，平均5.75 m，距2 号煤70 m 左右。

1.2.2 主要含水层

（1）石盒子组砂岩裂隙承压弱含水层。该层以中粗粒砂岩为主，底部含砾，夹粉砂岩，砂岩裂隙不甚发育，且为泥质充填。最大厚度139.20 m，钻孔冲洗液消耗量均小于0.5 m3/h，为含水性弱的裂隙含水层。

（2）山西组砂岩裂隙承压极弱～弱含水层。2号煤顶板砂岩，为中细砂岩，裂隙不发育，常含铁质鲕状颗粒。该层段作简易抽水试验钻孔21 个，泥浆消耗量大于0.5 m3/h 的4 个，仅占钻孔总数的19%，单位涌水量为0.000 383～0.065 L/s·m，渗透系数为0.004 3～0.017 0 m/d，属于HCO3-Na+型水，矿化度为0.048 6～0.074 2 g/L，为含水性弱—极弱裂隙含水层。

（3）野青灰岩裂隙岩溶承压极弱—弱含水层。该层灰岩厚0.50～8.04 m，一般厚4～6 m，裂隙不发育，裂隙被全充填或半充填。揭露本层作简易水文地质观测62 个钻孔中，有漏水孔16 个，冲洗液消耗量大于0.5 m3/h 的钻孔4 个，这二者占钻孔总数的32%。抽水试验3 次，测得单位涌水量为0.000 368～0.051 6 L/s·m，渗透系数为0.003 67～1.512 00 m/d。属于HCO3-Na+型水，矿化度为0.375～0.508 g/L。

2 陷落柱治理

2.1 X503 陷落柱概况

依据工作面实际揭露情况并结合钻探资料综合分析，陷落柱平面形态呈不规则椭圆形，长轴55 m，短轴35 m，面积1 500 m2。井下观测陷落柱内岩性混杂，陷落柱内岩性以山西组灰色、深灰色、灰黑色泥质粉砂岩、中细砂岩为主，局部有较大岩块的黑灰色中砂岩，并发育裂隙，裂隙内被方解石脉、黄铁矿晶体充填；并发育有下石盒子组红紫色夹紫色花斑砂岩及浅灰色中粗砂岩，灰黑色粉砂岩。陷落柱内干燥无水。

最初揭露时的工作面揭露素描如图1 所示，6月2 日时陷落柱长度5 m（平距，以下数据均为平距）；推进9.5 m 后6 月14 日，陷落柱长度22 m，陷落柱范围逐渐增加；推进3.5 m 后6 月15 日，陷落柱长度32 m，陷落柱范围骤增；推进2 m 后6月23 日，陷落柱长度38 m，陷落柱范围逐渐增加；推进4 m 后7 月2 日，陷落柱长度45 m，陷落柱范围逐渐增加；最终确定为陷落柱，其素描图如图2 所示。

图1 最初揭露陷落柱时的工作面揭露情况Fig.1 The working face situation when the collapse column was initially exposed

图2 确定揭露陷落柱时的工作面揭露情况Fig.2 The working face situation when the collapse column was determined to expose

2.2 陷落柱治理方案

2.2.1 X503 陷落柱特殊性

葛泉矿以往所揭露的陷落柱内含大量上部地层岩石，特征明显，且陷落柱内岩石胶结密实，压实性较好，干燥无水。而X503 陷落柱到目前为止只揭露少量上部下石盒子组红紫色砂岩，陷落柱内大部分岩性仍以2 号顶板以上20 m 范围内泥质粉砂岩、中细砂岩为主。同时从揭露情况看X503 陷落柱内岩石胶结松散，压实差，存在孔隙、空洞。钻探过程中除1 个钻孔无水外，其余钻孔均有出水，出水深度在陷落柱范围内2 号煤底板以下6.5～52 m，说明该陷落柱有含水性。

2.2.2 治理方案

随着陷落柱的确认及工作面揭露范围不断增大，为防止陷落柱滞后出水、保证安全生产，决定进行钻探、注浆治理。通过注浆加固使2 号煤底板下10～40 m 形成一个完整、坚硬、密实的整体，以阻止由于采动破坏导致下部水体滞后突出。终孔控制深度不小于2 号煤层底板下40 m；注浆材料选用水泥，浆液比重1.2～1.3，注浆终孔压力为该区域静水压力的2～3 倍，即4～5 MPa。

最终确定总体治理方案如图3 所示，结合现场条件，在1523 运输巷探巷施工第一钻窝，在中间巷下口处施工第二钻窝。首先对其范围进行探查，查明陷落柱范围后，进行钻探注浆治理，同时根据打钻、注浆情况边施工边调整钻孔施工密度。第一钻窝内主要完成陷落柱范围探查及陷落柱里部加固工作；第二钻窝主要完成陷落柱外部加固及检查孔施工工作。

图3 X503 陷落柱加固钻孔分布图Fig.3 Reinforcement borehole distribution of No.X503 collapse column

2.2.3 陷落柱治理过程

（1）初期治理。工作面24 架处施工钻探，对其进行探查。施工底板钻孔1 个，工程量50 m；煤层钻孔1 个，工程量50 m。底板钻孔：经钻探揭露，未揭露有陷落柱特征岩性，钻孔未见水，达到设计终孔后进行注浆加固，共注浆12 t。煤层钻孔：孔深10～39.5 m 未见煤，0～10 m、39.5～50 m 为揭露2 号煤。

（2）陷落柱范围探查。第一钻窝处施工煤层孔，探查陷落柱范围。共施工钻孔6 个，工程量108.5 m，其中M2-3 号、M3 号孔有效控制了陷落柱范围。上述工程施工结束后，结合初期施工的1个煤层孔及工作面第二中间巷揭露情况综合分析，工作面揭露的陷落柱范围基本查明。

（3）总体治理。分别在第一、第二钻窝，结合施工现场条件，决定分两个阶段进行探查治理，第一钻窝内主要完成陷落柱范围探查及陷落柱里部加固工作；第二钻窝主要完成陷落柱外部加固及检查孔施工工作。

①第一钻窝。该处设计施工1～5 号钻孔，工程量320.9 m，注浆248.2 t，其中2 号、4 号钻孔控制陷落柱的边缘，终孔岩性属正常层位岩性。2号、5 号钻孔在钻进过程中，多次塌孔、多次扫孔、注浆，且每次均出水，影响钻孔施工进度，为减少因塌孔、扫孔影响工期，采取注浆、钻探平行作业方式进行施工，最大程度减少对工期的影响。

②第二钻窝。该处设、计施工6～11 号钻孔，工程量402.6 m，注浆24.45 t，其中8 号、9 号、11 号钻孔为检查孔，9 号钻孔控制陷落柱的边缘。虽钻孔在施工过程中均出水，但钻孔基本不存在塌孔，水量有限，注浆量较小，说明前期注浆加固效果明显，陷落柱内裂隙充填加固效果密实。在施工过程中严格采取平行作业方式和明确的施工顺序，保证了注浆、检查的效果。

2.3 治理效果

通过钻探探查，X503 陷落柱共施工煤层钻孔7 个，工程量158.5 m，查明陷落柱的范围；共完成底板注浆钻孔12 个，工程量773.5 m，注浆总量284.65 t，注浆终压4～5 MPa。通过钻探、注浆，除了中期施工的2 号、3 号、5 号孔施工过程中因塌孔多次注浆、扫孔，钻孔在不同孔深均不同程度出水，且以上3 个钻孔注浆量占了总注浆量的2/3以上。其余钻孔包括后期检查孔在施工过程中均未出现塌孔事故。综合上述情况，说明陷落柱经探查范围明确，底板注浆加固效果良好，陷落柱内裂隙得到了有效充填，在陷落柱范围内2 号煤底板下10～60 m 形成了一个有效、完整、坚硬、密实的具有隔水意义的坚固整体，如图4 所示。

图4 钻孔加固深度综合投影图Fig.4 Comprehensive projection of drilling reinforcement depth

3 X503 陷落柱安全性评价

3.1 注浆效果

通过钻探探查，基本查明陷落柱范围，控制程度较高；经底板注浆加固，完成底板注浆钻孔12个，工程量773.5 m，注浆总量284.65 t。经前期钻孔的多次塌孔、扫孔、钻孔分岔、注浆及后期注浆、检查孔检查，陷落柱范围内及边缘部位均得到加固，陷落柱内裂隙被充填、加固，效果明显。

3.2 水源分析

后期施工过程中每个钻孔均在不同孔深见水，钻孔出水点距2 号煤底板6～44 m，水量在0.5～20 m3/h，经观测各钻孔均未测到水压。钻孔出水后经疏放，钻孔涌水量明显减小，说明各钻孔无有效补给，连通性较差。水质分析结果表明钻孔涌水具有砂岩水质特征，应属于HCO3-Na+型水，矿化度为0.375～0.508 g/L，未测到水压，表明无奥灰水等深部水源补给。

3.3 突水系数

此次陷落柱治理过程中12 个底板注浆钻孔有10 个钻孔深度达到2 号煤底板下40 m（T1 号、10号孔深度小于2 号煤底板下40 m），且注浆效果较好。依据《煤矿防治水细则》附录四突水系数计算公式计算陷落柱注浆加固后的突水系数值，以突水系数值不大于0.06 MPa/m 确定陷落柱安全性。按公式Ts=P/M计算，M 为底板隔水层厚度，取40 m，P 为底板隔水层承受的水头压力，按照奥灰水水位+20 m（历年平均值），底板标高-175 m，则P=2.35 MPa；因此Ts=0.06 MPa/m，考虑到多数钻孔加固深度均大于2 号煤底板下40 m，因此此次计算的Ts 实际应小于0.06 MPa/m。根据《煤矿防治水细则》可确定X503 陷落柱不具有突水威胁。

4 结语

文章从钻探注浆效果、陷落柱内水源分析及注浆后底板突水系数3 个方面进行分析，认为通过钻探注浆加固治理后，X503 陷落柱范围内2 号煤底板下10～40 m 段已经形成一个有效隔水层，并且陷落柱内赋水无奥灰水等深部水源补给。因此认定1523 工作面可以安全回采过X503 陷落柱。