马道头煤矿富水陷落柱综合治理工程案例分析

段俭君，张 敏，李丽华

（1.中煤总局水文地质局集团（天津）工程技术研究院，天津 300131；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

0 引言

岩溶陷落柱是我国华北石炭-二叠系煤田普遍发育的地质现象。煤田内陷落柱特殊的工程地质水文地质特征，构成煤矿防治水安全的重大威胁[1-3]。20 世纪60 年代以来，我国曾发生过典型开滦矿区范各庄矿、徐州矿区张集、皖北矿区任楼矿等陷落柱突水，造成重大人员和财产损失。

华北型煤田中西部各石炭-二叠系煤田的隐伏陷落柱更加密集，煤矿面临的富水和导水陷落柱水害防治压力更大，需要多方面的陷落柱勘查、危害性评估、柱体治理、水害预警等技术经验和支持。煤矿陷落柱水害防治主要可采取煤岩柱隔离和柱体截流加固两类技术。前者主要是在探明陷落柱发育位置、地层层位以及小构造影响带范围，留设防水煤岩柱等技术措施；后者主要采取“堵”、“截”、“引”、“固”等技术将低渗透浆液或骨料注入陷落柱及破碎带，在陷落柱周围岩层体中形成具有一定强度的隔水带，主要技术包括“止水帽(塞)”、预注浆、直接封堵、帷幕注浆等。例如，我国早期多采用在地面采用分段下行式“全面注浆封堵”技术，技术方案包括地面三维地震和电法探测定位、陷落柱注浆封堵和井下放水检验[4]。之后，定向分支造孔技术引入陷落柱治理工程，如东庞矿采用陷落柱内“堵水塞”建造技术成功治理2903 工作面突水陷落柱[5]。

随着越来越多的陷落柱被工程揭露，经常遇到即使已经按规范保留了陷落柱防（隔）水煤柱，附近巷道或工作面也会遇顶底板破碎和突水情况[6]。本文将以大同煤田马道头煤矿SXLZ5 富水陷落柱为例，介绍此类陷落柱治理案例。

1 概 况

马道头煤矿位于山西省大同煤田西南部，低山丘陵地形，黄土丘陵区，属中温带大陆性气候，年平均降水量418.78 mm，年平均蒸发量1 331.96 mm；水文属海河流域永定河水系桑干河流域，井田内十里河为桑干河一级支流御河的分支。井田位于区域性神头泉岩溶系统北部大同矿区隐伏子系统。矿井主采煤层为石炭系3 号、5（3-5）号和8号煤层。井田位于大同煤田（大同向斜）西南部，地层近东西走向，倾向北，倾角2°～3°，总体为南高北低的单斜构造。

马道头煤矿8105 工作面位于北一盘区辅运大巷西部（图1），工作面标高+1 044—1 100 m。北侧为8106 工作面，南侧为8104 工作面，已开采煤层为3-5 号煤（3 号与5 号煤合并区），煤层稳定，平均煤厚17.80 m，该工作面奥灰水头标高+1 164 m，隔水层底板承受的水头压力1.33～1.89 MPa，隔水层厚度约70 m，突水系数0.019～0.027 MPa/m。据地面三维地震勘探成果，8 号煤层上部50 m 为5 号煤层，5105 顺槽左侧30 m 存在陷落柱SXLZ5，呈近圆形，长轴约130 m，短轴约115 m。8105 工作面在5105 顺槽留设20 m 宽SXLZ5 防隔水煤柱。

图1 马道头矿8105 工作面及SXLZ5 陷落柱位置平面图Fig.1 Location plane of No.8105 Face and SXLZ5 Collapse Column in Madaotou Mine

5105 顺槽掘进接近陷落柱时，初期底板涌水1.98～2.51 m3/h，随推进涌水量增到5.52～7.65 m3/h，水压为0.2～0.4 MPa。底板超前探水孔普遍出水，单孔涌水量7～20 m3/h；根据探放水的水质化验成果，判SXLZ5 陷落柱为导通了煤层底板奥灰水，为富水和导水陷落柱。

2 陷落柱综合治理方案

井下采掘活动遇构造导水，影响矿井安全生产，常规处理方案是按照“先制后采”原则，停止采掘活动后开展有针对性治理。此次通过对该陷落柱充水条件分析认为，虽然SXLZ5 陷落柱具有富水性且尺寸范围较大，但是8105 工作面底板承压较小，探水孔涌水量较小，且该工作面已经留设陷落柱防隔水煤柱，不会威胁矿井安全，仅影响采掘活动。为了不延误煤矿生产进度，在陷落柱位置和带压条件清楚的条件下，采用了在上部煤层5105工作面顺槽对导水构造防隔水煤（岩）柱留设安全范围内井下注浆治理的方案，如图2 所示，方案实施分为范围探查、局部疏放水降压和快速注浆与补充注浆3 个阶段。

图2 马道头煤矿富水陷落柱治理方案Fig.2 Control scheme of water abundance collapsed column in Madaotou Mine

方案特点：①避免大范围治理整个陷落柱，集中处理采动顶底板破坏带范围的陷落柱体；②治理钻孔布置在上部煤层完整巷道；③陷落柱柱及周边存在动水，采用化学浆快速充填封堵通道方式；④技术和工艺流程顺序包括确定治理位置和范围、局部奥灰水疏水降压、快速化学浆灌注充填封堵和效果检验与评价。

3 陷落柱综合治理过程

3.1 陷落柱精细探查

采用井下瞬变电磁法探测和井下钻探验证的方法精细探查SXLZ5 陷落柱。

8105 工作面井下瞬变电磁法勘探的目标是进一步圈定陷落柱位置及陷落柱周边裂隙带的低阻异常区范围，依据低阻异常区纵向连续性判断陷落柱对煤层富水性的影响。SXLZ5 陷落柱井下瞬变电磁法探测结果：①低阻异常区位于5106 顺槽切眼向外1 080～1 140 m；②3-5 煤的低阻异常发育范围在765～845 m，低阻反应较强，巷道与陷落柱之间均有富水性显示，陷落柱边缘裂隙带发育；③8105 顺槽765～845 m、5105 顺槽1 080～1 140 m低阻区垂向分布一致。

物探低阻异常区钻探验证，旨在根据单孔出水段、放水量与物探解释的复合性验证，进一步圈定出陷落柱周边富水裂隙带的范围。8105 工作面5105 巷底板低阻异常区钻探验证结果：①出水层位为3-5 煤底板下15 m 至奥灰顶面的中粒砂岩裂隙带；②单孔出水段为陷落柱边缘中粒砂岩破碎段，钻孔涌水量9～35 m3/h，24 个钻孔探放水钻孔总涌水量125 m3/h，稳定涌水量85 m3/h。探明了陷落柱导水性及导水部位。

3.2 治理范围确定

根据《煤矿防治水细则》附录六-含水或导水钻孔防隔水煤（岩）柱的留设计算公式：

式中：L 为注浆改造加固陷落柱及边界裂隙带的防隔水煤岩柱范围；K 为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高；P 为水头压力，MPa；Kp 为煤的抗拉强度。

根据物探结果和钻探验证分析，陷落柱位于5105 巷道具体采位725～850 m 段，顺槽侧帮距离陷落柱20 m，对陷落柱导水构造留设足够的防隔水煤岩柱，根据地层特征和煤类型，本区地层较完整，考虑安全系数，K值取4，煤层厚度5.5 m，水头压力1.58 MPa，大同煤田煤的抗拉强度取0.46 MPa，代入式（1）进行计算，求得L为32.36 m。因此，提高安全保障性，在巷道采位725～850 m段对巷道与XLZ5 陷落柱及边界裂隙带内长130 m、宽40 m 的范围进行注浆改造加固，如图3 所示。

图3 注浆治理平面范围图Fig.3 Plane scope of grouting control

3.3 奥灰水局部引流降压

在5105 工作面巷道对8105 工作面施工探水钻孔，各钻孔放水量在7～24 m3/h，最大水压为0.5 MPa，共施工了24 个钻孔，最大涌水量110 m3/h，累计排水约28 万m3。留设2 个溢水孔，注浆前涌水量为40 m3/h，水压降为0.2 MPa，起注浆前的降压和引流作用。

3.4 快速注浆

注浆材料化学浆液扩散半径按20 m[8]布置，注浆孔按照终孔位置平面距离、垂直距离不超过30 m 为原则排列布孔，在上部煤层对应完整巷道总体布置钻孔5 组，呈环形布置，分3 层，共63 个，钻孔终孔位置分别位于垂距-44、3、13 m 区域（图4），钻孔终孔位置位于8 号煤底板下30 m 垂距区域。

图4 注化学浆治理钻孔平面图Fig.4 Plane of chemical slurry injection control drilling hole

由于8105 工作面顺槽仍有多个出水点，需要浆液高强快速充填达到减水效果。采用A（聚醚多元醇）B 料（MDI 异氰）聚合化学浆。依据探水钻孔初次出水深度和水量分析，疏放水钻孔出水量一般在20 m3/h 以下，渗透系数一般大于1×10－3m/s，水压在1.00 MPa 以下，具备化学浆动水注浆条件。同时，为了保障浆液的扩散，且不破坏岩石结构，一般注浆压力为静压的2 倍，采用2 MPa 压力进行动水注浆封堵。

注浆时，若注浆孔无涌水，下入钻杆，用导管通入矿井的高压静压水，将残存在孔底和粘滞在孔壁的岩粉冲洗出孔外，也将岩层裂隙和孔洞的杂质冲洗干净。若注浆孔有涌水，直接打开孔口闸阀放水，直至水清砂净。当返水无岩粉和回水颜色清时，连续注入化学浆。经快速化学浆注浆，陷落柱内大裂隙通道基本被封堵。随即，进一步针对仍有部分钻孔出水情况，采用升压注浆方式对细小裂隙补充注浆。

此次注浆治理共施工钻孔63 个，注浆前钻孔单孔涌水量0.6～100 m3/h，陷落柱围岩裂隙带较柱体内部的钻孔出水量大，钻孔单孔注浆量0.4～5.5 t，注浆量总计166 t。

陷落柱的边壁和工作面底板压缩区与膨胀区发生底板岩层剪切破坏，易造成底臌突水。由该陷落柱治理工程可见，陷落柱周边确实存在一定范围富水和导水区域，采位725 m 处陷落柱边界距非采侧35 m，采位765 m 处陷落柱边界距非采煤侧30.56 m，采位805 m 处陷落柱边界距非采煤侧30.8 m。实测陷落柱边界形态与前期注浆孔形态相似，如图5 所示，并总体稍向陷落柱方向延后，说明化学浆注浆在大部分钻孔起到了一定的封堵作用，局部存在岩层破裂出水情况。

图5 探测陷落柱边界位置及注浆探水示意Fig.5 Schematic diagram for detecting collapsed column boundary and grouting water detection

完成全部治理工作后，2 个预留孔的涌水量分别降到0.5 m3/h 和0.1 m3/h，堵水效率均在95%以上。

3.5 治理效果评价

注浆治理完成后沿顺槽分别施工了Y1、Y2 和Y3 验证孔。Y1 验证孔孔内涌水量为4.6 m3/h，Y2验证孔孔内涌水量为6 m3/h，Y3 验证孔孔内无水，相比治理前涌水量明显减少，说明治理效果较好，陷落柱部位均已通过注浆治理加固。

检查钻孔在孔深30 m 钻入陷落柱裂隙带，岩芯较完整，岩芯为砂岩塌落物与化学浆充填胶凝体混合，充填物胶结紧密，浆液凝固体起到充填和加固作用，封堵了陷落柱及裂隙带的导水通道。

4 结语

马道头煤矿北一盘区8105 工作面存在富水陷落柱SXLZ5。考虑SXLZ5 陷落柱尺寸范围较大，底板承压小，探水孔涌水量小，工作面已经留设陷落柱防隔水煤柱，采用了仅在导水构造防隔水煤（岩）柱留设安全范围内井下注浆治理的方案。方案主要包括物探与钻孔精细探查、陷落柱局部疏放水降压和化学浆快速注浆与补充注浆3 个部分。治理后，预留孔的涌水量堵水效率达95%以上。马道头煤矿SXLZ5 陷落柱治理工程为陷落柱水害防治技术提供了一个仅部分处理大尺寸、含水陷落柱的成功案例，对于具有类似开采技术条件的陷落柱水害防治具有借鉴意义。