劉銀波

（冀中能源股份有限公司 葛泉礦，河北 邢臺 054100）

煤層陷落柱實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，絕大部分煤層要實施帶壓開采。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，但在采動條件下，陷落柱柱體裂隙活化，奧灰水經(jīng)陷落柱突水的風險驟然增大，極易與奧灰水導通，形成突水。該類型的突水具有隱蔽性、突發(fā)性并且補給豐富，出水量大，嚴重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[6-9]。因此，根據(jù)陷落柱的發(fā)育特點與規(guī)律，采用相應的開采方式和治理措施，降低觸及陷落柱而導致突水事故的風險，對實現(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，工作面標高-70— -170 m，地面標高97—103 m。所采2下煤平均厚度為1.77 m，煤層傾角為14°，走向長約960 m，傾向長220 m。該工作面共有陷落柱13 個，其中X401、X408、X411、X413、X417 這5 個陷落柱對掘進和采煤的影響較大。

1.2 陷落柱微觀特征及組分

132下04 運料巷和運輸巷掘進過程中，分別揭露陷落柱X306 和X408，從現(xiàn)場揭露情況看，2 個陷落柱均不含水不導水。為進一步研究柱體特征，在陷落柱X306 和X408 柱體內(nèi)部采集了5 塊巖石標本。

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

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

1.3 陷落柱特點

通過對5 塊巖石標本的分析，可以得到葛泉礦井田陷落柱有以下特點。

（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)育方向以東西向為主。

（2）陷落柱巖體的膠結(jié)程度高，強度大，大多數(shù)陷落柱內(nèi)無水。內(nèi)部填充物以砂巖為主，顏色為灰-灰黑色，部分區(qū)域為淺紅色。

（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。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 工作面的實際情況建立長500 m，寬350 m，高250 m，共358 420 個網(wǎng)格單元的模型，共整合17 個巖層，包含2下煤和5 煤上下兩組煤，上下兩個工作面平行布置，分別都是面寬150 m，推進距離300 m。模型沒有取至地表，因此將模型高度之上未計算在內(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。

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

2.2 模擬結(jié)果

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

2.2.1 應力分析

分別截取每個模型上下兩組煤開挖完成后的應力分布云圖，如圖2 所示。

圖2 不同開采方案應力云圖Fig.2 Stress cloud diagram under different mining schemes

陷落柱在模型中的高度是0～200 m，對陷落柱標高25、76、112、146 m 位置點的主應力值進行監(jiān)測，不同情況下的應力數(shù)值見表1。

表1 不同位置應力監(jiān)測數(shù)據(jù)（MPa）Table 1 Stress monitoring data at different locations(MPa)

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，兩種開采方式導致的應力分布情況有明顯差異。對于同一位置來說，直接推采過陷落柱比留煤柱跨過陷落柱的應力小。煤層開采后，圍巖應力會重新分布，保護煤柱和陷落柱會形成一個支撐上覆巖層的“柱子”，陷落柱內(nèi)部各個位置的應力都會增大，為陷落柱內(nèi)部出現(xiàn)塑性破壞提供力學條件。

2.2.2 底板破壞深度分析

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

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

通過塑性區(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，應該是由于上組煤開采后，圍巖發(fā)生破壞，礦壓釋放的原因。底板破壞深度見表2。

表2 底板破壞深度統(tǒng)計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程中的礦壓變化關(guān)系密切。當工作面推進長度與工作面斜長大致相等時，礦壓顯現(xiàn)強烈。此時，地應力場的最大主應力可能由垂向轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，原地應力、?gòu)造隔水強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)動下沿底板隔水層中固有垂向裂隙不斷導升，有可能導致陷落柱在豎向上與奧灰水溝通，從而形成導水裂隙，造成突水事故的發(fā)生。

3 開采方案優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有開采方案

目前2下煤三采區(qū)在工作面設(shè)計以及巷道布置中，所有采掘活動均采取避開陷落柱方式。由于陷落柱發(fā)育較多，范圍較廣、大小不一，全部采取補巷避讓措施，不僅增加巷道工程量，也造成了回采過程中多次搬家、機頭機尾頻繁對接、改系統(tǒng)等問題。

以2下煤工作面內(nèi)發(fā)育1 個長軸30～40 m 陷落柱為例，如該陷落柱位于機頭、機尾時，以132下06 工作面為例，需要補巷工程65 m，其中30 m 為補切眼，規(guī)格為5.0 m×2.2 m。工作面與補巷貫通擴幫上網(wǎng)后，將工作面運輸（運料）系統(tǒng)改經(jīng)補巷至工作面，繼續(xù)推進過程中安排隊伍將陷落柱影響范圍內(nèi)20 個支架搬到補切眼內(nèi)，耗時10 d 左右，其中影響工作面推進時間約5 d。補巷與陷落柱間損耗工作面儲量約500 t。如陷落柱多位于工作面內(nèi)部時，以132下04 工作面為例，面內(nèi)發(fā)育5 個陷落柱，其中30～40 m 軸長3 個，另外2 個軸長均超過50 m。工作面內(nèi)共需要補巷工程735 m，回采期間搬家改系統(tǒng)5 次，影響工作面推進時間約60 d，分兩面回采一次，影響工作面推進時間約5 d，共計損失回采儲量約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 號煤、下部5 號煤均揭露過陷落柱，已探明陷落柱導水性較差，因此在臨近或揭露陷落柱進行采掘活動時，可以參照斷層等構(gòu)造進行探查、治理以及頂板加固工作。當陷落柱軸長大于工作面面長的一半或長度大于40 m 時，嚴重影響工作面煤質(zhì)，采取搬家甩陷落柱的方式通過；當陷落柱軸長較小時，可參考過斷層方案直接通過，同樣以180 m 面長、40 m 軸長陷落柱為例，通過陷落柱最長軸期間，每推進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，過陷落柱期間共計出矸石約4 300 t，生產(chǎn)費用增加129 萬元（300 元/t），分揀洗煤成本增加13 萬元（30 元/t），合計142 萬元。按照補巷甩陷落柱搬家方案，補巷費用44 萬元（5 500 元/m），搬家組織費用50 萬元，損失煤柱資源費用70 萬元（800 元/t），合計164 萬元，兩方案經(jīng)濟差值22 萬元。

按照20 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間共計出矸石約1 056 t，生產(chǎn)費用增加31.7 萬元，分揀洗煤成本增加3.2 萬元，合計35 萬元。按照補巷甩陷落柱搬家方案，補巷費用22 萬元，搬家組織費用20 萬元，損失煤柱資源費用18.2 萬元，合計60.2 萬元，兩方案經(jīng)濟差值25.2 萬元。

由于40 m 軸長時兩種方案經(jīng)濟差值較小，且陷落柱軸長大于工作面面長的一半或長度大于40 m 時，嚴重影響工作面煤質(zhì)，因此選取40 m 軸長為過陷落柱經(jīng)濟標準，大于40 m 采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m 建議采取直接通過措施。

3.3 陷落柱治理

無論采取推過陷落柱還是搬家甩陷落柱方案，陷落柱空間定位必須準確，并且對陷落柱周邊及底板區(qū)域進行加固。

3.3.1 加固設(shè)計

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

探查孔開設(shè)在13512 運輸巷32 號測點前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、配套鉆桿、泥漿泵、防噴裝置。探查鉆開孔孔徑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 個探查鉆孔，共計工程量496.5 m，查明X404 陷落柱內(nèi)膠結(jié)密實，不具有導含水性。按照規(guī)定要求對X404 陷落柱進行注漿加固，注漿材料為水泥漿，水泥漿液比重1.5，并對各鉆孔進行全孔封嚴、封實，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通，形成隱蔽性、突發(fā)性的突水，嚴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，接觸面附近常見擦痕及牽引現(xiàn)象，界面清晰。

（3）對于工作面中的陷落柱應留設(shè)一定寬度的保護煤柱，但對陷落柱周邊進行注漿加固后，采用直接推采的方案，可實現(xiàn)安全生產(chǎn)。