辛置煤礦2-216工作面涌水陷落柱的防治實踐研究

王克勤

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦，山西 霍州031412）

0 引言

霍州煤田內(nèi)北東-北北東向斷裂呈束展布，將向斜東翼切割成長方形地塊，煤田主要受新華夏系構(gòu)造體系控制，為山西省多字形雁行斜列的主要煤盆地。陷落柱是在漫長的地質(zhì)演變過程中，由于煤系基地碳酸鹽巖經(jīng)地下水溶蝕，形成空洞，上覆巖層在重力的作用下冒落、塌陷形成的一種地質(zhì)構(gòu)造。陷落柱的發(fā)育不僅減少了煤炭開采儲量，且對采掘工作面的合理布置、生產(chǎn)帶來嚴(yán)重困難。到2018年年底霍州礦區(qū)生產(chǎn)揭露和地質(zhì)勘探揭露的陷落柱總數(shù)達(dá)3100個。柱體大多填充密實，只有個別柱體內(nèi)富水或有空洞，空洞內(nèi)存水量最大可達(dá)600m3。辛置煤礦位于霍州煤田西部邊緣，煤層在地表均有出露，西部奧灰?guī)r直接接受補(bǔ)給，井田構(gòu)造發(fā)育，因而各類構(gòu)造具有特殊性。

2019年2月5日9時，辛置煤礦南一下組煤綜采二隊2-216工作面回采到距停采線4m時，遇頂部有空洞的陷落柱，陷落柱內(nèi)出現(xiàn)涌水，伴有瓦斯、硫化氫氣體逸出現(xiàn)象。霍州煤電集團(tuán)公司、辛置煤礦技術(shù)人員當(dāng)天派人現(xiàn)場對陷落柱進(jìn)行了察看，并采取了應(yīng)急措施，迅速組織進(jìn)行了物探，請有經(jīng)驗的防治水隊伍進(jìn)行了注漿封堵，快速消除了安全隱患，為今后治理導(dǎo)水陷落柱提供了寶貴的經(jīng)驗。

1 工作面概況

2-216工作面是辛置煤礦南一下組煤下山采區(qū)首采面，開采8#煤，該面走向長1246m，傾斜長194m，煤層傾角平均3°～4°，平均煤厚4.10m，可采儲量124.7萬t工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，回采中共揭露落差1m以上斷層13條，其中5m以上斷層2條，斷層延伸總長度Ⅰ260m；揭露陷落柱5個，陷落柱最大40m×25m，最小7.5m×4m；煤層起伏大，共控制2個背斜、1個向斜；斷層及陷落柱多發(fā)育在褶曲核部，造成煤巖層破碎，局部煤層傾角達(dá)28°。

工作面大部分區(qū)域帶壓開采，奧灰水位標(biāo)高為900m，工作面遇陷落柱處煤層底板標(biāo)高為891m，8#煤與9#煤層間距為12m，8#煤煤層底板至奧灰頂面間距約為76m，最大突水系數(shù)0.006MPa/m。工作面位于陷落柱發(fā)育帶上，停采線處揭露的8.5m×3.5m陷落柱柱體膠結(jié)松散，導(dǎo)通奧灰水（陷落柱處承壓10m水柱高度），涌水量穩(wěn)定在10m3/h，經(jīng)過40d的注漿治理，陷落柱柱體涌水。

2 礦井水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)地層為第四系松散層及黃土，第三系紅色黏土，二疊系砂巖、泥頁巖夾煤層，石炭系砂巖、石灰?guī)r、泥巖夾煤層，奧陶系中統(tǒng)峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，寒武系灰?guī)r等。該陷落柱處于馬蘭向斜軸的西部約2500m，距離狐堰山堿性二長巖侵入體約6000m，距GS-6水文孔（終孔為奧陶系上馬家溝組石灰?guī)r含水層）為2000m，奧陶系巖溶地下水處于相對徑流較強(qiáng)的地段。

辛置煤礦井田水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型，礦井充水水源主要為奧灰?guī)r溶裂隙水、松散沖積層及基巖風(fēng)化裂隙水、山西組砂巖裂隙水、太原組灰?guī)r裂隙巖溶水以及小窯采空水。

3 陷落柱涌水水源辨識

3.1 現(xiàn)場觀測情況

2019年2月5日甲班，2-216工作面收尾正常割煤1.2m，無涌水征兆，乙班9點工作面割煤至距停采線4m時，在91*架處出現(xiàn)涌水，瞬時涌水較大，涌水流人采空區(qū)，幾分鐘后涌水量穩(wěn)定，綜采二隊立即停止了生產(chǎn)，向礦調(diào)度室匯報，礦調(diào)度室向局調(diào)度室匯報，礦地測科接到通知后立即安排人員下井觀測涌水情況，隨后公司及礦主要領(lǐng)導(dǎo)到工作面，經(jīng)觀測工作面在91#架處底板揭露一個頂部發(fā)育1m高空洞的陷落柱（見圖1）。

圖1 2-216工作面完全揭露陷落柱剖面

陷落柱段平剖面圖陷落柱長軸約8.5m，短軸約3.5m，長軸方位為141°，空洞上部尚有2.3m的8#煤，煤體裂隙充填方解石晶體，陷落柱柱壁、充填物表面及接觸處發(fā)育鐘乳狀方解石晶體，柱體膠結(jié)松散，有涌水及瓦斯、硫化氫氣體異常涌出現(xiàn)象。經(jīng)測量涌水量約10m3/h，水的溫度17℃，空洞中瓦斯?jié)舛却笥?0%硫化氫氣體濃度達(dá)300ppm。

2月5日丙班，經(jīng)集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)、礦領(lǐng)導(dǎo)及有關(guān)人員現(xiàn)場勘察、研究，初步確定涌水水源疑似奧灰水，并決定進(jìn)行注漿治理。為滿足注漿治理場地的需要，制定了《辛置煤礦2-216工作面收尾擴(kuò)循環(huán)揭露陷落柱綜合安全技術(shù)措施》并報集團(tuán)公司，于2月7日工作面收完尾。期間涌水量穩(wěn)定，瓦斯涌出量明顯減小，硫化氫氣體涌出量在涌水點水面處為20～50ppm，工作面風(fēng)流中硫化氫氣體已測不出。

3.2 水質(zhì)化驗分析

為確定涌水水源，2月5日立即取水樣進(jìn)行化驗分析，2月7日水化學(xué)類型發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，基本確定為奧陶系巖溶水，2月12日、3月2日繼續(xù)采取水樣進(jìn)行跟蹤化驗對比分析，陷落柱處涌水的水質(zhì)類型由HCO3-KNa型水逐漸向奧灰水HCO2·SO4-Ca·Mg型水轉(zhuǎn)變，確定涌水水源為奧陶系巖溶水。

3.3 利用物探查明導(dǎo)水通道

為確定涌水通道，2月10日至12日，該礦聘請西安及重慶煤科院技術(shù)人員采用淺層地震儀、高密度電法儀、地質(zhì)雷達(dá)等多種物探手段對陷落柱進(jìn)行探測，并編制了物探報告，基本查清了陷落柱的分布范圍及富水性。根據(jù)水質(zhì)化驗分析及多種物探手段探測分析，該陷落柱為充水并導(dǎo)水的陷落柱。

4 治理期間采取的應(yīng)急措施

1）現(xiàn)場跟蹤觀測：①觀測涌水量變化。從2月5日到注漿治理完成期間，辛置煤礦派人24h值班，觀測涌水量的變化情況，一有增大的跡象，立即匯報礦調(diào)度室及主管領(lǐng)導(dǎo)。②派瓦斯檢査員現(xiàn)場監(jiān)測硫化氫氣體、瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，派人24h值班，一有異常及時匯報。工作面?zhèn)渥闶曳郏坏┫萋渲鶅?nèi)硫化氫氣體濃度大于6.6ppm時，作業(yè)人員迅速拋灑石灰粉，以便降低硫化氫氣體濃度。③觀測頂板、底板的壓力變化情況，派人24h值班，一有異常及時匯報。④及時采取水樣化驗分析。2月5日、7日、12日和3月2日持續(xù)采取水樣送到山西省煤炭地質(zhì)研究所化驗分析，以準(zhǔn)確判斷水源。

2）鑒于涌水量基本穩(wěn)定，為了便于對該陷落柱進(jìn)行治理，在保證工作面安全的前提下工作面進(jìn)行了擴(kuò)循環(huán)，清理了現(xiàn)場，共推進(jìn)4m。

3）辛置煤礦加強(qiáng)工作面的排水工作，在工作面低洼處開挖水倉，完善排水系統(tǒng)，排水泵采用耐酸水泵，并有備用泵。排水管路確保完好，運(yùn)行正常。

4）同時觀測GS-6水文鉆孔（距離2000m）的水溫、水位的變化情況。

5）辛置煤礦編制了應(yīng)急救援預(yù)案，一旦發(fā)生硫化氫氣體、瓦斯?jié)舛仍龃螅蛩吭龃螅＜吧a(chǎn)人員安全時，及時啟動救援預(yù)案，采取措施，保證人員及時安全的撤退，保證礦井的安全。

6）霍州煤電公司迅速組織技術(shù)人員，于2月7～12日深入井下現(xiàn)場采用瑞利波、淺層地震儀高密度電法儀、地質(zhì)雷達(dá)等先進(jìn)的多種物探手段對陷落柱周邊進(jìn)行物理探測，基本查清陷落柱的分布范圍和空間位置。

本文通過港珠澳大橋橋墩警示標(biāo)志的能源系統(tǒng)設(shè)計，給讀者介紹了一種能源配置的方法。能源系統(tǒng)設(shè)計是航標(biāo)能否正常運(yùn)行的基礎(chǔ)工作，了解并掌握航標(biāo)能源系統(tǒng)設(shè)計方法，對提升航標(biāo)技能，開展航標(biāo)業(yè)務(wù)具有重要意義

7）2月13日請煤炭科學(xué)研究總院西安分院水文所、重慶分院物探所的專家，以及地質(zhì)處的地質(zhì)技術(shù)人員對2-216工作面的陷落柱出水情況進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析，通過對現(xiàn)場出水點位置、陷落柱的充填情況、方解石的結(jié)晶形態(tài)的調(diào)查，對水量及水溫、硫化氫氣體及瓦斯的觀測，對奧陶系巖溶水的標(biāo)高、工作面底板標(biāo)高及區(qū)域水文地質(zhì)情況的分析，并結(jié)合多種物探的結(jié)果分析，以及水質(zhì)化驗成果的分析，確定了該陷落柱為導(dǎo)水陷落柱，導(dǎo)水通道為陷落柱與圍巖的接觸地帶。

8）霍州煤電公司及時聯(lián)系煤炭科學(xué)研究總院西安分院水文所編制了注漿堵水治理方案，聘請了有經(jīng)驗的注漿堵水隊伍，對陷落柱進(jìn)行注漿封堵。

9）工作面回采完畢后，在工作面切眼附近的軌道巷、皮帶巷構(gòu)筑了防水密閉。

5 注漿治理情況

確定陷落柱涌水水源及涌水通道后，根據(jù)《煤礦防治水工作條例》及《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，決定在井下對導(dǎo)水陷落柱進(jìn)行注漿治理。2月17日，委托煤炭科學(xué)研究總院西安分院專家編制《辛置煤礦2-216工作面陷落柱注漿堵水方案》設(shè)計，并由其下屬注漿隊伍進(jìn)行施工。集團(tuán)公司地測處下發(fā)了《辛置煤礦2-216工作面陷落柱注漿堵水前期準(zhǔn)備工作安排》，辛置煤礦根據(jù)要求完善了采區(qū)及工作面排水系統(tǒng)，并進(jìn)行了注漿前期準(zhǔn)備工作，編制了注漿期間專項應(yīng)急救援預(yù)案。

注漿工期前后共40天，共設(shè)計4個注漿孔，一次全長注漿，先低壓（小于2MPa）后高壓最大達(dá)9MPa）注漿，單孔注漿2～3次。之后在陷落柱中部施工了一個注漿效果檢查驗收孔。

注漿工作量如下：注漿鉆孔進(jìn)尺141.5m（其中孔口管段孔徑130mm，進(jìn)尺45m；裸孔段孔徑80mm，進(jìn)尺85.5m；二次及三次掃孔進(jìn)尺189.5m）。

注漿效果：根據(jù)注漿孔及驗證孔施工觀測記錄，注漿加固段深度大于25m，注漿后柱體無涌水，僅陷落柱周邊裂隙帶有間歇性瓦斯與水涌出，涌水量0.05m3/h。

6 注漿治理導(dǎo)水陷落經(jīng)驗

1）辛置煤礦2-216工作面陷落柱導(dǎo)通奧灰水涌水在霍州煤電集團(tuán)公司是首次，從發(fā)現(xiàn)陷落柱導(dǎo)水到治理結(jié)束，集團(tuán)公司、礦各級領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)單位高度重視，各項措施得力，有效防止了水害事故的擴(kuò)大。

2）該工作面雖然經(jīng)過無線電坑透，但由于該陷落柱較小，柱體存在富水空洞，坑透手段對水體探測效果不好，資料無異常顯示。今后在帶壓開采工作面時選擇合理的物探方法，探測工作面隱伏導(dǎo)水構(gòu)造；對帶壓開采工作面要出臺相應(yīng)的防治水技術(shù)管理規(guī)定；加強(qiáng)超前探測及隱伏導(dǎo)水構(gòu)造探測技術(shù)攻關(guān)。

3）陷落柱涌水后，對水源的判別主要靠水質(zhì)分析，由于沒有自己的化驗室，化驗周期長，經(jīng)過近10天才確定了涌水水源，不能第一時間為防災(zāi)救災(zāi)提供技術(shù)支持。應(yīng)建立快速水質(zhì)實驗室，各礦井應(yīng)完善水質(zhì)數(shù)據(jù)庫，建立涌水水源快速判別的水文地質(zhì)模型。

4）帶壓區(qū)預(yù)測預(yù)報一般多采用突水系數(shù)法及構(gòu)造分析法，而此次奧灰突水只帶壓10m水頭，位于帶壓開采安全區(qū)內(nèi)回采，但卻出現(xiàn)了導(dǎo)通奧灰水現(xiàn)象。今后要加強(qiáng)奧灰突水機(jī)理的研究，尤其是陷落柱導(dǎo)水研究（辛置煤礦目前共揭露陷落柱76個，有約1/5陷落柱柱體松散，并出現(xiàn)涌水）；要改進(jìn)帶壓區(qū)水情水患預(yù)測預(yù)報方法，堅持帶壓區(qū)有掘必探，先治后采。

5）為防止構(gòu)造滯后導(dǎo)水，工作面?完后應(yīng)在關(guān)鍵部位施工擋水密閉，此次辛置煤礦所揭露的陷落柱與奧灰水有連通通道，改變了人們對霍州陷落柱不導(dǎo)水的看法通過此次對辛置煤礦陷落柱涌水的治理，積累了豐富的經(jīng)驗，特別是對陷落柱的認(rèn)識、探測方法、治理方案等，為今后的防治水工作提供了寶貴經(jīng)驗。