陷落柱影響下的煤層開采方案分析

劉振江

（冀中能源集團有限責任公司，河北 邢臺 054000）

1 概 況

礦井構造預測與探測直接關系到煤礦的安全生產，陷落柱是煤礦生產過程中遇見的一種地質構造，陷落柱的發育使煤層遭受到了不同程度的破壞，不僅對安全生產造成較大的隱患，還影響了采掘布置，煤炭資源流失嚴重。國內外對陷落柱等構造的探測主要依靠三維地震及電法探測。對陷落柱的探測和治理研究具有理論意義和實用價值。葛泉礦礦區屬于典型的華北型石炭二疊煤系沉積建造，地質、水文地質條件復雜，尤其下組煤開采時絕大部分煤層要實施帶壓開采，解放下組煤是礦區可持續發展的戰略任務。

2 陷落柱的發育特點及分布特征

葛泉礦陷落柱發育，迄今為止已經揭露并探明近70 個，經過探查后發現陷落柱均為不導水陷落柱，填充較實，隔水性好。結合已有的相關資料，分析揭露的陷落柱特性。

（1） 陷落柱內部多為上部不同層位的巖塊陷落、破碎后重新膠結，且同一陷落柱的不同部位或不同陷落柱的巖層落下的距離和破碎情況不同、充填物風化程度明顯有差異。充填物主要以基底式膠結為主，孔隙式次之，膠結物成分不統一，以碳酸鹽、火山質為主的居多，層狀比較穩定，壓實膠結情況較好。柱體中心部分比柱體邊緣部分壓實膠結程度好，柱體下部比柱體上部好。在平面上陷落柱的形態總體呈不規則橢圓形，從外向里一般可劃分3 個帶，外圍影響帶、邊緣過渡帶、中心塌陷帶；在垂直方向上，自上而下可將巖溶陷落柱劃分成4個帶，頂部懸空帶、上部整體碎裂帶、中部松散破碎帶以及下部致密混雜帶。

（2） 陷落柱的發育、分布特點是在構造應力增高區域容易形成，由于地下水強徑流帶和地下水排泄口處巖溶作用強烈，因此幾乎所有導水性強的巖溶陷落柱都分布在地下水強徑流帶上，其發育具有明顯的不均勻性、密集成群性，塌陷高度大。

（3） 從空間位置來看，巖溶陷落柱發育在向斜軸部附近，且分布在巖溶強徑流帶附近，在垂向結構上表現出該地區的獨特性，柱體垮落穿過煤系基巖，根據采礦頂板垮落的一般經驗，柱體塌陷應是分次垮落形成的。

研究發現，葛泉礦陷落柱分布還具有密集成群型、網絡帶狀分布性等特征，對掘進和回采造成了較大的影響。

3 陷落柱對開采的影響及開采方案的分析

3.1 陷落柱對開采的影響分析

葛泉礦陷落柱發育眾多，對多煤層開采造成極大影響。到2022 年4 月，均未發現陷落柱內導水情況發生，突水威脅較小。但眾多陷落柱不僅影響儲量，還影響采面布置、采煤工藝等。另外在2 號煤及5 號煤層已經揭露多個，且均為不導水陷落柱，2下煤及9 號煤層開采，如何應對陷落柱同樣是亟待解決的問題。

該礦2下煤三采區在工作面設計以及巷道布置中，所有采掘活動均采取避開陷落柱方式。以2下煤工作面內發育一個長軸長度30~40 m 大小陷落柱為例，如陷落柱多位于工作面內部時，如132下04 工作面，面內發育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。工作面內共需要補巷工程735 m，回采期間搬家改系統5次，影響工作面推進時間約65 d，損失回采儲量約4 500 t。因此采取這種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、改系統等問題，影響了工作面推進，也造成了資源浪費。

此次在對陷落柱進行有效探查和治理的基礎上，結合陷落柱發育的范圍大小，分析對比利用補巷甩陷落柱和直接推過陷落柱的方案優劣，從而采取更適合的回采方案。

3.2 陷落柱的探查和治理

葛泉礦的陷落柱探查和治理方法主要是物探、鉆探相結合，對陷落柱進行綜合探查和治理。利用物探方法對其導含水性進行探測，其次利用鉆探對其導含水性進一步探查，然后對其底板進行注漿加固，鉆探布置在平面上，根據陷落柱范圍進行布置，但不低于3 個，鉆孔終孔間距保持在不大于注漿擴散半徑的范圍，陷落柱探查治理設計平面如圖1 所示。

圖1 X411 陷落柱探查治理設計平面Fig.1 Exploration control design plane of X411 collapse column

在剖面上則根據《煤礦防治水細則》附錄五（5-2） “突水系數”計算公式：底板受構造破壞塊段突水系數按不大于0.06 MPa/m 計算，正常塊段按不大于0.1 MPa/m 計算。因此在探測陷落柱時，按突水系數0.06 MPa/m 取值，符合要求。即：

式中：T為突水系數，取0.06 MPa/m；P為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa，水壓應從含水層頂界面起算，取近3 a 含水層觀測水位最高值。

通過突水系數公式計算底板隔水層厚度，該區域煤層底板標高為-201 m，近3 a 奧灰水位最高為+51 m，即水頭壓力取值為2.52 MPa，因此按式（1） 計算底板隔水層厚度為41 m，即該治理鉆孔設計終孔位置達到隔水層厚度41 m 以下。圖2 為陷落柱探查治理設計剖面，將陷落柱進行多方位、立體式的加固治理，使陷落柱的底板和周邊形成一個不低于41 m 的有效隔水層，從而避免陷落柱突水，保障開采安全。

3.3 經濟性對比分析

按照40 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間出矸石約4 300 t，結合當前煤炭形勢計算，生產費用增加129 萬元，分揀洗煤成本增加13 萬元，合計142 萬元。按照補巷甩陷落柱搬家方案，補巷費用44 萬元，搬家組織費用50 萬元，損失煤柱資源費用70 萬元，合計164 萬元，兩方案差值22萬元。

按照20 m 陷落柱作參考，過陷落柱期間共出矸石約1 056 t，生產費用增加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，兩方案經濟差值25.2 萬元。

綜上所述，由于陷落柱40 m 軸長時兩種方案經濟差值較小，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，因此應以40 m 軸長為過陷落柱經濟標準，大于40 m 的陷落柱采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m的陷落柱可考慮采取直接回采通過方案。

4 結 語

陷落柱的發育是葛泉礦的一大特點，尤其是陷落柱導水，會給煤礦的安全生產帶來巨大隱患。即使不導水也會因為陷落柱周邊煤層遭到嚴重破壞，從而影響采面的正常設計和設備布置，造成煤炭資源的損失。因此在對陷落柱的發育和分布特性進行研究和分析的基礎上，采取綜合探查和治理手段，確保安全的同時，根據其規模及對開采的影響范圍，分析并采取相對應的開采方案，有效避免煤炭資源的浪費，提高企業經濟效益。

圖2 X411 陷落柱探查治理設計剖面圖Fig.2 Profile of exploration control design of X411 collapse column