采掘工作面防范陷落柱经验

1、谢桥煤矿采掘工作面防范陷落柱的经验总结谢桥煤矿 张 成摘要：本文简单介绍了谢桥煤矿地质、水文地质条件；介绍了1、2陷落柱的概况；重点介绍了13118工作面在发现陷落柱后，如何在不改变原设计的情况下分步骤地采取针对性的防范措施，保证了13118工作面在安全的前提下顺利地掘进与回采。关键词：水文地质 陷落柱 防范措施1谢桥煤矿概况谢桥井田位于淮南煤田潘谢矿区西端，西起5 断层（即陈桥颍上断层），东至F22断层；北起1煤层隐伏露头线， 南止于17-1 煤层-1000m水平等高线及谢桥向斜轴的地面投影线,东西走向长约为8.5 11.5 Km，倾斜宽4.3 Km，面积约41 Km²。井田划分为

2、二个水平，上、下山开采。第一水平标高为-610米，下山到-720米；第二水平标高为-950米，下山到-1000米。井田划分为五个采区，即东一、东二、东三、西一、西二采区。设计年产量700万吨，技改后的矿井年产量1000万吨。本井田为全隐蔽区，地层自新到老为第四系松散层、第三系、二叠系,以及石炭系和奥陶系，主要含煤地层为石炭、二叠系地层。井田内可采煤层11层，分别为17-1、16-1、13-1、11-2、8、7-2、7-1、6、5、4-2、1煤层，主要可采煤层为13-1、8、4-2、1煤层，井田处在谢桥向斜的北翼，为一走向近东西、倾向南、倾角815°的单斜构造。地质构造条件简单，断层对

3、煤层的破坏程度不大，断层的展布方向以北东向为主、北北东向、近东西向和北西向次之。目前矿井采掘活动主要分布在13-1、11-2、8煤层中，采掘工作面上限标高为-383米，下限标高为-670米，东至F22井田边界断层，西至F5井田边界断层。2水文地质概况谢桥井田含水层主要有第四系松散层孔隙含水组、二迭系砂岩裂隙含水组和石炭太原组以及奥陶系灰岩岩溶裂隙含水组三大类。各含水层之间均有有效隔水层或相对隔水层隔开。矿井在开采17-14煤层时属裂隙类充水矿床，水文地质条件简单；1煤层属以岩溶裂隙底板进水为主的充水矿床，水文地质条件中等到复杂，在有陷落柱存在的东二采区开采81煤层时水文地质条件中等到复杂。本矿

4、井-610m水平正常涌水量为480m³/h,最大涌水量为550 m³/h, -720米水平正常涌水量为200 m³/h，最大涌水量为260 m³/h。开采1煤时预计最大突出涌水量为1786 m³/h；2004年，本矿井年平均涌水量为465.7 m³/h。2.1新生界松散层含水层情况新生界松散层含水层厚度194.10485.64m，平均厚度363.26m；总体呈南薄北厚的趋势，南部古地形起伏明显。根据沉积规律和区域对比，大致分为上部含水层、上部隔水层、中部含水层、中部隔水层及底部“红层”等五部分，其中仅中部含水层与沿25煤露头附近及其以

5、南地区，因古地形隆起与基岩接触，存在补给关系。 底部“红层”由砂岩和粘土相间组成， 经补勘验证该层不含水，为隔水层。近年来由于矿井建设开发影响，中部含水层水位由原始水位24.88m，下降至14.7015.78m。 2.2煤系砂岩裂隙含水层情况分布在煤层和泥岩之间的砂岩层因局部裂隙发育而含水，形成煤系砂岩裂隙含水层。全矿井漏水钻孔36个，主要漏水层位8、11-2、13-1、23、25煤顶板砂岩最多，因此勘探资料表明8、11-2、13-1、23、25煤顶板砂岩裂隙含水层富水性较好。但从多年的矿井水文地质调查情况看，富水性不均衡，有弱有强，且以储存量为主，补给水源有限。而在陷落柱发育区域局部补给水源

6、丰富，富水性较好。其水质为ClNa型，水温2126。砂岩裂隙含水层之间存在有泥岩隔水层，含水层之间一般不存在水力联系。2.3灰岩岩溶裂隙含水层情况谢桥井田含灰岩地层主要是石炭系上统太原组、奥陶系中下统马家沟组、寒武系地层，二迭系含煤地层整合于太原组之上、石炭系中统假整合于奥陶系中下统马家沟组、马家沟组假整合于上寒武统土坝子组之上。井田内揭露灰岩的钻孔较少，资料缺乏系统性，灰岩的地层情况总体上属不清。从揭露的钻孔和区域资料看，灰岩地层都不同程度的含有岩溶裂隙水，局部富含岩溶裂隙和灰岩溶洞。太原组灰岩岩溶裂隙含水层厚度103.38m，含灰岩13层，平均累厚56.84m，占组厚55%。全区见灰岩钻孔

7、45个，漏水孔17个，漏水孔率37.8%，其中水217孔在567.46568.94m，见溶洞1.48m，属11层灰岩，其它各孔漏水深度一般在460497m，多为溶蚀裂隙漏水。原始水位标高25.1826.91m，目前为17m左右，q=0.01741.764l/s.m，K=0.01899.97m/d，水温2936.5，水质ClNa型，矿化度2.192.57g/1，富水性中等，但分布不均一。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层：全区有9个钻孔揭露，厚度14.54104.35m，岩性为浅灰肉红色，致密白云质灰岩，厚层状，漏水孔2个，漏水孔率22.2%。XLZ5在奥灰出现掉钻现象，掉钻高度达7m（460.41467

8、.49m），因此奥灰中存在较大的溶洞。据七-八11孔抽水试验资料，水位标高23.66m，q=0.000369l/s.m，水质ClNa型，矿化度2.3g/1，富水性极弱。据区域资料，奥陶系总厚度约250m，上部为厚层角砾状灰岩，底部为钙质页岩夹泥质灰岩。据钻孔抽水试验资料，q=0.011110.203l/s.m，富水性由弱至强。临近的潘集井田奥灰中下部层段抽水试验资料（q=0.20.585l/s.m）富水性中等。鉴于本区奥灰隐伏露头分布面积较大，富水性不均一，故水文地质条件不清。寒武系地层目前仅5个钻孔揭露，漏水孔5个，漏水孔率100%。寒灰中未进行单独抽水试验，水文地质条件不清。根据05年对X

9、LZ2、XLZ3、XLZ4、XLZ6钻孔进行的奥灰、含灰混合抽水试验，q=0.1376.323l/s.m、K=0.028380.3791m/d，表明富水性由弱到强。3陷落柱地发育情况在东二采区三维地震勘探发现补线附近、七-八线和新东二上山之间各有一地质异常带，分别被命名1、2异常体，且怀疑为陷落柱。13118工作面为东二采区首采面，1异常带在工作面以外但距下顺槽较近，最小距离只有15m，2异常带在工作面中。3.1 13118工作面概况13118工作面为东二B组采区东翼一阶段，回风顺槽煤层底板标高-403.4-438.3米。运输顺槽煤层底板标高-449.2-490米，西起新东二B组轨道上山，东至

10、F22边界断层，老东二的轨道和煤层回风位于工作面中部，工作面设计可采走向长2600米，倾斜长209.7米，煤层倾角9°16°，平均倾角12.1°，平均煤厚2.9米，可采储量279万吨，详见附图1。13118于2004年6月开始准备，上下顺槽从中部的煤层回风上山分别向东西两个方向掘进，下顺槽西段于2004年8月开始从东西两头对掘，至11月底贯通。该工作面04年10月6日开始从东向西回采，至05年9月收作。3.2 陷落柱发育概况1、2异常体被怀疑为陷落柱后，集团公司及时安排在1异常体中间及周围施工了补5孔、补验2孔、补6孔等三个钻孔。从钻孔揭露的情况结合三维地震结果看

11、1异常体在8煤层的平面形态为近似椭圆形，长轴近SN向，直径252米，短轴近EW向，直径242米，与13118工作面下顺槽最近平面距离1518米，详见图1，呈上小下大的锥体，陷落柱内11-2、8、6、4-2、1煤层及灰岩顶界面整体下降1438米，因此该异常体为一陷落柱，被命名为1陷落柱。1陷落柱目前没有井巷工程揭露、仅钻孔揭露。三维地震资料显示在七-八线和新东二上山之间的地质异常带（命名为2异常体）在平面上由3个近椭圆体连成的串珠状，其延展方向为NWSE，在延展方向长1530米，在延展方向的垂向上宽30140米。2异常体在开始被解释为断层，布置13118工作面时该面下顺槽按穿过断层考虑。在集团公

12、司组织的“谢桥煤矿隐伏构造体综合探测成果及对矿井安全生产的评价”论证会上，与会专家认为2异常体为疑似陷落柱，在采取安全措施的情况下巷道可以穿过，随后13118下顺槽西段巷道穿过2疑似陷落柱，从巷道揭露的特征看是陷落柱，故命名为2陷落柱，详见附图1。3.3 陷落柱的形成原因1、2#陷落柱具有整体塌陷和塌陷柱体内部岩层较破碎，但层序正常，为明显存在裂隙的不密实柱体。在煤层等岩石强度不高的岩层中边界特征明显，而在石英砂岩等岩石强度高的岩层中边界特征不明显。因此其下方首先应该有较大规模的溶洞存在，在漫长的地质演化过程中，上覆煤系地层在重力作用下逐步塌陷形成。本区灰岩地层主要有太灰、奥灰和寒灰，太灰共有

13、灰岩13层，一般不厚，很难形成较大规模的溶洞。在奥灰或寒灰中有可能形成较大规模的溶洞，是陷落柱的形成提供基础。附图1： 4.采掘过程中的防治水工作开展情况因为揭露陷落柱而矿井被淹的事故在煤矿时有发生，从怀疑是陷落柱开始13118工作面就停止掘进，在地面施工4个钻孔，结合钻孔情况对三维地震资料尤其是对怀疑为陷落柱的区域进行了重点解释，分析了全矿井的水文地质资料，邀请煤炭系统陷落柱研究及防治方面的专家对分析结果进行论证并对下一步防治水工作进行咨询。采取了先物探后钻探、确认无突水威胁后采掘进，工作面形成后对1、2陷落柱采取了注浆加固措施，保证在采动动压的影响下和采后的安全。4.1 综合物探成果根据专

14、家论证会的意见，中国矿业大学采取地球物理综合探测集中勘探方法,瑞雷波面探测、地质雷达探测、高密度电法探测、三维三分量地震勘探探测。河北煤炭科学研究所使用了四种物探方法：地面快速探测、地面高分辨中间梯度电剖面法和井下“三点源法”超前探测、高分辨三极侧向电测深法。通过物探工作说明两个陷落柱不同于典型的陷落柱，具有整体塌陷和塌落距小的特点。柱体内部岩块比较完整、层序正常，但明显存在空隙，不属于密实柱体。1陷落柱的导、含水性差，与深部奥灰、太灰水不存在直接水力联系，在8煤层位该地质异常区边界特征亦不明显，不属于强含（导）水陷落柱，可定性为（浅部）不导水整体陷落区；2陷落柱在探测范围内亦不属于强含（导）

15、水陷落柱。目前两个陷落柱内均不充水，但可以导水，在今后随着开采扰动范围的扩大，也可能与不均匀分布的高水头地下水体连通构成通道，建议：1）、查明引起陷落柱发育的溶洞所在的层位及该层位的水文地质条件。2）、为保证万无一失，巷道采用超前钻孔掩护下掘进措施。3）、为防止在采动条件下陷落柱导水，13118工作面下顺槽需对以1陷落柱与顺槽最近点为中心两侧各100m进行注浆加固；工作面收作位置应以采动动压不影响2陷落柱为宜，收作后应对穿过2陷落柱的巷道进行注浆加固。4.3 掘进期间的防治水工作13118下顺槽都在东二8煤层回风上山拨门，一个向东、一个向西掘进，向西掘进的过2陷落柱，向东掘进的从1陷落柱旁通过

16、。13118工作面西段下顺槽施工165m后停头，先使用井下“三点源法”超前探测、高分辨三极侧向电测深法探测前方80m范围的含水情况，确认无水后在迎头施工2个80m深的超前钻孔，无异常的情况下巷道进尺60m，共进行了3个循环，巷道顺利通过2陷落柱，详见附图1。13118工作面东段下顺槽掘至距离陷落柱边界最近点114米开始采取“边探边掘”的方法，由于巷道从1号陷落柱旁通过，故只采取钻探的方法进行超前探测。共进行5轮打钻探水，钻孔布置详见附图1及附表1，巷道顺利的从1号陷落柱旁通过。附表1： 超前钻孔情况表轮次孔号与巷道夹角倾角孔深孔内情况允许进尺110°0°120m无异常50m

17、210.5°-5°80m无异常210°-0.5°108m出少量水40m210.5°-5°108m有气外涌，出少量水310°-1.5°80m煤体湿润40m218.5°-2.5°80m煤体湿润360°-2.5°40m煤体湿润410°-1°90m无明显出水20m235°-8.5°82m出少量水327°-8.5°56m煤体湿润5135°-9°80无异常允许正常进尺260°-13°40吸

18、钻4.4 1陷落柱的注浆加固工作为防止在采动条件下1陷落柱裂隙活化发生突水，需对以陷落柱轴为中心、两侧各100m进行注浆加固，鉴于陷落柱形态不规则，为确保安全，确定从下顺槽距离切眼900米到1150米范围内，对下顺槽下邦及顶底板进行注浆加固，增加采动条件下煤岩体的抗压强度，使围岩抗压强度达到5Mpa，防止突水事故的发生。根据2005年1月份物探成果测定陷落柱形态，13118面运顺距Y90点向西135m处巷道距陷落柱边缘最近平距约15m，该处东西各50m段为注浆加固重点区段。其余150m为非重点加固段，详见附图2。设计按钻孔浆液扩散半径为2.5m，钻孔排距为5m，方位 101.5º（即

19、垂直运顺，方向向南），重点区段注浆加固宽度为27.5m，终孔加固厚度为15m,则每排需3个孔，共21排，计63个孔；非重点区段注浆加固宽度为17.5m，终孔加固厚度为10m，则每排布置2个孔，共30排，计60个孔，孔径75 mm，钻孔参数见表2。注浆选用新鲜PS32.5普通硅酸盐水泥，辅之少量模数2.8，35Be的水玻璃。主要以水泥单液浆为主，浆液水灰比一般在1.5:10.75:1之间调节，单孔注浆按先稀后浓的配比原则，当钻孔接近或进入陷落柱注浆，若单孔注入量较大时，可采用CS双液，双液浆的体积比在1:0.41:1之间调节。注浆主要以加固为主，注浆压力取5Mpa，若钻孔出水后，注浆终孔压力取该

20、处水压的1.5倍，即7.5Mpa。本次注浆共注入水泥40T、水玻璃26T。顶板采用锚索加固。在13118工作面靠近陷落柱一侧，沿运输顺槽下帮打一排锚索，锚索方位101.50，倾角60°间距为2m，锚索规格15.24×6000mm，每孔5根Z2350树脂药包；锚索间用钢筋梯子相互连接成一整体。附表2：钻 孔 参 数 及 工 程 量 表钻孔位置孔号倾角（°）终孔深度m注浆孔总排数(排)注浆孔总深度(m)备注重点区段KZ1-112552117052 总钻进量2668.2mKZ2-21268KZ3-30289非重点区段KZ1-1115330963KZ2-27168KZ1.

21、2.3代表钻孔所在排数及孔号注浆加固结束后采用物探的方法检查了加固段的加固效果，基本达到设计的要求。2005年5月底工作面回采过1陷落柱至今未发生突水等异常现象。4.5 13118工作面回采期间的防治水工作虽然工作面通过1陷落柱前进行了注浆加固的措施，但为了保证工作面回采期间安全制定以下专门措施：1）、加快工作面推进速度及顶板管理。采煤队在过陷落柱期间编制专项管理措施，加强领导跟班指挥，以保证加快工作面推进速度并加强顶板管理。2）、加强工作面水情水害的监测。地测科在工作面回采至陷落柱范围内（即距离切眼9501150米）应加强水文地质调查。每周调查不少于3次，并详细记录工作面水文地质情况，如有异

22、常情况请及时向上级领导汇报。同时对地面水文观测孔进行加密观测。采煤队每班派专人监测水情，随时观察下顺槽巷道及工作面顶底板水文情况，如果有发水预兆，作业人员即撤至安全地点并报告调度所。采煤队所有工作人员必须熟悉出水预兆（突水预兆为工作面或其他地点有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现渗水、水色发浑、有臭味等）和避灾路线。3）、加强排水系统维护。采煤队在工作面回采致距切眼900米时对工作面排水系统进行一次全面检查，保证排水系统能及时投入运行。机电科对矿井排水系统进行一次全面检查，保证所有排水设备能随时投入运行。4）、打封闭墙进行封闭。一旦发现陷落柱有导通灰岩水涌入工作面的可能，应立即在上下顺槽出口处打封闭墙。工作面下顺槽外口及上