葛泉矿陷落柱特性及开采方案优化研究

刘银波

（冀中能源股份有限公司 葛泉矿，河北 邢台 054100）

煤层陷落柱实际是一种特殊形式的断层，由煤层中的石灰岩由于岩溶裂隙发育，在自重作用下呈柱状或圆锥状塌陷而形成的[1-5]。华北型煤田的陷落柱主要分布于石炭二叠系煤层中，具有一定的区域性。华北型煤田下组煤距离奥灰水较近，含水量丰富，水头压力大，绝大部分煤层要实施带压开采。陷落柱属于垂向构造，正常情况下奥灰水垂向突破向采掘工作面充水的可能性较小，但在采动条件下，陷落柱柱体裂隙活化，奥灰水经陷落柱突水的风险骤然增大，极易与奥灰水导通，形成突水。该类型的突水具有隐蔽性、突发性并且补给丰富，出水量大，严重威胁煤矿的安全生产[6-9]。因此，根据陷落柱的发育特点与规律，采用相应的开采方式和治理措施，降低触及陷落柱而导致突水事故的风险，对实现煤矿安全生产具有重要意义。

1 地质条件

1.1 工作面概况

132下04 工作面位于-190 水平2下煤三采区，西南为2下煤三采区上山，西北为北翼-190 大巷，东北为2下煤可采边界，工作面标高-70— -170 m，地面标高97—103 m。所采2下煤平均厚度为1.77 m，煤层倾角为14°，走向长约960 m，倾向长220 m。该工作面共有陷落柱13 个，其中X401、X408、X411、X413、X417 这5 个陷落柱对掘进和采煤的影响较大。

1.2 陷落柱微观特征及组分

132下04 运料巷和运输巷掘进过程中，分别揭露陷落柱X306 和X408，从现场揭露情况看，2 个陷落柱均不含水不导水。为进一步研究柱体特征，在陷落柱X306 和X408 柱体内部采集了5 块岩石标本。

通过镜下观察（图1）可以看出，DX306-B01标本岩性均一，主要的成分为石英和长石，填充物以云母为主，部分区域有黄铁矿分布，极个别区域有明显的沸石化现象。

图1 DX306-B01 标本镜下结构Fig.1 Microscopic structure of No.DX306-B01 specimen

1.3 陷落柱特点

通过对5 块岩石标本的分析，可以得到葛泉矿井田陷落柱有以下特点。

（1）绝大多数陷落柱截面为椭圆形，受断层等地质构造的影响，陷落柱发育方向以东西向为主。

（2）陷落柱岩体的胶结程度高，强度大，大多数陷落柱内无水。内部填充物以砂岩为主，颜色为灰-灰黑色，部分区域为浅红色。

（3）陷落柱与周边的煤岩体间接触紧密，但界线明显，部分接触面清晰可见。少数陷落柱嵌入煤体中，成为煤层的一部分。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

依据132下04 工作面的实际情况建立长500 m，宽350 m，高250 m，共358 420 个网格单元的模型，共整合17 个岩层，包含2下煤和5 煤上下两组煤，上下两个工作面平行布置，分别都是面宽150 m，推进距离300 m。模型没有取至地表，因此将模型高度之上未计算在内的岩层及其上部松散层采用荷载施压的方式在模型上部边界加荷载。模拟未计算在内的岩（土）层厚度约为100 m，容重取平均值25 kPa/m，故上部荷载P=γh=25×100=2.5 MPa。

工程实际中陷落柱是不规则的变径柱体，为方便研究，这里简化成等径柱体。根据该工作面内X413 号陷落柱的特征分别设置轴长为20、40、60 m 的3 个陷落柱，每个陷落柱高200 m，贯穿整个模型。

2.2 模拟结果

对于3 个轴长不同的模型分别进行两种不同方式的开挖，第一种是直接推采过陷落柱，第二种是开采至陷落柱前方时，四周留20 m 保护煤柱跨过陷落柱再继续开采。开采次序是先采上组煤（2下煤），再采下组煤（5 煤）。开挖完成后，对比分析上下两个工作面顶板和底板的塑性破坏高度以及陷落柱区域应力分布情况，为工程实际中注浆治理和陷落柱的处置提供参考。

2.2.1 应力分析

分别截取每个模型上下两组煤开挖完成后的应力分布云图，如图2 所示。

图2 不同开采方案应力云图Fig.2 Stress cloud diagram under different mining schemes

陷落柱在模型中的高度是0～200 m，对陷落柱标高25、76、112、146 m 位置点的主应力值进行监测，不同情况下的应力数值见表1。

表1 不同位置应力监测数据（MPa）Table 1 Stress monitoring data at different locations(MPa)

通过以上数据可以看出，两种开采方式导致的应力分布情况有明显差异。对于同一位置来说，直接推采过陷落柱比留煤柱跨过陷落柱的应力小。煤层开采后，围岩应力会重新分布，保护煤柱和陷落柱会形成一个支撑上覆岩层的“柱子”，陷落柱内部各个位置的应力都会增大，为陷落柱内部出现塑性破坏提供力学条件。

2.2.2 底板破坏深度分析

分别截取每个模型上下两组煤开挖完成后的塑性区分布云图，如图3 所示。

图3 不同开采方案塑性区分布Fig.3 Plastic zone distribution under different mining schemes

通过塑性区云图可以看出，每一种情况下最终形成的塑性破坏区大致相似，模拟结果显示，2下煤底板最大破坏深度基本为30 m，5 煤底板最大破坏深度为28 m，下组煤底板破坏高度较小，应该是由于上组煤开采后，围岩发生破坏，矿压释放的原因。底板破坏深度见表2。

表2 底板破坏深度统计Table 2 Statistics of floor failure depth

2.3 结果分析

根据数值模拟结果可以看出，工作面出水与回采过程中的矿压变化关系密切。当工作面推进长度与工作面斜长大致相等时，矿压显现强烈。此时，地应力场的最大主应力可能由垂向转变为水平，原地应力、构造隔水强度和水压力之间的平衡被打破，奥灰水压力在垂向上被激活，奥灰水在水压力的驱动下沿底板隔水层中固有垂向裂隙不断导升，有可能导致陷落柱在竖向上与奥灰水沟通，从而形成导水裂隙，造成突水事故的发生。

3 开采方案优化

3.1 现有开采方案

目前2下煤三采区在工作面设计以及巷道布置中，所有采掘活动均采取避开陷落柱方式。由于陷落柱发育较多，范围较广、大小不一，全部采取补巷避让措施，不仅增加巷道工程量，也造成了回采过程中多次搬家、机头机尾频繁对接、改系统等问题。

以2下煤工作面内发育1 个长轴30～40 m 陷落柱为例，如该陷落柱位于机头、机尾时，以132下06 工作面为例，需要补巷工程65 m，其中30 m 为补切眼，规格为5.0 m×2.2 m。工作面与补巷贯通扩帮上网后，将工作面运输（运料）系统改经补巷至工作面，继续推进过程中安排队伍将陷落柱影响范围内20 个支架搬到补切眼内，耗时10 d 左右，其中影响工作面推进时间约5 d。补巷与陷落柱间损耗工作面储量约500 t。如陷落柱多位于工作面内部时，以132下04 工作面为例，面内发育5 个陷落柱，其中30～40 m 轴长3 个，另外2 个轴长均超过50 m。工作面内共需要补巷工程735 m，回采期间搬家改系统5 次，影响工作面推进时间约60 d，分两面回采一次，影响工作面推进时间约5 d，共计损失回采储量约4 500 t。

3.2 方案优化

由于葛泉矿目前所揭露陷落柱隔水性能较好，且2下煤上部2 号煤、下部5 号煤均揭露过陷落柱，已探明陷落柱导水性较差，因此在临近或揭露陷落柱进行采掘活动时，可以参照断层等构造进行探查、治理以及顶板加固工作。当陷落柱轴长大于工作面面长的一半或长度大于40 m 时，严重影响工作面煤质，采取搬家甩陷落柱的方式通过；当陷落柱轴长较小时，可参考过断层方案直接通过，同样以180 m 面长、40 m 轴长陷落柱为例，通过陷落柱最长轴期间，每推进1 m 矸石占煤比值为41.5%，采取措施降低陷落柱区域采高至1.4 m 后，可将该比值降低至36.4%。

按照40 m 陷落柱作参考，过陷落柱期间共计出矸石约4 300 t，生产费用增加129 万元（300 元/t），分拣洗煤成本增加13 万元（30 元/t），合计142 万元。按照补巷甩陷落柱搬家方案，补巷费用44 万元（5 500 元/m），搬家组织费用50 万元，损失煤柱资源费用70 万元（800 元/t），合计164 万元，两方案经济差值22 万元。

按照20 m 陷落柱作参考，过陷落柱期间共计出矸石约1 056 t，生产费用增加31.7 万元，分拣洗煤成本增加3.2 万元，合计35 万元。按照补巷甩陷落柱搬家方案，补巷费用22 万元，搬家组织费用20 万元，损失煤柱资源费用18.2 万元，合计60.2 万元，两方案经济差值25.2 万元。

由于40 m 轴长时两种方案经济差值较小，且陷落柱轴长大于工作面面长的一半或长度大于40 m 时，严重影响工作面煤质，因此选取40 m 轴长为过陷落柱经济标准，大于40 m 采取搬家甩陷落柱方案，小于40 m 建议采取直接通过措施。

3.3 陷落柱治理

无论采取推过陷落柱还是搬家甩陷落柱方案，陷落柱空间定位必须准确，并且对陷落柱周边及底板区域进行加固。

3.3.1 加固设计

13512 运输巷按37°方位沿5 号煤顶板掘进。巷道掘进前方发育X404 陷落柱，该陷落柱最初在北翼-190 大巷掘进时揭露。采用常规的注浆加固方式进行治理[10-12]。

探查孔开设在13512 运输巷32 号测点前26 m（迎头）处煤层底板较为完整的岩层中，钻探设备为ZDY1900S 钻机、配套钻杆、泥浆泵、防喷装置。探查钻开孔孔径133 mm，下孔径108 mm 孔口管16 m，固管后孔径变为裸孔直径75 mm 至终孔。钻孔施工参数见表3。

表3 钻孔施工参数Table 3 Parameters of drilling construction

3.3.2 加固效果

钻探施工5 个探查钻孔，共计工程量496.5 m，查明X404 陷落柱内胶结密实，不具有导含水性。按照规定要求对X404 陷落柱进行注浆加固，注浆材料为水泥浆，水泥浆液比重1.5，并对各钻孔进行全孔封严、封实，封孔压力为6 MPa，封孔质量良好。

4 结 论

（1）华北型煤田陷落柱易与下组煤奥灰水导通，形成隐蔽性、突发性的突水，严重威胁煤矿的安全生产。

（2）葛泉矿陷落柱截面以椭圆形为主，陷落柱内部结构致密，胶结程度高，接触面附近常见擦痕及牵引现象，界面清晰。

（3）对于工作面中的陷落柱应留设一定宽度的保护煤柱，但对陷落柱周边进行注浆加固后，采用直接推采的方案，可实现安全生产。