采掘工作面防范陷落柱經(jīng)驗

1、謝橋煤礦采掘工作面防范陷落柱的經(jīng)驗總結(jié)謝橋煤礦 張 成摘要：本文簡單介紹了謝橋煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件；介紹了1、2陷落柱的概況；重點(diǎn)介紹了13118工作面在發(fā)現(xiàn)陷落柱后，如何在不改變原設(shè)計的情況下分步驟地采取針對性的防范措施，保證了13118工作面在安全的前提下順利地掘進(jìn)與回采。關(guān)鍵詞：水文地質(zhì) 陷落柱 防范措施1謝橋煤礦概況謝橋井田位于淮南煤田潘謝礦區(qū)西端，西起5 斷層（即陳橋潁上斷層），東至F22斷層；北起1煤層隱伏露頭線， 南止于17-1 煤層-1000m水平等高線及謝橋向斜軸的地面投影線,東西走向長約為8.5 11.5 Km，傾斜寬4.3 Km，面積約41 Km²。井田劃分為

2、二個水平，上、下山開采。第一水平標(biāo)高為-610米，下山到-720米；第二水平標(biāo)高為-950米，下山到-1000米。井田劃分為五個采區(qū)，即東一、東二、東三、西一、西二采區(qū)。設(shè)計年產(chǎn)量700萬噸，技改后的礦井年產(chǎn)量1000萬噸。本井田為全隱蔽區(qū)，地層自新到老為第四系松散層、第三系、二疊系,以及石炭系和奧陶系，主要含煤地層為石炭、二疊系地層。井田內(nèi)可采煤層11層，分別為17-1、16-1、13-1、11-2、8、7-2、7-1、6、5、4-2、1煤層，主要可采煤層為13-1、8、4-2、1煤層，井田處在謝橋向斜的北翼，為一走向近東西、傾向南、傾角815°的單斜構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，斷層對

3、煤層的破壞程度不大，斷層的展布方向以北東向為主、北北東向、近東西向和北西向次之。目前礦井采掘活動主要分布在13-1、11-2、8煤層中，采掘工作面上限標(biāo)高為-383米，下限標(biāo)高為-670米，東至F22井田邊界斷層，西至F5井田邊界斷層。2水文地質(zhì)概況謝橋井田含水層主要有第四系松散層孔隙含水組、二迭系砂巖裂隙含水組和石炭太原組以及奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水組三大類。各含水層之間均有有效隔水層或相對隔水層隔開。礦井在開采17-14煤層時屬裂隙類充水礦床，水文地質(zhì)條件簡單；1煤層屬以巖溶裂隙底板進(jìn)水為主的充水礦床，水文地質(zhì)條件中等到復(fù)雜，在有陷落柱存在的東二采區(qū)開采81煤層時水文地質(zhì)條件中等到復(fù)雜。本礦

4、井-610m水平正常涌水量為480m³/h,最大涌水量為550 m³/h, -720米水平正常涌水量為200 m³/h，最大涌水量為260 m³/h。開采1煤時預(yù)計最大突出涌水量為1786 m³/h；2004年，本礦井年平均涌水量為465.7 m³/h。2.1新生界松散層含水層情況新生界松散層含水層厚度194.10485.64m，平均厚度363.26m；總體呈南薄北厚的趨勢，南部古地形起伏明顯。根據(jù)沉積規(guī)律和區(qū)域?qū)Ρ龋笾路譃樯喜亢畬?、上部隔水層、中部含水層、中部隔水層及底部“紅層”等五部分，其中僅中部含水層與沿25煤露頭附近及其以

5、南地區(qū)，因古地形隆起與基巖接觸，存在補(bǔ)給關(guān)系。 底部“紅層”由砂巖和粘土相間組成， 經(jīng)補(bǔ)勘驗證該層不含水，為隔水層。近年來由于礦井建設(shè)開發(fā)影響，中部含水層水位由原始水位24.88m，下降至14.7015.78m。 2.2煤系砂巖裂隙含水層情況分布在煤層和泥巖之間的砂巖層因局部裂隙發(fā)育而含水，形成煤系砂巖裂隙含水層。全礦井漏水鉆孔36個，主要漏水層位8、11-2、13-1、23、25煤頂板砂巖最多，因此勘探資料表明8、11-2、13-1、23、25煤頂板砂巖裂隙含水層富水性較好。但從多年的礦井水文地質(zhì)調(diào)查情況看，富水性不均衡，有弱有強(qiáng)，且以儲存量為主，補(bǔ)給水源有限。而在陷落柱發(fā)育區(qū)域局部補(bǔ)給水源

6、豐富，富水性較好。其水質(zhì)為ClNa型，水溫2126。砂巖裂隙含水層之間存在有泥巖隔水層，含水層之間一般不存在水力聯(lián)系。2.3灰?guī)r巖溶裂隙含水層情況謝橋井田含灰?guī)r地層主要是石炭系上統(tǒng)太原組、奧陶系中下統(tǒng)馬家溝組、寒武系地層，二迭系含煤地層整合于太原組之上、石炭系中統(tǒng)假整合于奧陶系中下統(tǒng)馬家溝組、馬家溝組假整合于上寒武統(tǒng)土壩子組之上。井田內(nèi)揭露灰?guī)r的鉆孔較少，資料缺乏系統(tǒng)性，灰?guī)r的地層情況總體上屬不清。從揭露的鉆孔和區(qū)域資料看，灰?guī)r地層都不同程度的含有巖溶裂隙水，局部富含巖溶裂隙和灰?guī)r溶洞。太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度103.38m，含灰?guī)r13層，平均累厚56.84m，占組厚55%。全區(qū)見灰?guī)r鉆孔

7、45個，漏水孔17個，漏水孔率37.8%，其中水217孔在567.46568.94m，見溶洞1.48m，屬11層灰?guī)r，其它各孔漏水深度一般在460497m，多為溶蝕裂隙漏水。原始水位標(biāo)高25.1826.91m，目前為17m左右，q=0.01741.764l/s.m，K=0.01899.97m/d，水溫2936.5，水質(zhì)ClNa型，礦化度2.192.57g/1，富水性中等，但分布不均一。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層：全區(qū)有9個鉆孔揭露，厚度14.54104.35m，巖性為淺灰肉紅色，致密白云質(zhì)灰?guī)r，厚層狀，漏水孔2個，漏水孔率22.2%。XLZ5在奧灰出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，掉鉆高度達(dá)7m（460.41467

8、.49m），因此奧灰中存在較大的溶洞。據(jù)七-八11孔抽水試驗資料，水位標(biāo)高23.66m，q=0.000369l/s.m，水質(zhì)ClNa型，礦化度2.3g/1，富水性極弱。據(jù)區(qū)域資料，奧陶系總厚度約250m，上部為厚層角礫狀灰?guī)r，底部為鈣質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r。據(jù)鉆孔抽水試驗資料，q=0.011110.203l/s.m，富水性由弱至強(qiáng)。臨近的潘集井田奧灰中下部層段抽水試驗資料（q=0.20.585l/s.m）富水性中等。鑒于本區(qū)奧灰隱伏露頭分布面積較大，富水性不均一，故水文地質(zhì)條件不清。寒武系地層目前僅5個鉆孔揭露，漏水孔5個，漏水孔率100%。寒灰中未進(jìn)行單獨(dú)抽水試驗，水文地質(zhì)條件不清。根據(jù)05年對X

9、LZ2、XLZ3、XLZ4、XLZ6鉆孔進(jìn)行的奧灰、含灰混合抽水試驗，q=0.1376.323l/s.m、K=0.028380.3791m/d，表明富水性由弱到強(qiáng)。3陷落柱地發(fā)育情況在東二采區(qū)三維地震勘探發(fā)現(xiàn)補(bǔ)線附近、七-八線和新東二上山之間各有一地質(zhì)異常帶，分別被命名1、2異常體，且懷疑為陷落柱。13118工作面為東二采區(qū)首采面，1異常帶在工作面以外但距下順槽較近，最小距離只有15m，2異常帶在工作面中。3.1 13118工作面概況13118工作面為東二B組采區(qū)東翼一階段，回風(fēng)順槽煤層底板標(biāo)高-403.4-438.3米。運(yùn)輸順槽煤層底板標(biāo)高-449.2-490米，西起新東二B組軌道上山，東至

10、F22邊界斷層，老東二的軌道和煤層回風(fēng)位于工作面中部，工作面設(shè)計可采走向長2600米，傾斜長209.7米，煤層傾角9°16°，平均傾角12.1°，平均煤厚2.9米，可采儲量279萬噸，詳見附圖1。13118于2004年6月開始準(zhǔn)備，上下順槽從中部的煤層回風(fēng)上山分別向東西兩個方向掘進(jìn)，下順槽西段于2004年8月開始從東西兩頭對掘，至11月底貫通。該工作面04年10月6日開始從東向西回采，至05年9月收作。3.2 陷落柱發(fā)育概況1、2異常體被懷疑為陷落柱后，集團(tuán)公司及時安排在1異常體中間及周圍施工了補(bǔ)5孔、補(bǔ)驗2孔、補(bǔ)6孔等三個鉆孔。從鉆孔揭露的情況結(jié)合三維地震結(jié)果看

11、1異常體在8煤層的平面形態(tài)為近似橢圓形，長軸近SN向，直徑252米，短軸近EW向，直徑242米，與13118工作面下順槽最近平面距離1518米，詳見圖1，呈上小下大的錐體，陷落柱內(nèi)11-2、8、6、4-2、1煤層及灰?guī)r頂界面整體下降1438米，因此該異常體為一陷落柱，被命名為1陷落柱。1陷落柱目前沒有井巷工程揭露、僅鉆孔揭露。三維地震資料顯示在七-八線和新東二上山之間的地質(zhì)異常帶（命名為2異常體）在平面上由3個近橢圓體連成的串珠狀，其延展方向為NWSE，在延展方向長1530米，在延展方向的垂向上寬30140米。2異常體在開始被解釋為斷層，布置13118工作面時該面下順槽按穿過斷層考慮。在集團(tuán)公

12、司組織的“謝橋煤礦隱伏構(gòu)造體綜合探測成果及對礦井安全生產(chǎn)的評價”論證會上，與會專家認(rèn)為2異常體為疑似陷落柱，在采取安全措施的情況下巷道可以穿過，隨后13118下順槽西段巷道穿過2疑似陷落柱，從巷道揭露的特征看是陷落柱，故命名為2陷落柱，詳見附圖1。3.3 陷落柱的形成原因1、2#陷落柱具有整體塌陷和塌陷柱體內(nèi)部巖層較破碎，但層序正常，為明顯存在裂隙的不密實(shí)柱體。在煤層等巖石強(qiáng)度不高的巖層中邊界特征明顯，而在石英砂巖等巖石強(qiáng)度高的巖層中邊界特征不明顯。因此其下方首先應(yīng)該有較大規(guī)模的溶洞存在，在漫長的地質(zhì)演化過程中，上覆煤系地層在重力作用下逐步塌陷形成。本區(qū)灰?guī)r地層主要有太灰、奧灰和寒灰，太灰共有

13、灰?guī)r13層，一般不厚，很難形成較大規(guī)模的溶洞。在奧灰或寒灰中有可能形成較大規(guī)模的溶洞，是陷落柱的形成提供基礎(chǔ)。附圖1： 4.采掘過程中的防治水工作開展情況因為揭露陷落柱而礦井被淹的事故在煤礦時有發(fā)生，從懷疑是陷落柱開始13118工作面就停止掘進(jìn)，在地面施工4個鉆孔，結(jié)合鉆孔情況對三維地震資料尤其是對懷疑為陷落柱的區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)解釋，分析了全礦井的水文地質(zhì)資料，邀請煤炭系統(tǒng)陷落柱研究及防治方面的專家對分析結(jié)果進(jìn)行論證并對下一步防治水工作進(jìn)行咨詢。采取了先物探后鉆探、確認(rèn)無突水威脅后采掘進(jìn)，工作面形成后對1、2陷落柱采取了注漿加固措施，保證在采動動壓的影響下和采后的安全。4.1 綜合物探成果根據(jù)專

14、家論證會的意見，中國礦業(yè)大學(xué)采取地球物理綜合探測集中勘探方法,瑞雷波面探測、地質(zhì)雷達(dá)探測、高密度電法探測、三維三分量地震勘探探測。河北煤炭科學(xué)研究所使用了四種物探方法：地面快速探測、地面高分辨中間梯度電剖面法和井下“三點(diǎn)源法”超前探測、高分辨三極側(cè)向電測深法。通過物探工作說明兩個陷落柱不同于典型的陷落柱，具有整體塌陷和塌落距小的特點(diǎn)。柱體內(nèi)部巖塊比較完整、層序正常，但明顯存在空隙，不屬于密實(shí)柱體。1陷落柱的導(dǎo)、含水性差，與深部奧灰、太灰水不存在直接水力聯(lián)系，在8煤層位該地質(zhì)異常區(qū)邊界特征亦不明顯，不屬于強(qiáng)含（導(dǎo)）水陷落柱，可定性為（淺部）不導(dǎo)水整體陷落區(qū)；2陷落柱在探測范圍內(nèi)亦不屬于強(qiáng)含（導(dǎo)）

15、水陷落柱。目前兩個陷落柱內(nèi)均不充水，但可以導(dǎo)水，在今后隨著開采擾動范圍的擴(kuò)大，也可能與不均勻分布的高水頭地下水體連通構(gòu)成通道，建議：1）、查明引起陷落柱發(fā)育的溶洞所在的層位及該層位的水文地質(zhì)條件。2）、為保證萬無一失，巷道采用超前鉆孔掩護(hù)下掘進(jìn)措施。3）、為防止在采動條件下陷落柱導(dǎo)水，13118工作面下順槽需對以1陷落柱與順槽最近點(diǎn)為中心兩側(cè)各100m進(jìn)行注漿加固；工作面收作位置應(yīng)以采動動壓不影響2陷落柱為宜，收作后應(yīng)對穿過2陷落柱的巷道進(jìn)行注漿加固。4.3 掘進(jìn)期間的防治水工作13118下順槽都在東二8煤層回風(fēng)上山撥門，一個向東、一個向西掘進(jìn)，向西掘進(jìn)的過2陷落柱，向東掘進(jìn)的從1陷落柱旁通過

16、。13118工作面西段下順槽施工165m后停頭，先使用井下“三點(diǎn)源法”超前探測、高分辨三極側(cè)向電測深法探測前方80m范圍的含水情況，確認(rèn)無水后在迎頭施工2個80m深的超前鉆孔，無異常的情況下巷道進(jìn)尺60m，共進(jìn)行了3個循環(huán)，巷道順利通過2陷落柱，詳見附圖1。13118工作面東段下順槽掘至距離陷落柱邊界最近點(diǎn)114米開始采取“邊探邊掘”的方法，由于巷道從1號陷落柱旁通過，故只采取鉆探的方法進(jìn)行超前探測。共進(jìn)行5輪打鉆探水，鉆孔布置詳見附圖1及附表1，巷道順利的從1號陷落柱旁通過。附表1： 超前鉆孔情況表輪次孔號與巷道夾角傾角孔深孔內(nèi)情況允許進(jìn)尺110°0°120m無異常50m

17、210.5°-5°80m無異常210°-0.5°108m出少量水40m210.5°-5°108m有氣外涌，出少量水310°-1.5°80m煤體濕潤40m218.5°-2.5°80m煤體濕潤360°-2.5°40m煤體濕潤410°-1°90m無明顯出水20m235°-8.5°82m出少量水327°-8.5°56m煤體濕潤5135°-9°80無異常允許正常進(jìn)尺260°-13°40吸

18、鉆4.4 1陷落柱的注漿加固工作為防止在采動條件下1陷落柱裂隙活化發(fā)生突水，需對以陷落柱軸為中心、兩側(cè)各100m進(jìn)行注漿加固，鑒于陷落柱形態(tài)不規(guī)則，為確保安全，確定從下順槽距離切眼900米到1150米范圍內(nèi)，對下順槽下邦及頂?shù)装暹M(jìn)行注漿加固，增加采動條件下煤巖體的抗壓強(qiáng)度，使圍巖抗壓強(qiáng)度達(dá)到5Mpa，防止突水事故的發(fā)生。根據(jù)2005年1月份物探成果測定陷落柱形態(tài)，13118面運(yùn)順距Y90點(diǎn)向西135m處巷道距陷落柱邊緣最近平距約15m，該處東西各50m段為注漿加固重點(diǎn)區(qū)段。其余150m為非重點(diǎn)加固段，詳見附圖2。設(shè)計按鉆孔漿液擴(kuò)散半徑為2.5m，鉆孔排距為5m，方位 101.5º（即

19、垂直運(yùn)順，方向向南），重點(diǎn)區(qū)段注漿加固寬度為27.5m，終孔加固厚度為15m,則每排需3個孔，共21排，計63個孔；非重點(diǎn)區(qū)段注漿加固寬度為17.5m，終孔加固厚度為10m，則每排布置2個孔，共30排，計60個孔，孔徑75 mm，鉆孔參數(shù)見表2。注漿選用新鮮PS32.5普通硅酸鹽水泥，輔之少量模數(shù)2.8，35Be的水玻璃。主要以水泥單液漿為主，漿液水灰比一般在1.5:10.75:1之間調(diào)節(jié)，單孔注漿按先稀后濃的配比原則，當(dāng)鉆孔接近或進(jìn)入陷落柱注漿，若單孔注入量較大時，可采用CS雙液，雙液漿的體積比在1:0.41:1之間調(diào)節(jié)。注漿主要以加固為主，注漿壓力取5Mpa，若鉆孔出水后，注漿終孔壓力取該

20、處水壓的1.5倍，即7.5Mpa。本次注漿共注入水泥40T、水玻璃26T。頂板采用錨索加固。在13118工作面靠近陷落柱一側(cè)，沿運(yùn)輸順槽下幫打一排錨索，錨索方位101.50，傾角60°間距為2m，錨索規(guī)格15.24×6000mm，每孔5根Z2350樹脂藥包；錨索間用鋼筋梯子相互連接成一整體。附表2：鉆 孔 參 數(shù) 及 工 程 量 表鉆孔位置孔號傾角（°）終孔深度m注漿孔總排數(shù)(排)注漿孔總深度(m)備注重點(diǎn)區(qū)段KZ1-112552117052 總鉆進(jìn)量2668.2mKZ2-21268KZ3-30289非重點(diǎn)區(qū)段KZ1-1115330963KZ2-27168KZ1.

21、2.3代表鉆孔所在排數(shù)及孔號注漿加固結(jié)束后采用物探的方法檢查了加固段的加固效果，基本達(dá)到設(shè)計的要求。2005年5月底工作面回采過1陷落柱至今未發(fā)生突水等異常現(xiàn)象。4.5 13118工作面回采期間的防治水工作雖然工作面通過1陷落柱前進(jìn)行了注漿加固的措施，但為了保證工作面回采期間安全制定以下專門措施：1）、加快工作面推進(jìn)速度及頂板管理。采煤隊在過陷落柱期間編制專項管理措施，加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)跟班指揮，以保證加快工作面推進(jìn)速度并加強(qiáng)頂板管理。2）、加強(qiáng)工作面水情水害的監(jiān)測。地測科在工作面回采至陷落柱范圍內(nèi)（即距離切眼9501150米）應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)調(diào)查。每周調(diào)查不少于3次，并詳細(xì)記錄工作面水文地質(zhì)情況，如有異

22、常情況請及時向上級領(lǐng)導(dǎo)匯報。同時對地面水文觀測孔進(jìn)行加密觀測。采煤隊每班派專人監(jiān)測水情，隨時觀察下順槽巷道及工作面頂?shù)装逅那闆r，如果有發(fā)水預(yù)兆，作業(yè)人員即撤至安全地點(diǎn)并報告調(diào)度所。采煤隊所有工作人員必須熟悉出水預(yù)兆（突水預(yù)兆為工作面或其他地點(diǎn)有掛紅、掛汗、空氣變冷、出現(xiàn)霧氣、水叫、頂板淋水加大、頂板來壓、底板鼓起或產(chǎn)生裂隙出現(xiàn)滲水、水色發(fā)渾、有臭味等）和避災(zāi)路線。3）、加強(qiáng)排水系統(tǒng)維護(hù)。采煤隊在工作面回采致距切眼900米時對工作面排水系統(tǒng)進(jìn)行一次全面檢查，保證排水系統(tǒng)能及時投入運(yùn)行。機(jī)電科對礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行一次全面檢查，保證所有排水設(shè)備能隨時投入運(yùn)行。4）、打封閉墻進(jìn)行封閉。一旦發(fā)現(xiàn)陷落柱有導(dǎo)通灰?guī)r水涌入工作面的可能，應(yīng)立即在上下順槽出口處打封閉墻。工作面下順槽外口及上