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恒源煤矿岩溶陷落柱探防的关键举措创新

发表时间：2020/1/13 来源：《防护工程》2019年18期作者：叶爽崔亚利孙亮

[导读] 这就要求我们要进一步加强煤矿构造探查新技术的研发。同时，更加注重已发现陷落拄灾害的治理，切实杜绝岩溶陷落柱重大突水灾害的发生。

安徽恒源煤电股份有限公司煤矿地质测量科安徽淮北 235162
　　摘要：恒源煤矿Ⅱ633工作面初采期间，突遇岩溶陷落柱灾害，导致工作面生产间断，若采用常规的陷落柱探防技术手段防治，将造成工作面停产数月、切眼重掘、综采设备重新拆、装、老空充填加固等众多工程，并将导致数千万元经济损失的严重后果。为减小灾害的影响，降低损失，矿地测防治水技术人员提出了应对灾害的关键举措---强推硬过岩溶陷落柱的技术方案。他们以严谨的数据分析、科学的专业论断、完善的应急预案和切实可行的举措，成功地消除了恒源3#岩溶陷落柱的重大突水威胁，避免了数千万元的重大经济损失，为矿井的安全有序生产创造了有利条件。同时也为类似矿井灾害的防治，探索出了一条全新的水害防治技术方法。
　　关键词：岩溶陷落柱；突水；注浆加固；关键举措；评价
　　
　　
　　1.矿井及工作面概述
　　1.1恒源煤矿概况
　　华北型煤田安徽恒源煤电股份有限公司煤矿（简称：恒源煤矿）位于安徽省淮北市濉溪县刘桥镇境内。井田面积约19.1km2，矿井采用立井、主石门集中运输大巷开拓方式。一水平标高－400 m，二水平标高－600m。矿井设计年生产能力为60万t，经先后三期技改后，矿井实际生产能力达240万t/a，截至2018年底，矿井剩余可采储量3298.4万t。
　　恒源煤矿井处于华北板块南缘大吴集复向斜南部的次级褶曲土楼背斜西翼，总体为一走向北北东，向西北方向倾斜的单斜构造，次级褶曲较为发育，矿井地质构造较为复杂，已实际揭露3个岩溶陷落柱，煤层火成岩、天然焦、冲刷区均较发育。井田主采二叠系下石盒子组4煤层及山西组6煤层，倾角一般3～15°，属稳定中厚煤层。矿井水文地质条件复杂，在开采深部6煤时，主要受到6煤下伏石炭系太原组灰岩水的危害。该含水层岩溶裂隙水丰富，井下钻孔揭露时，单孔涌水量最大达310m3/h以上，涌水量大且稳定。
　　1.2Ⅱ633工作面概况
　　Ⅱ633工作面是恒源煤矿Ⅱ63采区的第二个工作面，同时也是建矿以来储量最大、埋藏最深的工作面，设计为综采面。工作面位于Ⅱ63采区上中部，走向长2015m，倾斜宽182m。煤层底板标高在-655.7～-778.3m之间，煤层倾角5～20°，平均约为11°，煤厚为2.10～3.50m，平均2.85m，工作面地质储量153.6万t，可采储量145.9万t。

　　
　　图1 Ⅱ632及Ⅱ633工作面水害防治工程的施工布置图
　　恒源煤矿Ⅱ63采区的地质及水文地质条件极为复杂，面临严重的底板灰岩水突水威胁，尤其是工作面跨温庄向斜的轴心段的突水威胁最大，常规的地面注浆站底板水害防治技术，经现场验证已无法满足Ⅱ63采区工作面的水害防治需求，为消除底板灰岩水的突水威胁，被迫采用地面顺层多分支钻探注浆新技术进行水害防治。
　　2.Ⅱ633工作面采前的水文地质探查与防治工作
　　淮北矿区的开采经验证明，工作面底板正常区段太灰水的突水系数大于0.10Mpa/m，构造破碎区段大于0.06MPa/m时，均易发生煤层底板突水，而Ⅱ633工作面煤层底板承受的灰岩水压达4.57～5.30Mpa，突水系数达0.096MPa/m～0.12MPa/m，远超构造破碎区段0.06MPa/m的突水系数经验值，如何确保工作面的回采安全，面临空前严峻的挑战。在此背景下，Ⅱ633工作面采前开展了大量的水害探查与治理工作，对确保该面的安全回采起到了关键作用。
　　2.1物探探查情况
　　Ⅱ633工作面所属区域在设计前就已施工了地面三维地震和瞬变电磁勘探，掘进期间实施了全覆盖的井下瞬变电磁超前探，勘测迎头前方可能存在的富水异常区和导含水通道，工作面贯通后，又先后施工了网络并行电法、瞬变电磁、无线电波坑透和槽波地震等物探工程，对面内的富水区、隐伏构造带等进行了立体探查。现有的物探探查手段实现了工作面内探查的全覆盖。但是，由于物探成果的多解性，仍有部分隐伏构造没有查出，对工作面的安全回采造成了较大影响，其中导致漏查最严重的后果是工作面回采误揭恒源3#岩溶陷落柱。
　　2.2钻探探查施工与防治情况
　　Ⅱ633工作面钻探探查主要包括两部分：一是地面顺层多分支钻探注浆工程，二是井下富水异常区的注浆加固和水害防治效果的验证探查。落在Ⅱ633工作面内的地面顺层多分支钻探注浆工程，涉及到三期地面注浆改造的HY-1、HY-2、D1、D2及Z1等5个孔组，31个分支孔，合计钻探进尺20703.8m，注入水泥浆20248.9m3；施工井下注浆孔、验证孔、检查孔合计102个，进尺8632.1 m，井下注浆376.6m3。表一是Ⅱ633工作面开展的钻探探查工程情况统计表。
　　表1 Ⅱ633工作面钻探工程情况统计表

　
　　图2 岩溶陷落柱在综采面的现场实揭图
　　由于工作面突遇灾害性地质构造，被迫停下来进行地质灾害防治，以防陷落柱突水的重大险情发生。
　　3.2技术创新的方案及依据
　　煤矿开采应对陷落柱构造突水的常规技术方法，必须切实做好以下几点：首先是留设足够宽的防隔水煤柱，其次是对已揭陷落柱进行注浆封堵，切断其与外界的所有导水通道，杜绝一切水力联系，第三是封堵老空区，防止揭露的陷落柱形成导水通道。然而，在正常回采的Ⅱ633工作面留设防水煤柱，就意味着工作面必须重掘切眼、拆除综采设备，而后在新切眼重新安装回采，同时充填封堵老空区。完成这些工程到工作面能重新回采，至少需要4个月以上的时间，也就意味着占矿井出煤总量55%的Ⅱ633工作面4个月没有产量，同时还要投入巨大的人力、物力、财力，进行新的回采准备，这显然是该矿无法接受的，必须采用创新的技术方法，解决目前面临的生产困境和防治水技术难题。

　　
　　图3 Ⅱ633工作面实际揭露恒源3#岩溶陷落柱的平面形态
　　根据陷落柱周围的防治水工程和现场调查及专家论证判断，该陷落柱为不导、含水的干陷落柱，可以采用强推硬过的方式采过陷落柱，最大限度地减小其对生产安全的影响。
　　之所以断定该陷落柱为不导、含水的干陷落柱，主要有以下几点重要的技术依据：
　　（1）底板网络并行电法、顶底板瞬变电磁勘探、槽波地震等所有物探探查工程的异常区，都不在陷落柱的发育位置及其附近，说明陷落柱的富水性和导、含水性均较差。
　　（2）穿过陷落柱底部周围的所有地面顺层注浆孔，在陷落柱附近的层段，涌水量均较小，最大的仅有6m3/h，而且在约20兆帕的高压下，吸浆量均较小，反映出该处岩层致密、裂隙不发育，井下验证孔施工时的涌水量均在1m3/h以下，反映出底板加固的效果良好，将含水层改造成了隔水层。
　　（3）通过陷落柱体的细致观察发现，在柱体内竟然没发现底板加固的水泥浆充填物残迹，而此段工作面两巷有多处曾出现跑浆现象，说明陷落柱体下部沉积十分密实；该处底板加固和验证孔涌水量、吸浆量都较小也验证了这一点。
　　（4）根据工作面实揭陷落柱的水文概况，以及其后的全方位探查情况，分析判断该陷落柱发育范围较小，探查的长轴长约48m，短轴长约25m，整体形态近椭圆形，并有沿长轴方向向风巷延展尖灭的趋势，强推硬过陷落柱的难度不大。
　　综合以上四点的分析判断，Ⅱ633工作面井下实际揭露的岩溶陷落柱，原始状态下不含水、不导水，并通过实施的地面顺层孔钻探注浆治理工程、井下底板并行电法物探、顶、底板瞬变电磁物探、槽波物探探查、井下钻探验证探查等工程，确定了该陷落柱不具导含水性，其附近区域不具备底板灰岩水突水的条件和威胁，行业专家的论证结论是：在采取必要的防护技术手段条件下，可以正常安全回采推过陷落柱，因此决定选择强推硬过的方式采过了恒源3#岩溶陷落柱构造。
　　3.3技术创新取得的成效
　　依据上述方案，恒源煤矿编制了《Ⅱ633工作面过陷落柱专项应急救援预案》，并进行了相应的应灾演练。而后开始了工作面硬过陷落柱的回采工作，通过6天的持续推进，顺利地采过了该岩溶陷落柱构造，回采期间经详细监测，柱体内外均未出现任何涌水现象，说明强推硬过该岩溶陷落柱的技术方案是完全正确的，也是非常成功的。
　　与其它常规的陷落柱灾害处理方案相比，避免了大量的生产建设工程，多采了约32.05万吨的煤炭。以2018年我矿原煤平均售价624.75元每吨计算，仅多采的煤炭就可多创产值20023.24万元，再加上节省的工程费用615.76万元，合计达2亿零639万元，获得了巨大的经济效益。下表2是通过技术创新而节省的工程量统计表。
　　表2 Ⅱ633工作面陷落柱防治技术创新减少的工程量统计表

　
　　3.4技术创新点
　　（1）在此之前，皖北地区乃至全国，均没有在工作面揭露陷落柱的条件下，采用强推硬过的方式穿过岩溶陷落柱构造，这是一次有理有据的大胆尝试，开创了岩溶陷落柱水害防治的先河，同时也取得了巨大的经济效益，获得了疑难地质体防治的胜利。
　　（2）创新举措的实施完全仰仗着详实的理论分析和扎实的基础探查工作，更有最新底板水害防治技术作为技术支撑，通过地面顺层多分支钻探注浆水害防治新技术的创新应用，有效地隔绝了突水通道的形成和发展，才是该陷落柱水害防治成功的关键，也才是作出重大关键决定的底气所在，在面对重大灾害风险时，没有强大的技术依据作支撑，决不能盲目的作出结论。
　　4应用效果分析
　　恒源煤矿岩溶陷落柱水害防治关键举措的应用创新，创造了巨大的经济效益。新方法不需要重新施工切眼，不需要重新拆、装综采设备，不需要施工为防已揭陷落柱段突水的止水塞，不会导致丢煤，不会造成工作面长期停产，不会产生大量的生产性投入，对类似条件下揭露陷落柱的的防治，具有很大的借鉴意义。
　　5结论及体会
　　恒源煤矿针对Ⅱ633工作面的突发水情，采用的创新应对技术方案，是成功的和高效的，是完全适合具体的水害防治环境的。但并不代表下次再误揭岩溶陷落柱，采用同样的应对方法，就能保证水害防治的成功，还需要根据具体条件区别应对，最关键的是提高异常构造的探查能力。
　　从恒源煤矿Ⅱ633工作面水害防治的实践经验来看，目前岩溶陷落柱的探查还存在着技术瓶颈，尤其是规模较小陷落柱的探查更难，这就要求我们要进一步加强煤矿构造探查新技术的研发。同时，更加注重已发现陷落拄灾害的治理，切实杜绝岩溶陷落柱重大突水灾害的发生。
　　参考文献：
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　　[3]郑士田王琦等恒源煤矿Ⅱ632及Ⅱ633工作面溫庒向斜地面顺层孔探查注浆竣工报告［R］陕西西安 2016。
　　[4]宋亦仁叶爽精准导向控制技术在矿山水害防治中的创新应用［J］中国科技投资 2018（31）；