沈平，杨启军，邹勇，何清锋 ，胡平
（四川川煤石洞沟煤业有限责任公司，四川省广元市）
摘要：陷落柱是对煤矿安全生产有着巨大的安全威胁，如果遇到强含水、或导水性较好陷落柱，在探查不清、治理不到位的情况下，盲目揭露施工就会在积水坛水量较大时造成煤矿淹井或巷道垮塌等安全事故发生。为此在井巷施工或回采过程前，必须利用各种手段探明、查清陷落柱的危害程度，及给施工造成的安全威胁评估，能有效避免采掘施工过程中发生安全事故。因此必须在工作面施工前对前方进行探查，查清前方地质情况采取必要的措施进行综合治理，消除安全威胁在确保安全的前提下进行施工，达到安全施工和减少投资的目的。
关键字：陷落柱 ； 安全威胁 ； 综合治理
Research on the control technology of mine water-bearing collapse column spanning empty area
Abstract:Collapse column is a huge safety threat to coal mine safety production. In case of collapse column with strong water cut or good water conductivity, blind disclosure of construction will cause safety accidents such as flooded well or roadway collapse in coal mine when the water accumulation altar is large, without clear exploration and proper treatment.Therefore, it is necessary to use all kinds of means to explore and find out the hazard degree of collapse column and evaluate the safety threat caused by the construction before the construction or the stoping process of the well and roadway, so as to effectively avoid the occurrence of safety accidents during the mining construction.Therefore, it is necessary to probe into the front before the construction of the working face, find out the geological situation in front and take necessary measures for comprehensive treatment, eliminate safety threats and carry out construction under the premise of ensuring safety, so as to achieve the purpose of safe construction and reduce investment.
The keyword:Collapse column Security threats The comprehensive control
1 陷落柱形成的概况
31325运输巷陷落柱位于+300m水平一石门见煤点向西249m，经+300m东大巷陷落柱钻孔施工，查明陷落柱东西走向长38m，南北宽26.1m。31325运输巷揭露陷落柱位置经锚杆钻机探测上部形成13.6m的松散垮落带。
该巷陷落柱总体形状为一大小不规则的圆椎体，水平切面上为椭圆形，直径大小不一，边缘围岩产状变化不大。陷落柱内充填物为砂岩（粗砂为主）碎块，充填物风化较为严重。岩性以粗粒砂岩、砾石、碎屑为主，分选性差、分布无规律,岩性物质凌乱无序，陷落柱附近煤岩层节理和裂隙较为发育，煤岩层较松散、淋水较大等状况明显。
2 陷落柱探测情况
2.1采用ZDY1200S型探放水钻机在31325运输巷碛头水平面钻孔进行施工，在掘进碛头呈扇形布置。
2.2物探探查情况
（1）碛头顶板方向
在31325运输巷分别对碛头顶板45°方向、巷道正前方、碛头底板45°方向利用瞬变电磁仪对该处进行了物探探测（详见下图）
图2-31325运输巷正前方视电阻率结果图
（3）碛头底板方向
图3-31325运输巷底板45°方向视电阻率结果图
通过物探采集的原始数据经过分析后，碛头顶板45°方向，视电阻等值线显现岩层无变化，正前方50m处、底板45°方向40m处显现与周边实体介质有一定导电性差异，经推测是由于陷落柱与煤层分界面存在裂隙，导致陷落柱周边煤岩层潮湿，物探结果显示底板区域受裂隙水影响，含水较为富有。
3 陷落柱区域地质情况
陷落柱内岩石碎块棱角明显，形状不规则，排列混乱，大小不一，岩块间出现泥沙胶结物。该陷落柱与周边围岩的接触面呈现不整合接触，岩层倾角变化较大，出现近于直立现象。
图4-陷落柱充填物质
4 陷落柱的积水量
遇陷落柱前，围岩开始破碎，条带式张性裂隙发育，裂隙大部分与岩层斜交，左帮出现明显的涌水现象，当揭露陷落柱时水位降至巷道底板；涌水量在开始时为2m3/h， 最大时为6m3/h，之后涌水量稳定在3m3/h。陷落柱内充填紧实，不含水，充填物为顶板方向垮落的零乱岩块及沙泥物质。
5 治理陷落柱的设计方案
在运输巷中设置绕道，避开陷落柱，另掘一段绕道，从绕道口安全区对陷落柱冒落岩体进行注浆加固，注浆固帮充填裂隙带后，边固巷边打锚索固巷吊顶，在岩层松软段采用11#工字钢架厢补强支护，使运输巷直接穿过陷落柱，为一条皮带直巷安装，为后期回采该段煤层的输送创造生产条件。
6 治理陷落柱的布局
6.1操作流程
①布置现场（辅助物品固定、准备风源、风管等）；
②安装 QB 型气动泵及吸、排浆管、吸浆桶；
③原料分别倒入吸浆桶中（在注浆地点空间较小时，也可直接从原料桶中吸浆），将泵的吸浆管分别放入吸浆桶中，出浆压力表控制原料 B，开启 QB 型气动泵按 1：1 的比例通过出浆管、单向逆止阀、三通混合器、注浆管等压注到注浆孔内。
6.2注浆设备选型
规模性注浆设备选择柔模混凝土制备输送机组，型号KTRHZSJ-50.井下建立注浆原料站。
6.3设备的功能
①井下柔模混凝土上料机，输送能力50m3/h，电机功率55kw，额定电压660V/1140V，额定压力16MPa，工作压力8MPa。
②井下柔模混凝土搅拌机，输送能力50m3/h，搅拌槽公称容量2300L，电机功率55kw，工作压力8MPa。
③柔模混凝土输送泵，输送量80m3/h，泵混凝土出口最大压力16MPa，料斗容积0.5m3，电机功率110kw。
6.4注浆材料
根据现场情况勘定，为确保施工安全，本次先采用注浆波雷因 PN-1 加固型高分子有机化学材料，对裂隙口、散落矸石区、裂隙发育区进行注浆凝固。
6.5注浆眼孔的布局
按照已探明的陷落柱地质资料，钻孔布置在31325运输巷绕道31325-E导线点向西9m处，钻孔口位于底板上1.8m，坡度+12°，终孔位于巷道上方4.15米，均匀布置7个钻孔，单个钻孔施工完毕，预埋注浆管（注浆管长5m，直径φ75mm，注浆管外加装高压闸阀），注浆管埋设完毕，运用膨胀封孔剂对注浆管四周加固，封孔完毕，进行注浆作业。钻孔方位角和倾角见钻孔布置平、剖面图。
图6- 注浆孔平图6-注浆孔剖面图
6.6注浆的效果评估
①采用了注浆机提升了注浆施工的进度，控制了危岩的不稳定因素。
②注浆过后保持裂隙带、构造带的稳定，避免了陷落柱区域的围岩再次垮落。
③通过探放水的实施，解决了陷落柱构造带的渗透水的积存。
④注浆后解决了巷道治理中的不可抗拒的安全隐患。
⑤为陷落柱的治理提供了安全保障。
7 二次支护巷道成型
7.1支护要求
由于陷落柱区域岩层松动、局部片帮，因此巷道在锚杆、锚索及锚网支护的基础上采用梯形架厢密集支护。
7.2支护工艺
（1）支护材料
①锚杆：锚杆选用HRB335材质，Φ20mm，长度2200mm。托盘厚度为8mm的钢板制作。
②树脂药卷型号为：①MSK2350，Φ23mm、长度500mm，每根锚杆使用1条MSK2350树脂药卷。
③锚索：锚索采用φ17.8mm钢胶线，长7100mm，每根锚索使用4条树脂药卷（锚固长度为3397mm）其中端头2条为MSK2350，底部2条为MSM2350。
（2）采用11#工字钢作金属厢架，以煤巷段开始，常规厢架间距为800mm，在陷落柱段的厢间距为500mm，空顶区采用半园木背帮绞顶，厢架架设可靠后，再采用Φ40mm的钢管双排进支架捆扎固厢，达到巷道永久支护。
7.3二次喷浆
7.3.1材料要求：
1、喷层厚度100mm； 2、喷浆等级不低于C20； 3、水泥：砂：石子为1:2:2； 4、材料：水泥——PO42.5#普通硅酸盐水泥；砂——中粗砂；石子——粒径5～10mm；水——纯洁工业用水。 5、速凝剂为水泥重量的5～8%。
7.4.2固厢的方式
金属厢材料选用11#工字钢，左侧厢腿长2500mm，右侧厢腿长2500mm，厢横梁长2200mm，除去两端支点各100mm，厢体顶部净宽2000mm。前探梁由两根4.5m长的11#工字钢梁制作而成，φ30mm圆钢制作前探梁挂钩3组。撑木由φ100m半圆木支柱而成，长1200mm。背帮材料选用水泥背板、排柴和废旧枕木，空间较大时可向内部充填煤矸石。
8 .回采中的涌水量探测
在回采接近陷落柱100m时，每月进行一次物探检测，每半月进行一次放水孔检测。
9. 放水措施
每5000mm布置一个观察孔和放水孔为一组，每组间距2m，预埋孔直径85mm，长度为8m；观察孔管径80mm；放水孔外露部分安装DG80的闸阀，作为检查放水效果的专业设备。观察孔每月进行一次物探观测。在工作面回采中，每三天进行一次放水，每月进行一次物探观测。
10 治理方案评估
1、先期探放水工作查明了陷落柱区域的含水情况，减少了内部的积水量，为后期注浆工作奠定了安全基础。
2、采用波雷因作为注浆材料，加强了陷落柱内部裂隙带的填充，提高了内部的完整性。
3、柔模输送泵的使用，提高了注浆能力，加大了注浆液的渗透面积，使陷落柱内部的裂隙带连接更加紧密，更加牢固，不易垮塌。
4、二次喷浆工艺，对巷道表面尤其是破碎部分实现了硬化，充填了凹凸区域，提高了表面的连接性，为后期架厢支护创造了有利的安全条件。
5、11#工字钢金属厢架厢支护提高了巷道围岩的安全性，实现了永久性支护，避免了二次垮塌对运输设备和人员的伤害。
6、二次补打观察和放水孔措施，有利于随时观测陷落柱内部含水情况，提前预知变化，及时进行防护措施。
11 创新点
1、物探分析
采用YCS256瞬变电磁仪对陷落柱发育范围、富水情况进行了探测。
2、快速材料的应用
波雷因 PN-1 材料的采用，可以渗透到细小的裂隙和孔隙内，浆液反应速度快而且可调，凝固体有较高的弹性，强度上升快，在几分钟内可达到最终强度的 90%以上，实现注浆液在裂隙带及钻孔内的快速凝固。
3、注浆设备的应用效果
采用柔模混凝土制备输送机组，通过搅拌机进行料搅拌，对注浆料的均匀调节。通过注浆泵的输送，提高了施工效率，提高了裂隙带的渗透力和注浆面积的实施效果，减少了人员的配料和输送。
4、二次支护产生的可靠性
（1）增加了巷道的承压力，避免了陷落柱段渗透水压力对围岩的损伤。
（2）保持了巷道的成型度。
（3）为后期回采避免巷道变形提供了可靠保证。
12 创值创效
1、直接经济效益
（1）注浆治理陷落柱后，相比采用绕道形式，可多回收陷落柱部分的煤炭(横向长度约50米)，煤炭量约3.3万吨，按照市场价400元/吨计算，可创值：3.3×400=1320万元；
（2）如果采用绕道避开陷落柱，将增加两台20米左右的刮板机以及一台200米左右的皮带机，增加成本约90万。
（3）相比绕道避开陷落柱，注浆治理后将减少掘进施工80米，按照掘进成本1800元/米，节约了：80×1800=14.4万元。
2、社会效益
（1）提高了巷道的安全性，确保了安全生产，稳定了职工收入，增加了职工的工作积极性；
（2）减少了掘进施工量，为掘进接续工作提供了保障，缓解了队伍压力；
13 结论
1、石洞沟煤矿的主要含煤地层位于上三叠系上统须家河组第七段(T3xj7)，31325运输巷所揭露的陷落柱属于膏溶陷落柱类型；
2、31325运输巷通过绕道向陷落柱冒落岩体注浆加固，实现了巷道通过陷落柱时顶板松散岩体的固化和稳定；
3、31325运输巷通过绕道向陷落柱冒落岩体注浆加固，封堵了顶板围岩的裂隙空间，减少了水和瓦斯的涌入通道，排除了巷道在陷落柱中掘进的安全隐患，确保了31325运输巷成功顺利穿过陷落柱。
作者简介：杨启军（1964-），男，高级工程师 ，四川盐亭人，从事煤矿技术管理工作三十多年。