淮北桃園煤礦巖溶塌陷柱的探查與治理實踐

1覆巖結(jié)構(gòu)及覆水工程特點(diǎn)應(yīng)建立在采空影響中國一些煤礦正常開采和安全生產(chǎn)的地質(zhì)問題之一。它不僅破壞煤層,損失煤炭資源,給井巷工程的布置和施工增加困難,而且因其可能是良好的導(dǎo)水通道,使采掘場所與含水層溝通,對礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。故淮北桃園煤礦對井下發(fā)現(xiàn)的陷落柱,采用鉆探、巷探和物探等綜合勘探方法,查明了陷落柱的平面范圍、發(fā)育高度和導(dǎo)水可能性等特征,根據(jù)探查結(jié)果采用注漿加固綜合治理方法解除了治理地段的安全隱患。現(xiàn)將陷落柱的探查與綜合治理實踐介紹于下。2基巖地層分布桃園煤礦位于宿南向斜的西翼,為一走向南北、傾向東的單斜構(gòu)造。井田為巨厚松散層覆蓋下全隱蔽煤田。松散層厚280～300m,自上而下可分為4個含水層和3個隔水層,第四含水層(簡稱四含)直接覆蓋在煤系基巖露頭之上。基巖地層自下而上由奧陶系、石炭系和二疊系組成。奧陶系為隱晶～細(xì)晶厚層狀灰?guī)r,溶隙、裂隙發(fā)育,含水豐富;石炭系厚145m,以粉砂巖、泥巖與灰?guī)r相互交替沉積,夾11層灰?guī)r,灰?guī)r占本系地層厚度的30%,3、4、8、9等4層灰?guī)r厚度較大;二疊系為主要含煤地層,含可采煤層9層。其中第10煤層為本礦井主采煤層,其儲量占礦井可采量的35%。10煤層下距石炭系太原組第1層灰?guī)r法線距離54～72m。礦井開采主要受四含水和10煤底板灰?guī)r水的威脅。310煤層堆積物的出現(xiàn)桃園礦1041工作面位于四采區(qū)第一階段,所采10煤層厚3.55m,煤巖層傾角30°,軌道巷標(biāo)高-382～-387m。該地段新生界松散層厚282m,四含厚21.5m,弱含水。2000年9月29日,當(dāng)1041軌道巷施工到10號測點(diǎn)前7m時,迎頭頂幫淋水,水量1m3/h,煤層突然消失,出現(xiàn)以大塊為主,塊度大小不一雜亂無章,棱角明顯的10煤層上部巖石堆積物,其中所含鋁質(zhì)泥巖、紫色泥巖為10煤上50～60m層位的巖石,巖塊已強(qiáng)烈風(fēng)化,堆積物中含大量黃鐵礦,在與煤層接觸處形成黃鐵礦脈,周圍煤巖層向堆積物方向有3～5°傾斜,邊緣的煤層發(fā)育有走向平行于柱面切線方向的張性裂隙。當(dāng)時,初步判定為一陷落柱,冒落巖塊中沒有見到擦痕,但由于進(jìn)入煤層異常段的范圍較小,不能排除有斷層存在的可能。4失敗柱的檢測4.1鉆孔造成的地面煤巖巷道見陷落柱后,立即停頭,用巖石電鉆在巷道迎頭施工了3個探查孔。1號鉆孔深21.5m,由于漏水,加之冒落巖石風(fēng)化成粘土,糊鉆嚴(yán)重。2號孔深度17m未見正常煤巖。3號鉆孔鉆進(jìn)至31m時,出現(xiàn)大量黃鐵礦,并有少量煤屑,推測應(yīng)接近陷落柱邊緣。這些探查說明,陷落柱的范圍較大,在軌道巷前方陷落柱不含水。4.2機(jī)軌巷內(nèi)斷層打鉆后,軌道巷定向向前繼續(xù)掘進(jìn),支護(hù)形式由原錨桿支護(hù)改為11號工字鋼梯形棚支護(hù),棚距0.6m。巷道上幫施工10m,下幫施工15m后,穿過陷落柱,見正常煤層。在機(jī)巷和其附近的機(jī)軌巷施工時煤巖層均正常,沒有發(fā)現(xiàn)斷層。根據(jù)兩幫揭露陷落柱的長度分析,陷落柱中心應(yīng)在軌道巷下幫側(cè)。4.3電法探測試驗軌道巷穿過陷落柱后,采用高分辨率電測探方法對其進(jìn)行探測。儀器使用DZ-IIA型防爆數(shù)字直流電法儀,該方法可探測巷道兩幫50m內(nèi)的平面分布范圍和底板下55m范圍內(nèi)的電阻異常。探測結(jié)果見圖1、2。通過電法探測查明:a.該陷落柱直徑約50～70m,呈不規(guī)則圓形;b.從剖面上看,低阻異常呈直立狀,在1041軌道巷寬12～14m,在低阻異常區(qū)內(nèi)顯示出兩側(cè)異常值比中間更低,這表明深部水有沿陷落柱邊緣向上導(dǎo)升的趨勢,(深部水導(dǎo)升至10煤底板下約43m)與相鄰的任樓礦突水淹井的陷落柱所測的電法異常相似,這進(jìn)一步證明了陷落柱存在的可信性。4.4冒落高度測定為確定陷落柱發(fā)育高度及對上覆8煤層的影響,在陷落柱中心施工地面探查注漿孔1個。孔深281.5m見基巖,381.2m見陷落柱頂,這指示了陷落柱的冒落高度,據(jù)此排除了陷落柱直接導(dǎo)通四含水的可能性。該孔終孔深度486.75m,未見深部水向上導(dǎo)升跡象。4.5明低柱a.確認(rèn)1041軌道巷所見異常帶為一陷落柱。b.查明陷落柱在10煤段的直徑約50～70m,呈不規(guī)則圓形。c.陷落柱發(fā)育高度-365.6m,沒有達(dá)到四含,排除了陷落柱直接導(dǎo)通四含水的可能性及對8煤層開采的影響。5失敗柱的綜合處理5.1地面鉆孔的施工利用地面探查孔,對陷落進(jìn)行邊鉆邊注,注漿方式采用分段下行式,陷落柱內(nèi)分5個段次,進(jìn)行注漿。鉆孔結(jié)構(gòu):用Φ188mm鉆頭鉆至完整基巖后,下置Φ146mm套管,用水泥封閉并檢查止水效果。套管下置深度296.1m,再用Φ91mm鉆頭裸孔施工至終孔。鉆進(jìn)方式:松散層采用普通泥漿護(hù)壁,三隔以上采用機(jī)械回轉(zhuǎn)泥漿正循環(huán)無心鉆進(jìn),三隔以下至終孔采用取心鉆進(jìn)方式,以了解地層情況及松散層與基巖的接觸關(guān)系。鉆進(jìn)過程要求進(jìn)行簡易水文觀測。注漿材料:采用525號普通硅酸鹽水泥,添加2%～5%35Be水玻璃,水灰比按1∶1～0.6∶1逐級加濃。注前壓水,疏通受注層裂隙,檢查注漿系統(tǒng),并確定受注層單位吸水量,以便選擇合適的水灰比,壓水量為鉆孔體積與管路體積的2倍左右。注漿終壓為不小于受注點(diǎn)靜水壓力的1.5倍,即孔口壓力為2.5～3.0MPa,最終吸漿量不大于40L/min,最終漿液比重不高于1.4～1.5。注漿結(jié)束進(jìn)行全注段壓水試驗,孔口壓力4MPa,穩(wěn)定時間為30min。經(jīng)這一地面鉆孔共注水泥83.35t、水玻璃3t,基本封堵了深部水通過陷落柱向上導(dǎo)升的通道,為礦井開采加大了安全系數(shù)。通過壓水試驗和簡易水文觀測,證明該陷落柱導(dǎo)水性較差,為井下安全注漿提供了依據(jù)。5.2支護(hù)結(jié)構(gòu)加固為確保工作面安全回采,防止水沿巷道薄弱地帶或沿裂隙導(dǎo)入工作面,結(jié)合工作面底板電法探測資料,在軌道巷、機(jī)巷對底板和陷落柱進(jìn)行注漿加固。(圖1,機(jī)巷位于1041軌道的上方)采用75和150型鉆機(jī)打鉆,注水泥單液漿進(jìn)行加固。機(jī)巷布置4個注漿孔,軌道巷布置8個注漿孔(其中有4個鉆孔落在陷落柱柱內(nèi)),孔深50m左右,單孔注入水泥量0.25～2.15t,共注入水泥13.2t,注漿終壓8～10MPa。6工作面所遇構(gòu)造背景a.通過地面、井下打鉆注漿等綜合治理手段,消除了桃園礦1041工作面安全陷患。b.通過井下打鉆、巷探、物探、地面打鉆等綜合探查手段,查清了1041工作面所遇陷落柱的平面范圍、冒高和含水情況。c.井下電法探測是一種無損探測,其安全度高,成