煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究

3. 1 陷落柱突水机理
陷落柱柱体内部物质繁杂，柱体边缘多受断层、穿层
节理控制，垮落过程中，周边围岩又因卸荷、位移、松动、
弯曲下沉等原因，产生了一些新的裂隙，因此在有的柱体
边界处，存在有裂隙带、破碎带、泥化带，它们为该处岩 体上的软弱带［4］。
煤矿陷落柱突水与煤层采动有关，采矿活动导致围岩
强度降 低 进 而 引 发 陷 落 柱 突 水。具 体 可 概 括 为 3 种 情 况［2，5］：
针对不同类型陷落柱应有不同的防治水技术。对不充 水型陷落柱，应在柱体周围进行水泥砂浆加固，并在巷道 中施工密闭墙； 对充水型陷落柱，生产中一旦揭露必须立 即撤人，对巷道或工作面进行封闭，在地面或者地下对陷 落柱水源层进行帷幕注浆或注骨料等，将陷落柱导水通道 截断，达到防治目的。特别地，对于贯穿奥灰含水层、砂 岩裂隙含水层和第四系卵砾含水层等多层含水层的 “通天 柱”，应特别注意防范地表水体从柱体顶部灌入而造成涌突 水事故。
图 4 “凹式” 构造示意图
2 陷落柱围岩特征与周边小构造 2. 1 陷落柱围岩特征
巷道掘进过程中，在陷落柱发育区域往往展布有断层 数量、节理裂隙增多等异常现象，具体的标志有： ①弧形 的小型正断层增多，断距小，延展短，且倾向由陷落柱中 心向外，从平面上看似环状分布； ②节理裂隙异常发育， 煤、岩层破碎，地层产状发生弯曲，煤、岩层在接近陷落 柱的区域，多倾向柱体方向，如图 2 所示； ③ 煤层异常， 出现 “凹式” 结构； ④陷落柱附近煤层、片帮出现淋水加 大状况； ⑤陷落柱附近煤层出现氧化现象等。
图 2 陷落柱周边地层弯曲变形
2. 2 陷落柱周边小构造
1） 正断层。在陷落柱周围，水平径向应力小于正常地 层应力，水平切向应力大于正常地层应力，所以在陷落柱 周边，沿着断层、节理面等软弱结构面，在垂向自重应力 的作用下，易形 成 正 断 层， 一 般 倾 角 较 大， 多 成 组 出 现。 陷落柱周边正断层形成的力学模型如图 3 所示。
2） 在副井实施引流注浆工程，对三个截流孔再次加注 1629t 水泥，使陷落柱围岩裂隙得到进一步充填加固。
3） 在奥灰顶界面附近构筑 “止水帽（ 塞） ”，本次共注 入 2421t 水泥，完全阻断了陷落柱与奥灰水的水力联系。
对该陷落柱的治理共注入水泥 9010t，实现了对这一导 水岩溶陷落柱的彻底封堵，经济效益明显。
4 工程实例
徐州矿务集团张集矿 － 300 水平发生岩溶陷落柱突水，
最大突水量为 402m3 / h，短短 9 个多小时即淹井。张集矿采 用了多种防治技术对该岩溶陷落柱进行综合治理，治理工 程的实施大体可分为三步：
1） 利用巷道截流技术在 － 300 水平轨道下山布置三个 透巷钻孔，注 入 骨 料 210m3 ，水 泥 4960t，使 陷 落 柱 内 的 “管道流” 逐渐转变为 “渗透流”。
和时，地下水的存在导致 C 和 φ 都会急剧下降，由（ 1） 式
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可知，抗剪强度将降低。
3. 2 陷落柱突水的防治技术
煤矿在生产过程中，现场工人应及时掌握以上陷落柱 围岩特征与突水征兆，并进行超前钻探测，做好现场的预 测预报工作，也可通过陷落柱矿物成分鉴别，水化学成分 判别等实验手段鉴别陷落柱的存在； 工程实践方面，多利 用钻探、三维物探、 工 程 物 探、 地 质 雷 达、 槽 波 地 震、 瞬 变电磁法、直流电法、音频电透视等地球物理手段确定陷 落柱的位置或富水性，地球物理方法也是目前最有效的陷 落柱探测手段。
2） 卸压带岩层强度降低。在溶洞引起的卸压带内，垂
直和水平应力都降低，尤其是水平应力的降低，此时（ 1） 式
应为 τ = C + σH tanφ，式中 σH 为水平应力，即柱体侧压。 随着 σH 的降低，τ 将降低，抗剪强度不足以支撑柱面剪应 力时柱体将受到破坏。
3） 地下水对岩层强度的影响。当破碎带内地下水未饱
关键词： 陷落柱； 煤矿水害； 突水机理； 防治技术 中图分类号： TD74 文献标识码： B 文章编号： 1671 － 0959（2011）08-0093-03
我国北方石炭二叠纪煤田广泛分布着一种特殊的隐伏 构造，即岩溶陷落柱。它是可溶性的岩层在一定的地质环 境中，遭受构造、地应力、地下水（ 河） 等因素的影响而形 成的溶洞，而后上覆岩层或围岩受到破坏而塌陷，由于陷 落体剖面似锥形柱，故称之为岩溶陷落柱。它在我国 23 个 煤田近 50 个煤矿区均有分布，典型的矿区有山西省西山、 霍州、汾西和阳泉矿区，河北省峰峰、井陉矿区，河南的 鹤壁矿区，山东的新汶、枣陶矿区，江苏的徐州矿区等。
岩溶塌陷的形成包括： ①塌陷区域多分布现代伸展构 造，以自重应力为主，溶洞上方岩层力学性质不佳、强度 小，在自重应力的作用下形成塌陷； ②溶洞受区域性的节 理、断层、褶皱等构造因素影响，使顶部岩层或围岩破坏， 在构造应力或含水层压力的作用下垮落； ③地下水面的变 动使溶岩溶洞腔内有压水面转为无压，水面以上空间出现 低气压或真空负压，如果地下水面急剧下降，真空负压瞬 间诱导出的巨大能量对上覆岩层内部结构产生强烈而迅速 的液化旋吸掏空、塌陷和搬运等破坏作用［3］； ④溶洞受剧 烈的地壳 活 动 或 工 程 震 动 影 响 而 塌 陷，如 大 型 构 造 运 动、 火山活动、地震、工程采动等； ⑤塌陷的形成还与溶洞形 成的地层接触关系、地层倾角、发育深度、溶洞上部地层 岩性组合等有关。陷落柱形成条件分析可知，只有先形成 “岩溶腔洞”，然后满足一定的进阶条件发生塌陷才能最终 形成岩溶陷落柱。
对于煤矿陷落柱的防治，主要可采取预防类和截流注 浆类两大方面的技术措施。前者主要是在探明陷落柱发育 位置、地层层位以及小构造影响带范围的基础上，采矿工 程绕过陷落柱区域的技术措施，主要有留设防水煤岩柱等 措施； 后者主要采取 “堵”、“截”、“引”、“固” 等技术将 预先配成 的 低 渗 透 浆 液 或 骨 料 注 入 陷 落 柱、断 裂 破 碎 带、 含水层裂隙等，使之与围岩固结，在陷落柱周围岩层体中 形成低渗或阻水性质的并具有一定强度的隔水带，以起到 堵塞过水通道、充填含水层空隙、减低渗透性、增大围岩 隔水性能的作用，此类技术主要有 “止水帽（ 塞） ” 技术、 预注浆技术、直接封堵技术、帷幕注浆技术、引流注浆技 术、巷道截流技术、返流注浆技术等。
1） 采动 + σtanφ
（ 1）
式中 σ———水平应力，MPa；
C———软弱带的结合力，MPa；
φ———软弱带的内摩擦角，（ °） 。
如同采矿中煤体开挖导致应力在巷道前缘和两侧片帮
集中一样，溶洞导致地应力在柱体边缘集中，其作用方向
铅直，与柱面剪应力 τc 大体一致，且最大值应在柱面边 缘，当接近或等于柱面抗剪强度 τ 时，即 τc →τ，就可产生 柱面滑剪，诱发柱体突水。
1 岩溶陷落柱的成因与分布规律
1. 1 岩溶陷落柱的成因
陷落柱的形成主要可分为两个阶段，即溶洞发育阶段 和岩溶塌陷阶段，笔者将前者相关影响因素称为基础条件， 后者称为进阶条件。
岩溶 腔 洞 的 形 成 包 括： ① 可 溶 性 岩 层： 如 石 灰 岩 （ CaCO3 ） 、白云岩（ MgCO3 ） 、石膏（ CaSO4 ） 等岩层； ②有良 好的地下水通道： 如断层、裂隙带、破碎带、泥化带等； ③有丰富的饱和的侵蚀性水体和气体的存在： 不同水质的 水混合，发生混合溶蚀作用； 部分酸性气体与水作用后加 剧可溶性岩石的溶蚀； ④有地下水的排泄区： 大多数溶洞
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煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究
樊振丽1，2
（ 1. 中国矿业大学（ 北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083； 2. 煤炭科学研究总院，北京 100013）
摘 要： 文章从陷落柱形成的基础条件和进阶条件两方面阐述了陷落柱的形成过程，指出了 陷落柱分布规律，说明了陷落柱周围局部小构造类型及特征，分析了陷落柱突水机理，明确了陷 落柱围岩特征，最后提出了陷落柱的探测方法及陷落柱水害的防治水对策，通过系统的分析，较 全面的阐述了煤矿陷落柱水害特征及其防治技术。
2） 下伏陷落柱的 “凹式” 构造。对于发育在煤层下部 的岩溶陷落柱，当煤层接近陷落柱发育地段时，煤层倾角 会增大，倾向指向柱体，柱体上部岩层形成 “凹式” 构造， 如图 4 所示。这种构造的形成是由于煤层下部岩层由于塌 落使其失去支撑而发生弯曲下沉，类似于煤层顶板 “上三
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3 陷落柱突水机理与防治技术
一般地，陷落柱水害发生后，腔洞顶部出现空洞，井 上下注浆封堵陷落柱柱内、边缘、围岩裂隙等，或打钻联 通上部空洞并充填骨料将动水流变为渗透流，改善胶结程 度，减小裂隙、空隙率，切断导水通道。预注浆或截流注 浆一定量后，浆液不可能通过小的裂隙扩散充填到已封闭 的较小裂隙以外的区域，这时，需通过引流注浆使在泵压 驱动下沿大通道流动的浆液在引流水压差与泵压推动的合 力作用下流经未充填好的其他通道。为确保垂向导水陷落 柱的治理效果，彻底切断导水通道下部水源，常在垂向导 水通道的特定位置建立人工阻水塞，以保证被淹矿井的排 水与复矿［6］。
岩溶陷落柱水害具有隐伏性好、突发性强、危害性大、 预测防治难等特点，是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。 开滦范各庄矿 2171 综采工作面因揭露陷落柱而引发世界采 矿史上罕见的特大型突水事故，最大涌水量为 2053m3 / min， 历时近 21h，淹没了一个年产 310 万 t 的大型机械化矿井和 三个临近矿井［1］。目前，充分认识岩溶陷落柱的成因、分 布规律、局部小构造特征、突水机理与围岩特征及防治技 术对煤矿安全生产来说就显得尤其重要。
究。
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图 1 陷落柱扩径、缩径现象
图 3 陷落柱周边正断层形成的力学模型 带” 中的弯曲下沉带，层间还可能出现离层。
岩溶陷落柱形成的基础条件和进阶条件决定了其分布 区域，陷落柱多 分 布 在 灰 岩、 膏 盐 类 地 层 中， 在 构 造 带、 地下水径流排泄区附近集中分布，如山西西山煤田岩溶陷 落柱的发育就是这种情况。一般说来，在断层、褶皱集中 的地段，陷落柱的密度一般较高，断层规模越大越易出现 陷落柱，褶皱产状越陡峭，陷落柱越发育。在构造带边缘、 地下水径流排泄区，陷落柱一般成带状分布。
5结论
1） 提出溶洞的形成和岩溶塌陷分别是岩溶陷落柱形成 的基础条件和进阶条件，并从这两方面阐述岩溶陷落柱的 形成机理。
2） 陷落柱多分布在灰岩、膏盐类地层、构造带、地下 水径流排泄区等区域。
3） 陷落柱周围广泛发育有规律可寻的断层、 “凹式” 构造等，且其围岩特征明显。
4） 指出可利用陷落柱围岩特征与突水征兆、实验室试 验手段以及钻探与物探方法来预报预测陷落柱的存在。
发育在地下水径流带上； ⑤岩溶发育的水动力条件： 持续 的岩溶水交替循环发生流速场作用，使溶洞处于不断扩大 或陷落充填—蚀空—再陷落充填—再蚀空的动态变化中［2］； ⑥在地应力或者构造应力以及含水层水头压力的作用下使 岩层位置、结构、强 度、 稳 定 性、 整 体 性 遭 到 破 坏， 形 成 破碎 带，在 地 下 水 的 作 用 下 被 冲 刷、溶 蚀 形 成 “岩 溶 腔洞”。
陷落柱形成前存在区域性的 X 剪节理，岩层之间存在 着多组节理，软岩层节理密度较大，硬岩层节理密度较小。 就形态看，陷落柱一般在弱岩处扩径，强岩处缩径，形成 “糖葫芦” 状溶腔如图 1 所示，强岩层的节理面可直接为陷 落柱边界。
1. 2 岩溶陷落柱的分布规律
收稿日期： 2010 － 08 － 22 作者简介： 樊振丽（ 1983 － ） ，男，河南郑州人，博士研究生，主要从事煤矿水害、矿山环境以及煤气协调共采方面研
5） 归纳总结了煤矿陷落柱水害治理的常见技术。 目前的研究和实践证明大多数的陷落柱不充水也不导 水，但是充水型岩溶陷落柱一旦被激活，其突水水量大且 迅猛，必将造成极大的人员和财产损失。只有充分认识陷 落柱的形成机理、分布规律、突水机理以及相关征兆，才 能真正指导煤矿的安全高效生产。