陷落柱的发育规律及防治技术的研究

史贤章

(阳泉煤业集团一矿，山西 阳泉 045000)

1 井田陷落柱特征及发育规律

从该矿矿区岩溶陷落柱平面展布情况来看，岩溶陷落柱呈群分片出现。从井下揭露情况来看，陷落柱比较集中分布于井田的中部区域，自南往北陷落柱数量增多、密度变大。但每个陷落柱的具体位置分布没有明显的规律性，从煤层底板上看，陷落柱群的大致方向为NW-SE向，且在巨沟村背斜、烟咀-高家沟-常家沟向斜和杨家峪-红简沟-周家山背斜有大量陷落柱发育，占总数80%以上。陷落柱的形态特征是指陷落柱的三度空间形状。现以3#煤层揭露的陷落柱为例，从陷落柱的平面和剖面形态和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。

(1)平面形态

它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。一般呈椭圆形，也可呈圆形、蚕豆形或长条形等。本矿井田内的陷落柱在煤层底板上的平面投影形状大多呈椭圆形，极少数为不规则形或似圆形。陷落柱的直径大小相差悬殊，最大的直径为385m，最小的仅为10m。陷落柱长轴方向性不太明显，但大体上可以看出有三组方向较为发育。即320°～330°一组较为发育，以10°～20°、80°～90°两组次之。通过对3#煤层揭露的陷落柱长轴方向进行统计，可以得出：陷落柱长轴方向以北西方向为主，占总数的47%。

(2)剖面形态

它是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落柱形态。剖面形态与所穿透的各岩层的岩石性质有关，如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层(如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层)，则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层(如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层)，则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水平面的交角为60°-80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍是锥形柱状。陷落柱的柱体形态并不很规则，根据揭露的情况来看，陷落柱在剖面上呈切顶锥体形态出现，陷落角一般为78°～80°，一般下部比上部大。且柱体多倾斜，倾斜方向不一。

(3)陷落柱的中心轴

陷落柱的中心轴是指陷落柱各平面形态的中心点的连线。通常，中心轴垂直于所穿过的岩层层面。由于陷落柱穿过的各岩层的产状、岩石性质和裂隙发育程度常有变化，因此，中心轴大多不是垂直的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。原因分析：后期构造造成影响，柱体部分层段出现水平错位；陷落柱形成过程中，覆岩层成分密度不均，其竖向力学性质在各个方向切割力不同，使得陷落柱超薄弱一侧移动。从剖面上几个煤层揭露同一陷落柱研究，多数中轴线位置均有偏移，3号～12号煤层(层间距90米)的偏移距离最大为30～40米，12号～15号煤层(层间距40米)的偏移距离最大为20米。掌握中心轴的倾伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、下部水平陷落的平面位置非常重要。

2 陷落柱的突水防治技术研究

2.1 陷落柱突水机理

陷落柱成分繁杂多样，外部边缘受断层、穿层等影响，采矿活动造成周围围岩稳定性发生变化，出现新的裂隙。通常柱体边界多存有裂隙带、破碎带等，均为该区域岩体的薄弱带，陷落柱突水多与煤层采动相关。

2.2 陷落柱突水的防治技术

煤炭开采中，矿工要实时掌握陷落柱围岩特性及突水征兆，做好现场的预测工作，可采用超前钻探、陷落柱成分分析等手段进行鉴别。运用瞬变电磁法、地质雷达、物探技术等确定陷落柱的位置上及富水性。

陷落柱的技术预防措施分为预防类、截流灌浆两大类。预防类首先探明陷落柱的具体范围，采矿时绕行陷落柱区域，设置防水煤岩柱等；截流灌浆类通常采用堵、截、引、固等技术将渗透液或骨料注入陷落柱断裂破碎带含水层间隙等，达到固结效果，形成隔水带，以增加围岩隔水性能。该技术包含止水帽技术预注浆技术、直接封堵技术、帷幕注浆技术、引流注浆技术、巷道截流技术等。陷落柱发生水害后，对出现的空洞和采取充填，从而将动水流转换为渗透流，改良胶结效果、缩减空隙率、预注浆或截流注浆一定量后，浆液不可能通过小裂隙扩散到已封闭的较小裂隙以外的区域，该情况，引流注浆通过泵压将浆液沿着大通道流动，在引流水压差和泵压的双重作用下，流至未填充好的区域。为保障垂向导水治理效果，阻断导水通道下部水源，可设立人工阻水塞。

要结合陷落柱类型，选择适当的防治水技术。针对不充水型陷落柱可采取在其周边采用水泥砂浆加固的方式，同时在巷道中设立密闭墙；针对充水性陷落柱，生产过程中一旦揭露，首先安排人员速度撤离，并对巷道或工作面采取封闭措施，采用帷幕注浆方式，切断导水通道，达到治理目标。

3 结论

实践表明，多数陷落柱属于不导水类别，但是在采动影响下，可能演变为导水陷落柱，为此，需要正确认识陷落柱的分布规律、详尽掌握其突水机理，对于预防陷落柱突水事件、防治突水应急处理具有积极意义。