礦井地質學-陷落柱-嘟嘟[行穩(wěn)教育]

1、巖溶陷落柱探查與治理巖溶陷落柱探查與治理 主講人：主講人： 嘟嘟嘟嘟 1 1 基本課堂 主 要 內 容 1 1概論概論 1.1 1.1 陷落柱的概念與基本特征陷落柱的概念與基本特征 1.2 1.2 陷落柱分類陷落柱分類 1.3 1.3 陷落柱對煤礦安全的危害陷落柱對煤礦安全的危害 1.4 1.4 典型陷落柱突水淹井案例典型陷落柱突水淹井案例 2 2陷落柱探查方法陷落柱探查方法 2.1 2.1 “中間層中間層”綜合水文地質試驗綜合水文地質試驗 2.2 2.2 物理探查物理探查 2.3 2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術 2.4 2.4 巷道掘進與工作面回采陷落柱探測巷道掘進與工作面

2、回采陷落柱探測 3 3陷落柱治理技術陷落柱治理技術 3.1 3.1 三段式封堵三段式封堵 3.2 3.2 “堵水塞堵水塞”建造建造 3.3 3.3 陷落柱與突水水源封堵陷落柱與突水水源封堵 3.4 3.4 不（含）導水陷落柱處理不（含）導水陷落柱處理 3.5 3.5 效果評價效果評價 2 2 基本課堂 1.1 1.1 陷落柱的概念與基本特征陷落柱的概念與基本特征 1 1）基本概念）基本概念 陷落柱是陷落柱是19371937年德國人在井陘年德國人在井陘 煤礦誤作煤礦誤作“環(huán)形斷層環(huán)形斷層”首先提出首先提出 的，后因其無序的內部結構，而的，后因其無序的內部結構，而 被稱為被稱為“矸子窩矸子窩”、“

3、無炭柱無炭柱”、 “塌陷柱塌陷柱”。19441944年日本技術年日本技術 人員將其定名為人員將其定名為“陷落柱陷落柱”。 巖溶陷落柱：巖溶陷落柱： 在石灰?guī)r等可溶性巖石地區(qū)，由在石灰?guī)r等可溶性巖石地區(qū)，由 于地下水的溶蝕作用形成洞穴，于地下水的溶蝕作用形成洞穴， 上覆非可溶性巖層向巖溶洞穴中上覆非可溶性巖層向巖溶洞穴中 塌陷的一種地質現(xiàn)象，因形成的塌陷的一種地質現(xiàn)象，因形成的 塌陷體多呈環(huán)形柱狀，俗稱巖溶塌陷體多呈環(huán)形柱狀，俗稱巖溶 陷落柱。陷落柱。 3 3 基本課堂 1.1 1.1 陷落柱的概念與基本特征陷落柱的概念與基本特征 2 2）形成機理與成因）形成機理與成因 巖溶陷落柱形成機理的代表

4、性學說有6種： 重力說，重力說， 康顏仁（康顏仁（19921992） 陷落柱形成分三個階段：首先是巖溶洞穴形成階段巖溶洞穴形成階段，地下 水沿著可溶性巖石的節(jié)理裂隙和斷層運動，使裂隙逐漸擴 大。于是大量巖溶水匯集其中，不但進行化學溶蝕，而且 進行機械侵蝕作用，頂部和兩側巖層坍塌形成溶洞；第二 階段是溶洞再擴大并形成第二層溶洞溶洞再擴大并形成第二層溶洞，由于地殼上升溶洞 也隨之擴大，還會發(fā)育第三、四層溶洞；第三階段是上覆 非可溶性巖層的塌陷，形成陷落柱非可溶性巖層的塌陷，形成陷落柱。當?shù)貧だ^續(xù)上升，地 下水位下降，不僅第一層溶洞坍塌，第二層溶洞也開始坍 塌。這樣坍塌不斷增長，當兩層溶洞的位置接近

5、一條垂直 線時，則有可能連接起來，陷落柱的高度增大，這就是為 什么有些陷落柱高度達數(shù)百米的原因。 強調溶蝕與重力作用強調溶蝕與重力作用 4 4 基本課堂 1.1 1.1 陷落柱的概念與基本特征陷落柱的概念與基本特征 膏巖說，膏巖說， 錢學博（錢學博（19601960） 陷落柱是石膏喀斯特產物。在中奧陶統(tǒng) 馬家溝組灰?guī)r中賦存有很厚的硬石膏，峰峰 組灰?guī)r中也夾有石膏層。由于地殼不斷上升， 在地下水的作用下，硬石膏水化變成石膏。 體積膨脹64%，膨脹后的石膏沿著破碎帶的 擠入上覆的巖層。然后，這種柱狀的石膏體 不斷地被地下水溶蝕，周圍的巖石塌落形成 陷落柱。 5 5 基本課堂 循環(huán)說，王銳循環(huán)說，王

6、銳 （19821982） 第階段：為于水平循環(huán)帶成虹吸循 環(huán)帶的巖溶洞隙逐漸形成并擴大，產 生頂板和兩側巖層塌陷，形成十分復 雜的溶洞。 第二階段：由于地殼的上升，溶洞繼 續(xù)擴大上升，地下水向下運動，沿著 裂隙進一步加深，且在深部形成第二 層溶洞。開始了第二循環(huán)、以后還可 以出現(xiàn)第三循環(huán)、第四個循環(huán) 第三階段：第一層溶洞繼續(xù)坍塌擴 大上覆非可溶性巖層塌陷。形成巖 溶陷落柱，當?shù)貧だ^續(xù)上升，地下水 位繼續(xù)下降時，第二層溶洞也可能開 始坍塌、這樣，兩層溶洞坍塌連接起 來，使非可溶性巖層塌陷更深。 6 6 基本課堂 真空吸蝕說，徐衛(wèi)國真空吸蝕說，徐衛(wèi)國 （19721972） 在相對密封的承壓巖溶網絡

7、地下水中，由于 地下水的排泄或地殼局部的升降等，引起巖 溶腔內地下水大幅度下降，當水位低于巖溶 腔口表面，即巖溶腔內水體由承壓轉為無壓 時，在巖溶腔內水面與巖溶蓋層之間出現(xiàn)空 穴，即巖溶空腔。逐漸增大的巖溶空腔必定 轉化為低氣壓狀態(tài)，形成真空腔（或稱負壓 腔），在真空腔內不斷下降的水面猶如巨型 吸盤，強有力的抽吸著上面巖層向下塌落， 最終形成陷落柱。 7 7 基本課堂 熱力巖溶說，陳尚平（熱力巖溶說，陳尚平（19931993） 燕山期火成巖體和熱液的侵入，造成 殘熱水和地下水復雜的循環(huán)和溶蝕作 用。高溫高壓的熱水可極大地提高碳 酸鈣的溶解度。熱水巖溶的起始點是 從矽卡巖成礦熱液生成鐵礦后殘熱水

8、 進入碳酸鹽巖開始的，這樣就可以生 成高度極大的巖溶洞穴，而且不受地 殼升降與侵蝕基準面變化的影響。當 地層褶皺隆起時，洞穴塌陷形成陷落 柱。 8 8 基本課堂 1.1 1.1 陷落柱的概念與基本特征陷落柱的概念與基本特征 CaCO3溶解試驗主要結論：溶解試驗主要結論： （1）CaCO3溶解度隨溫度的升高 而降低，但達到超臨界狀態(tài)時，溶 解度又大幅度提高； CaCO3溶解 速度隨溫度的升高而升高，當升高 到超臨界狀態(tài)時，升高速度劇增。 （2）超臨界水對CaCO3 溶解度是 近臨界水的近2倍，又因為超臨界 水對CaCO3的溶解度與時間無關， 可以推測超臨界水對石灰?guī)r的溶解 幾乎是在瞬間完成的。

9、實驗條件：超臨界水387389， 2628MPa；近臨界水301 303，28MPa。常溫水18， 2MPa。常溫條件下加入2MPa的 純CO2。 9 9 基本課堂 構造控制說構造控制說 陷落柱一般沿斷層、向斜軸部發(fā)育。 向斜軸部陷落柱成因分析示意圖向斜軸部陷落柱成因分析示意圖背斜軸部陷落柱成因分析示意圖背斜軸部陷落柱成因分析示意圖 1010 基本課堂 巖溶陷落柱的成因是以奧灰?guī)r層中地下水的巖溶陷落柱的成因是以奧灰?guī)r層中地下水的強烈交強烈交 替為條件替為條件，巖溶發(fā)育為基礎巖溶發(fā)育為基礎，巖體自重，巖體自重重力重力、地應地應 力集中力集中以及溶洞內的以及溶洞內的真空負壓三重作用為動力真空負壓三

10、重作用為動力，經，經 過迅速垮落、間歇、溶蝕、搬運、塌陷、冒落等周過迅速垮落、間歇、溶蝕、搬運、塌陷、冒落等周 而復始過程，分階段逐步形成陷落柱。而復始過程，分階段逐步形成陷落柱。 1111 基本課堂 1.1 1.1 陷落柱的概念與基本特征陷落柱的概念與基本特征 3 3）陷落柱的基本特征）陷落柱的基本特征 （1）平面上陷落柱的形狀一般為橢圓形或者是扁圓形的 陷落盆地。外圍的巖層產狀正常而連續(xù)，盆地中常常被不 同地層的巖煤的碎塊填充，無層序，混亂堆積。 （2）陷落柱的縱向上總體形態(tài)一般是上小下大的不規(guī)則 柱形，頂部多發(fā)于有一定規(guī)模的空腔，中間為松散充填物， 基底為奧奧系石灰?guī)r。 （3）導水陷落柱

11、，充填物多為松散狀，膠結程度差；不 導水陷落柱，充填物有二次膠結作用，視時間長短和膠結 物性質，膠結程度不一。 （4）陷落柱與圍巖的接觸界面多呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀， 界線明顯，有的地方表現(xiàn)為斷層， （5）陷落柱錐形體的中心軸與巖層層面近似垂直。因此， 在傾斜巖層里陷落柱也發(fā)生歪斜，在水平的投影圖上，各 煤層的陷落柱范圍并不是完全地重疊。 陷落柱柱面特征 陷落柱中心軸變化示意圖 1212 基本課堂 平面：圓形、似圓形、橢圓形、長條形和不規(guī)則形。 剖面：圓錐狀、漏斗狀和不規(guī)則狀。 1.2 1.2 陷落柱分類陷落柱分類 古陷落柱和現(xiàn)代陷落柱時代 不導（含）水陷落柱：既不含水又不導水。 含水陷落柱（充

12、水陷落柱）：柱內裂隙充水 導水陷落柱：導通陷落柱基底灰?guī)r水。 含導水性含導水性 按幾何形態(tài)按幾何形態(tài) 賦存狀態(tài)賦存狀態(tài) 發(fā)育規(guī)模發(fā)育規(guī)模 裸露型：陷落柱直接發(fā)育至地表。 覆蓋型：被第四系松散層覆蓋。 埋藏型：陷落柱發(fā)育在上覆非可溶性巖層內 分大、中、小三種1313 基本課堂 影響和制約著采區(qū)的布置、采面的劃分、計劃 的安排和采掘的接替，而且還直接導致突水，造成 人員和財產的重大損失。 1 1）礦井內隱伏陷落柱埋藏隱蔽、分布孤立、導水通道規(guī)模大，）礦井內隱伏陷落柱埋藏隱蔽、分布孤立、導水通道規(guī)模大， 且與奧灰強巖溶含水層相通，一旦發(fā)生透水，往往是重特大事且與奧灰強巖溶含水層相通，一旦發(fā)生透水，往

13、往是重特大事 故，造成被淹，甚至人員傷亡。因此，隱伏導水陷落柱的探查故，造成被淹，甚至人員傷亡。因此，隱伏導水陷落柱的探查 一直是防治水工作者長期攻關的課題。一直是防治水工作者長期攻關的課題。 2 2）未揭露的導水陷落柱從奧灰頂界面發(fā)育至煤系地層，并與）未揭露的導水陷落柱從奧灰頂界面發(fā)育至煤系地層，并與 開采煤層頂?shù)装搴畬訙贤ǎ蔀槊合岛畬拥膹姶笱a給水源，開采煤層頂?shù)装搴畬訙贤?，成為煤系含水層的強大補給水源， 在這些含水層中若井項工程揭露與陷落柱有聯(lián)系的導水裂隙時，在這些含水層中若井項工程揭露與陷落柱有聯(lián)系的導水裂隙時， 則會發(fā)生突水，不僅增加了礦井涌水量，而且威脅著礦井安全。則會發(fā)生突

14、水，不僅增加了礦井涌水量，而且威脅著礦井安全。 如某礦如某礦9 9號陷落柱最高發(fā)育至號陷落柱最高發(fā)育至7 7煤頂板，成為煤頂板，成為7 7與與1212號煤頂?shù)装逄柮喉數(shù)装?砂巖含水層、砂巖含水層、K3K3灰?guī)r含水層的補給水源，造成灰?guī)r含水層的補給水源，造成7 7煤開采時頂?shù)酌洪_采時頂?shù)?板涌水量較大，后經陷落柱治理后減少礦井涌水量板涌水量較大，后經陷落柱治理后減少礦井涌水量10m10m3 3/min/min。 3 3）導水煤炭資源受高壓水威脅不能開采，勢必造成資源浪費。）導水煤炭資源受高壓水威脅不能開采，勢必造成資源浪費。 1.3 1.3 陷落柱對煤礦安全的危害陷落柱對煤礦安全的危害 1414

15、 基本課堂 1.4 1.4 典型陷落柱突水淹井案例典型陷落柱突水淹井案例 發(fā)生地點發(fā)生地點 最大突水量最大突水量 /m3min-1 突水時間突水時間 損失程度損失程度 經濟經濟損失損失 開灤范各莊開灤范各莊2171工作面工作面20531984.6.2淹淹3井，井， 烏海駱駝山烏海駱駝山16煤回風巷煤回風巷 10832010.3.1 礦井淹沒礦井淹沒 死亡死亡32人人 邢臺東龐礦邢臺東龐礦2903工作面工作面11672003.4.12淹井，淹井，3億元億元 皖北任樓礦皖北任樓礦7222工作面工作面5761996.3.4淹井，淹井，3.5億元億元 肥城國家莊北大巷肥城國家莊北大巷5501993.1

16、.5淹井淹井 徐州張集礦徐州張集礦-300水平軌下山水平軌下山4021997.2.18淹井淹井 峰峰九龍峰峰九龍14123N工作面工作面 1202009.1.8淹井淹井 焦作李封礦東焦作李封礦東181201967.3.29淹井淹井 輝縣吳村礦輝縣吳村礦32031工作面工作面401999.11.25淹采區(qū)淹采區(qū) 安陽銅冶礦安陽銅冶礦103工作面下順槽工作面下順槽231965.8.25淹井淹井 1515 基本課堂 所謂所謂“中間層中間層”指開采煤層與奧灰之間的指開采煤層與奧灰之間的 薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層，由于導水陷落柱薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層，由于導水陷落柱 貫通貫通“中間層中間層”含水層，兩

17、者勢必發(fā)生水力聯(lián)含水層，兩者勢必發(fā)生水力聯(lián) 系。系。 井下涌水量大且衰減較小，直至穩(wěn)定，水質呈井下涌水量大且衰減較小，直至穩(wěn)定，水質呈 現(xiàn)奧灰水質特征。現(xiàn)奧灰水質特征。 以煤系薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層研究對以煤系薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層研究對 象，開展井下放水試驗，觀測煤系薄層灰?guī)r象，開展井下放水試驗，觀測煤系薄層灰?guī)r （或砂巖）含水層與奧灰含水層地下水流暢變（或砂巖）含水層與奧灰含水層地下水流暢變 化，化，圈定奧灰低水位與圈定奧灰低水位與“中間層中間層”含水層高水含水層高水 位重疊位重疊“異常區(qū)異常區(qū)”，同時進行示蹤劑連通試驗，同時進行示蹤劑連通試驗， 確認奧灰水與確認奧灰水與“中間層中間層

18、”含水層的水力聯(lián)系，含水層的水力聯(lián)系， 井下向井下向“異常區(qū)異常區(qū)”施工驗證鉆孔，進一步確認施工驗證鉆孔，進一步確認 “異常區(qū)異常區(qū)”的性質與具體位置。范各莊礦通過的性質與具體位置。范各莊礦通過 此方法確定了此方法確定了3 3個導水陷落柱。個導水陷落柱。 2.1 2.1 “中間層中間層”綜合水文地質試驗綜合水文地質試驗 奧 灰 水 位 中 間 層 水 位 中間層放水試驗圈定陷落柱示意圖中間層放水試驗圈定陷落柱示意圖1616 基本課堂 （1）三維地震 一般情況下，陷落柱內常常是松散充填物，而周邊是正常的巖層， 兩者存在著明顯的密度與速度差異，這就為地震波的識別提供了 物性前提。 2.2 2.2

19、物理探查物理探查 圖圖8 三維地震解譯陷落柱示意圖三維地震解譯陷落柱示意圖 1717 基本課堂 2.2 2.2 物理探查物理探查 異常體異常體 1818 基本課堂 2.2 2.2 物理探查物理探查 隱伏構造體的空間形態(tài) 1919 基本課堂 2.2 2.2 物理探查物理探查 瞬變電磁法勘探是一種電法勘探手段，通過對目標體探測獲取視電阻 率數(shù)據(jù)，分析視電阻率異常區(qū)范圍，推測陷落柱含導水性。該方法不能探 測陷落柱的邊界，無法確定視電阻率“異常區(qū)”的性質，通常在三維地震 基本確認陷落柱的情況下，采用該方法探測分析陷落柱的含導水性。不含 導水陷落柱由于結構松散、巖石破碎，變現(xiàn)為高阻特征；含導水陷落柱表

20、現(xiàn)為相對正常的證的低電阻率，這就是瞬變電磁探測的物性基礎。 2020 基本課堂 1616號煤層附近視電阻率異常平面圖號煤層附近視電阻率異常平面圖 2.2 2.2 物理探查物理探查 2121 基本課堂 406080100120140160180200220240260280300320340360380400 406080100120140160180200220240260280300320340360380400 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 640 660 680 7

21、00 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 16煤 奧灰頂界 9煤 原始導升高度 奧灰含水構造 1313 線視電阻率斷面圖線視電阻率斷面圖 2222 基本課堂 406080100120140160180200220240260280300320340360380400 406080100120140160180200220240260280300320340360380400 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 720 740 760 780 800

22、820 840 860 880 900 920 940 16煤大巷 9煤 16煤 奧灰頂界 突水點 奧灰含水構造 1515 線視電阻率斷面圖線視電阻率斷面圖 2323 基本課堂 研究地質構造與水文地質條件，建立已有陷落柱數(shù)據(jù)庫，研究陷 落柱發(fā)育分布規(guī)律，開發(fā)陷落柱預測軟件，陷落柱發(fā)育區(qū)進行宏 觀預測。 2.3 2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術 區(qū)段區(qū)段 指標體系指標體系 發(fā)育區(qū)段發(fā)育區(qū)段較發(fā)育區(qū)段較發(fā)育區(qū)段不發(fā)育區(qū)段不發(fā)育區(qū)段 巖巖 溶溶 陷陷 落落 柱柱 發(fā)發(fā) 育育 條條 件件 巖溶發(fā)巖溶發(fā) 育程度育程度 巖溶作用巖溶作用 與巖溶率與巖溶率 巖溶巖溶作用強、巖溶率高作用強、巖

23、溶率高 巖溶作用較強、巖溶率巖溶作用較強、巖溶率 較高較高 巖溶作用弱、巖巖溶作用弱、巖 溶率低溶率低 溶洞數(shù)量規(guī)模溶洞數(shù)量規(guī)模溶洞多、規(guī)模大溶洞多、規(guī)模大溶洞較多、規(guī)模較大溶洞較多、規(guī)模較大溶洞少、規(guī)模小溶洞少、規(guī)模小 地質構地質構 造因素造因素 區(qū)域構造背景區(qū)域構造背景 緩慢升降、間歇性上升緩慢升降、間歇性上升 特別顯著、伸展性強特別顯著、伸展性強 緩慢升降、間歇性上升緩慢升降、間歇性上升 較顯著，水平伸展作用較較顯著，水平伸展作用較 強強 升降快、幅度大、升降快、幅度大、 水平擠壓作用強水平擠壓作用強 井田構造形態(tài)井田構造形態(tài)箕狀斷陷盆地箕狀斷陷盆地地塹式盆地地塹式盆地 拗陷盆地或向斜拗

24、陷盆地或向斜 盆地盆地 褶皺發(fā)育褶皺發(fā)育數(shù)量較多數(shù)量較多數(shù)量較少數(shù)量較少沒有沒有 張性斷裂發(fā)育張性斷裂發(fā)育十分發(fā)育十分發(fā)育 比較發(fā)育，張性、壓扭比較發(fā)育，張性、壓扭 性斷裂并存性斷裂并存 不夠發(fā)育，壓扭不夠發(fā)育，壓扭 性斷裂較多性斷裂較多 滑動構造特征滑動構造特征 發(fā)育程度好、發(fā)育程度好、 滑動強度大滑動強度大 發(fā)育程度較好、發(fā)育程度較好、 滑動強度較大滑動強度較大 不發(fā)育或滑動強不發(fā)育或滑動強 度弱度弱 地下水地下水 徑流徑流 補給排泄條件補給排泄條件好好較好較好差差 2424 基本課堂 根據(jù)對影響陷落柱發(fā)育條件因素分析，并邀請3位專家打 分，最終形成預測單元A的各個指標對于陷落柱比較發(fā)育和

25、不 發(fā)育兩個評語集的隸屬度以及各指標的權重。 2.3 2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術 預測指標權重比較發(fā)育隸屬度不發(fā)育隸屬度 巖溶發(fā)育程度0.300.800.20 地質構造0.250.720.28 力學條件0.150.650.35 地下水徑流0.200.510.49 已揭露陷落柱分布特征0.100.620.38 2525 基本課堂 2.3 2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術 較發(fā)育區(qū)較發(fā)育區(qū)中心點坐標中心點坐標X中心點坐標中心點坐標Y 長軸長度長軸長度 （km） 短軸長度短軸長度 （km） 發(fā)育區(qū)面積發(fā)育區(qū)面積 （km2） A區(qū)區(qū)94.734.50.217340

26、 .171790.03059 B區(qū)區(qū)94.134.30 .720370.653030.37539 C區(qū)區(qū)93.433.81.115360.789560.70184 D區(qū)區(qū)92.633.21.476700.630900.77852 E區(qū)區(qū)92.032.31.440640.928401.05708 F區(qū)區(qū)91.431.60.696510.404920.22349 G區(qū)區(qū)90.132.60.980930.316900.26168 H區(qū)區(qū)89.332.60.742970.369880.20668 區(qū)區(qū)90.432.91.178930.186830.20125 區(qū)區(qū)90.031.60.501580.30

27、0960.12163 區(qū)區(qū)89.533.20.730820.3926370.23555 2626 基本課堂 1 1）煤層巷道掘進陷落柱探測）煤層巷道掘進陷落柱探測 東龐9203、烏海16煤回風巷、張集-300下山、任樓7222工作面均是巷道掘進后方陷落柱突破 煤壁發(fā)生滯后突水；范各莊2171工作面是掘進巷道前方煤壁突破發(fā)生突水。物探：電法超前探測， 瞬變電磁側向探，直流電法電測深等。 探測手段：探測手段： 物探：電法超前探測，瞬變電磁側向探，直流電法電測深等。 鉆探：掘進前方及側幫。 超前距控制：超前距控制： 陷落柱水探放時，用式（1）求得值，定為探放水超前距，超前距不得小于20m。 （1）

28、2.4 2.4 掘進、回采掘進、回采陷落柱探測陷落柱探測 m K P AL P 20 3 5.0 2727 基本課堂 2.4 2.4 掘進、回采掘進、回采陷落柱探測陷落柱探測 鉆探鉆探 2828 基本課堂 2.4 2.4 掘進、回采掘進、回采陷落柱探測陷落柱探測 BA1NMA2A3 2929 基本課堂 2.4 2.4 掘進、回采掘進、回采陷落柱探測陷落柱探測 探測疏松體 坑透探測技術坑透探測技術 3030 基本課堂 2.4 2.4 掘進、回采掘進、回采陷落柱探測陷落柱探測 工作面內陷落柱探測工作面內陷落柱探測 3131 基本課堂 3 3陷落柱治理技術陷落柱治理技術 治理技術發(fā)展過程大概可劃分為

29、三個階段三個階段： 第一階段（第一階段（19841984年年19961996年），年），以開灤范各莊礦2171 綜采工作面突水陷落柱 治理為代表。由于是國內外第一例陷落柱突水災害，無成功經驗借鑒，受當時 鉆探技術水平的限制，其治理技術最大特點是對突水陷落柱采用分段下行式注 漿實施全面封堵，共注入水泥70000噸，各類骨料35400m3，注漿孔35個、進 尺23000m； 第二階段（第二階段（19961996年年20062006年），年），在該階段陷落柱內“堵水塞”技術廣泛應用， 即在突水陷落柱內預定層位，通過鉆孔注漿建造一定長度的“堵水塞”，截斷 陷落柱突水通道。如皖北任樓7277工作面陷落柱

30、、徐州張集-300m水平陷落柱 及開灤范各莊10#陷落柱治理工程。 由于采用普通地質鉆機施工，其缺點是無 法在松散柱體內精確控制鉆進方向，陷落柱內鉆孔軌跡形同“蛇形”，因此也 稱“蛇形”鉆進； 第三階段（第三階段（20062006年今），年今），隨著美國雪姆公司汽車鉆機的引進，定向分支造 孔技術得以大量應用，使陷落柱內“堵水塞”建造技術更加成熟和完善。如東 龐礦2903工作面突水陷落柱，采用該項技術確保鉆孔在陷落柱松散體內精確定 向鉆進，形成了以定向分支造孔、充填注漿、升壓注漿、引流注漿和加固注漿 為主的“堵水塞”建造技術，該項目獲2010年度國家科技進步二等獎。另外， 本階段發(fā)生了兩次下組煤

31、開采陷落柱突水淹井災害，如峰峰九龍礦12423N工 作面陷落柱和神華烏海駱駝山16煤回風巷陷落柱突水。與以往不同的是突水陷 落柱隱伏于開采煤層之下，由于陷落柱在煤系地層發(fā)育高度有限，開采煤層距 離奧灰含水層較近，因此，均采用突水陷落柱與水源封堵方案 3232 基本課堂 3 3陷落柱治理技術陷落柱治理技術 突水事故突水事故 開灤范各開灤范各莊莊 2171工作面工作面 邢臺東龐邢臺東龐 2903工作面工作面 烏海駱駝山烏海駱駝山 16煤回風巷煤回風巷 皖北任樓皖北任樓 7222工作面工作面 徐州張集徐州張集 -300m下山下山 峰峰九龍峰峰九龍 14123工作面工作面 時間時間1984.6.220

32、03年年4.122010.3,11996.3.41997.2.182009.1.8 水量水量(m3/h)123180700006500034570240987200 水壓水壓(MPa)3.05.22.33.17.5 開采煤層與奧開采煤層與奧 灰距離灰距離 16012035 距太灰距太灰165 奧灰奧灰290 4565 突水方式突水方式 掘進前方突破掘進前方突破 煤壁突水煤壁突水 掘進后方掘進后方10m突突 破巷道煤壁突水破巷道煤壁突水 掘進后方掘進后方 2m巷道側巷道側 煤壁突破煤壁突破 掘進后方突破掘進后方突破 煤壁突水煤壁突水 巷道掘進后方巷道掘進后方 4m底板底板 回采后方回采后方30m

33、突破突破 煤層底板煤層底板 損失情況損失情況 礦井淹沒礦井淹沒 死亡死亡13人人 礦井淹沒礦井淹沒 礦井淹沒礦井淹沒 死亡死亡32人人 礦井淹沒礦井淹沒礦井被淹礦井被淹礦井淹沒礦井淹沒 治理方案治理方案 全面封堵全面封堵 陷落柱陷落柱 巷道封堵巷道封堵+堵水塞堵水塞 建造建造 巷道封堵巷道封堵+堵水塞堵水塞 建造建造 巷道封堵巷道封堵+堵水堵水 塞建造塞建造 巷道封堵巷道封堵+堵水堵水 塞建造塞建造 封堵陷落柱封堵陷落柱+封堵封堵 奧灰水源奧灰水源 國內典型陷落柱突水淹井治理方案匯總表國內典型陷落柱突水淹井治理方案匯總表 3333 基本課堂 3 3陷落柱治理技術陷落柱治理技術 3.1 3.1

34、三段式封堵三段式封堵( (以范各莊以范各莊21712171為例）為例） （1）上部骨料充填 對陷落柱上部空腔充填骨料，壓實陷落柱內松石堆積物，防 治陷落柱進一步向上發(fā)育。 （2）中部注漿堵截導水通道在12煤底板至K3灰之間建造長 約100m的“堵水塞”。 （3）下部水源封堵 在基底奧灰含水層段進行充填灌漿，攔截突水水源，對 “堵水塞”起到支撐作用。 3434 基本課堂 3.13.1三段式封堵三段式封堵 ( (以范各莊以范各莊21712171為例）為例） 呂 家 坨 礦 范 各 莊 礦 錢 家 營 礦 （ 在 建 ） 林 西 礦 唐 家 莊 礦 趙 各 莊 礦 京 山 鐵 路 古 冶 主 井 +

35、27 -300 -400 -500 -600 5煤 7煤 9煤 12煤 14煤 K3煤 O2 201028 317 345 頂 部 充填加壓段 380 520 中部注漿 堵 截 段 下部堵水 加 固 段 石渣：25831.9m3 砂：1437.99m3 合計：27269m3 水泥：7200t 水玻璃：800m3 結石體：7100m3 水泥：40400t 水玻璃：3298.8m3 結石體：40000m3 水泥：3000t 水玻璃：300m3 結石體：3000m3 水泥：11103.01t 水玻璃：835.65m3 粉煤灰：228.92m3 砂：2943.43m3 3535 基本課堂 3 3陷落柱

36、治理技術陷落柱治理技術 3.2 3.2 “堵水塞堵水塞”建造建造 （1 1）過水巷道）過水巷道“阻水墻阻水墻”建造建造 在突水構造不明的條件下，如過水巷道位置資料準確，位置在突水構造不明的條件下，如過水巷道位置資料準確，位置 清楚，可先期在過水巷道中實施清楚，可先期在過水巷道中實施“阻水墻阻水墻”建造，進行堵巷建造，進行堵巷 截流，實現(xiàn)早日復礦之目的。截流，實現(xiàn)早日復礦之目的。 -485.35 -486.39 -454.7 -454.4 -480.6 -484.4 -478.7 -478.2 -476.4 -478.0 -479.2 -475.3 -469.9 -464.0 -464.2 -4

37、58.2 -456.9 -452.4 -455.6 -441.5 -428.9 -426.1 -436.7 -441.4 -450.1 -423.6 -416.8 -475.1 -474.5 -474.4 -475.7 3636 基本課堂 3.2 3.2 “堵水塞堵水塞”建造建造 快快 速速 定定 向向 鉆鉆 進進 骨骨 料料 灌灌 注注 阻阻 水水 墻墻 建建 造造 旋噴注漿旋噴注漿 充填注漿充填注漿 升壓注漿升壓注漿 引流注漿引流注漿 3737 基本課堂 阻水墻建造流程圖阻水墻建造流程圖 水 流 方 向 鉆 孔 鉆 孔鉆 孔 第 一 步 ： 動 水 灌 注 骨 料 ， 保 證 充 滿 充

38、分 接 頂 ， 形 成 骨 料 堵 截 斷 面 水 流 方 向 鉆 孔 鉆 孔鉆 孔 第 二 步 ： 水 泥 漿 旋 噴 固 結 骨 料 ， 形 成 孤 立 的 混 凝 土 堵 截 斷 面 水 流 方 向 鉆 孔 鉆 孔鉆 孔 第 三 步 ： 中 間 加 密 鉆 孔 灌 注 水 泥 漿 ， 形 成 整 體 阻 水 墻 加 密 鉆 孔 加 密 鉆 孔 鉆 孔 鉆 孔鉆 孔 第 四 步 ： 所 有 鉆 孔 進 入 巷 道 底 板 ， 進 行 升 壓 注 漿 ， 提 高 墻 體 強 度 和 抗 滲 能 力 ， 注 漿 封 堵 頂 底 板 繞 流 裂 隙 。 加 密 鉆 孔 加 密 鉆 孔 3838

39、基本課堂 （2 2）“堵水塞堵水塞”建造建造 最下部可采層煤層之下，采動應力 波及不到； 阻斷所有影響煤層開采的含水層補 給通道； “堵水塞”長度應能抵抗最大靜水 壓力。 39基本課堂 階段階段 充填注漿充填注漿 升壓注漿升壓注漿 引流注漿引流注漿 加固注漿加固注漿 鉆孔鉆孔 一序孔初期一序孔初期 一序孔中后期一序孔中后期 二、三序前期二、三序前期 三序孔后期三序孔后期 二、三序孔后期，二、三序孔后期， 質檢孔質檢孔 漿液漿液 類型類型 水灰比水灰比0.8:10.8:1、1:11:1，加，加 早強劑早強劑 1:11:1的早強漿液為主的早強漿液為主 1:11:1的純水泥漿液的純水泥漿液 為主為主

40、 1.3:11.3:1、1:11:1的純的純 水泥漿液為主水泥漿液為主 注漿注漿 條件條件 靜水靜水 無壓無壓 定量定量200-240m200-240m3 3 注漿時間注漿時間12-1512-15小時小時 靜水，注前壓水逐漸靜水，注前壓水逐漸 升壓升壓 定量定量130-150m130-150m3 3 注漿時間注漿時間10-1210-12小時小時 動水動水 孔口顯壓控孔口顯壓控 制定量制定量60-80m60-80m3 3 注漿時間注漿時間5-65-6小時小時 孔口壓力孔口壓力 2MPa2MPa 定量定量80-100m80-100m3 3 注漿時間注漿時間6-86-8小時小時 目標目標 充填大裂隙

41、、大通道充填大裂隙、大通道 封堵主要過水通道，構封堵主要過水通道，構 筑堵水塞主體構架筑堵水塞主體構架 封堵較大裂隙、溶隙封堵較大裂隙、溶隙 鞏固前期效果鞏固前期效果 封堵小裂隙通道，封堵小裂隙通道， 進一步減少水量進一步減少水量 封堵殘留微小裂隙封堵殘留微小裂隙 （孔隙）及邊緣裂（孔隙）及邊緣裂 隙，加強堵水塞封隙，加強堵水塞封 堵效果堵效果 40基本課堂 （2 2）“堵水塞堵水塞”建造建造 41基本課堂 3.3 3.3 陷落柱與突水水源封堵陷落柱與突水水源封堵 當突水陷落柱位于開采煤層之下或進入煤系地層層位較低時， 建造“堵水塞”長度不足，則采用突水陷落柱與奧灰水源封堵方案。峰 峰集團的九

42、龍礦、烏海能源駱駝山礦的陷落柱采用該方案取得成功。 主要工藝技術： （1）定向分支鉆孔技術。 （2）分段下行式注漿法，定量間歇注漿工藝。 （3）陷落柱內水泥-骨料反過濾注漿技術。 在對突水陷落柱灌注骨料的同時，對奧灰上部注漿，水泥漿液 沿水流通道上行、骨料沿陷落柱通道下行，實現(xiàn)骨料與漿液在陷落柱通 道中的混合，達到了快速封堵通道的目的。 42基本課堂 T1終 孔 垂 深 449.67m 陷 落 柱 發(fā) 育 區(qū)導 水 裂 隙 發(fā) 育 區(qū) z2-1掉 鉆 409.5-422m T1-5 443-445裂 隙 T1 Z1 Z2 Z3 底鼓區(qū)域 Z1-1 515 480 512 408 513 409

43、 420 455 441 Z2-1 Z3-1 北 0m5m 10m 陷落柱發(fā)育范圍 裂隙發(fā)育范圍 43基本課堂 3.4 3.4 不（含）導水陷落柱處理不（含）導水陷落柱處理 （1 1）直接推采）直接推采 對于井巷揭露的未發(fā)生突水陷落柱，應進一步查對于井巷揭露的未發(fā)生突水陷落柱，應進一步查 明陷落柱的形態(tài)特征、開采煤層底板陷落柱充填特征與邊明陷落柱的形態(tài)特征、開采煤層底板陷落柱充填特征與邊 緣裂隙特征緣裂隙特征, ,經水文地質條件安全評價后，確認采動破壞不經水文地質條件安全評價后，確認采動破壞不 會造成陷落柱會造成陷落柱“活化活化”，引起采后突水時，可直接推采。，引起采后突水時，可直接推采。 安全評價的主要內容是：安全評價的主要內容是：陷落柱充填物的強度、陷落柱充填物的強度、 膠結特征、鉆孔漏失情況、底板破壞深度，以及陷落柱基膠結特征、鉆孔漏失情況、底板破壞深度，以及陷落柱基 底奧灰含水層富水性、水壓等。底奧灰含水層富水性、水壓等。 a: a: 陷落柱基