1、岩溶陷落柱探查与治理岩溶陷落柱探查与治理主 要 内 容1概论概论1.1 陷落柱的概念与基本特征陷落柱的概念与基本特征1.2 陷落柱分类陷落柱分类1.3 陷落柱对煤矿安全的危害陷落柱对煤矿安全的危害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陷落柱探查方法陷落柱探查方法2.1“中间层中间层”综合水文地质试验综合水文地质试验2.2 物理探查物理探查2.3 陷落柱发育区预测技术陷落柱发育区预测技术2.4 巷道掘进与工作面回采陷落柱探测巷道掘进与工作面回采陷落柱探测3陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.1 三段式封堵三段式封堵3.2“堵水塞堵水塞”建造建造3.3 陷落柱与突水水源封堵陷落柱与突水
2、水源封堵3.4 不（含）导水陷落柱处理不（含）导水陷落柱处理3.5 效果评价效果评价1.1 陷落柱的概念与基本特征陷落柱的概念与基本特征 1）基本概念）基本概念陷落柱是陷落柱是1937年德国人在井陉煤年德国人在井陉煤矿误作矿误作“环形断层环形断层”首先提出的首先提出的，后因其无序的内部结构，而被，后因其无序的内部结构，而被称为称为“矸子窝矸子窝”、“无炭柱无炭柱”、“塌陷柱塌陷柱”。1944年日本技术人年日本技术人员将其定名为员将其定名为“陷落柱陷落柱”。岩溶陷落柱：岩溶陷落柱：在石灰岩等可溶性岩石地区，由在石灰岩等可溶性岩石地区，由于地下水的溶蚀作用形成洞穴，于地下水的溶蚀作用形成洞穴，上覆
3、非可溶性岩层向岩溶洞穴中上覆非可溶性岩层向岩溶洞穴中塌陷的一种地质现象，因形成的塌陷的一种地质现象，因形成的塌陷体多呈环形柱状，俗称岩溶塌陷体多呈环形柱状，俗称岩溶陷落柱。陷落柱。1.1 陷落柱的概念与基本特征陷落柱的概念与基本特征2）形成机理与成因）形成机理与成因岩溶陷落柱形成机理的代表性学说有6种：重力说，重力说，康颜仁（康颜仁（1992）陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段岩溶洞穴形成阶段，地下水沿着可溶性岩石的节理裂隙和断层运动，使裂隙逐渐扩大。于是大量岩溶水汇集其中，不但进行化学溶蚀，而且进行机械侵蚀作用，顶部和两侧岩层坍塌形成溶洞；第二阶段是溶洞再扩大并形成第二层溶洞溶洞再
4、扩大并形成第二层溶洞，由于地壳上升溶洞也随之扩大，还会发育第三、四层溶洞；第三阶段是上覆非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱。当地壳继续上升，地下水位下降，不仅第一层溶洞坍塌，第二层溶洞也开始坍塌。这样坍塌不断增长，当两层溶洞的位置接近一条垂直线时，则有可能连接起来，陷落柱的高度增大，这就是为什么有些陷落柱高度达数百米的原因。强调溶蚀与重力作用强调溶蚀与重力作用1.1 陷落柱的概念与基本特征陷落柱的概念与基本特征 膏岩说，膏岩说，钱学博（钱学博（1960）陷落柱是石膏喀斯特产物。在中奥陶统马家沟组灰岩中赋存有很厚的硬石膏，峰峰组灰岩中也夹有石膏层。由于地壳不断上升，在地
5、下水的作用下，硬石膏水化变成石膏。体积膨胀64%，膨胀后的石膏沿着破碎带的挤入上覆的岩层。然后，这种柱状的石膏体不断地被地下水溶蚀，周围的岩石塌落形成陷落柱。循环说，王锐（循环说，王锐（1982）第阶段：为于水平循环带成虹吸循环带的岩溶洞隙逐渐形成并扩大，产生顶板和两侧岩层塌陷，形成十分复杂的溶洞。第二阶段：由于地壳的上升，溶洞继续扩大上升，地下水向下运动，沿着裂隙进一步加深，且在深部形成第二层溶洞。开始了第二循环、以后还可以出现第三循环、第四个循环第三阶段：第一层溶洞继续坍塌扩大上覆非可溶性岩层塌陷。形成岩溶陷落柱，当地壳继续上升，地下水位继续下降时，第二层溶洞也可能开始坍塌、这样，两层溶洞
6、坍塌连接起来，使非可溶性岩层塌陷更深。真空吸蚀说，徐卫国真空吸蚀说，徐卫国（1972）在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于地下水的排泄或地壳局部的升降等，引起岩溶腔内地下水大幅度下降，当水位低于岩溶腔口表面，即岩溶腔内水体由承压转为无压时，在岩溶腔内水面与岩溶盖层之间出现空穴，即岩溶空腔。逐渐增大的岩溶空腔必定转化为低气压状态，形成真空腔（或称负压腔），在真空腔内不断下降的水面犹如巨型吸盘，强有力的抽吸着上面岩层向下塌落，最终形成陷落柱。热力岩溶说，陈尚平（热力岩溶说，陈尚平（1993）燕山期火成岩体和热液的侵入，造成残热水和地下水复杂的循环和溶蚀作用。高温高压的热水可极大地提高碳酸钙的溶解
7、度。热水岩溶的起始点是从矽卡岩成矿热液生成铁矿后残热水进入碳酸盐岩开始的，这样就可以生成高度极大的岩溶洞穴，而且不受地壳升降与侵蚀基准面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷形成陷落柱。1.1 陷落柱的概念与基本特征陷落柱的概念与基本特征CaCO3溶解试验主要结论：溶解试验主要结论：（1）CaCO3溶解度随温度的升高而降低，但达到超临界状态时，溶解度又大幅度提高；CaCO3溶解速度随温度的升高而升高，当升高到超临界状态时，升高速度剧增。（2）超临界水对CaCO3 溶解度是近临界水的近2倍，又因为超临界水对CaCO3的溶解度与时间无关，可以推测超临界水对石灰岩的溶解几乎是在瞬间完成的。实验条件：
8、超临界水387389，2628MPa；近临界水301303，28MPa。常温水18，2MPa。常温条件下加入2MPa的纯CO2。构造控制说构造控制说陷落柱一般沿断层、向斜轴部发育。向斜轴部陷落柱成因分析示意图向斜轴部陷落柱成因分析示意图背斜轴部陷落柱成因分析示意图背斜轴部陷落柱成因分析示意图 岩溶陷落柱的成因是以奥灰岩层中地岩溶陷落柱的成因是以奥灰岩层中地下水的下水的强烈交替为条件强烈交替为条件，岩溶发育为岩溶发育为基础基础，岩体自重，岩体自重重力重力、地应力集中地应力集中以以及溶洞内的及溶洞内的真空负压三重作用为动力真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、间歇、溶蚀、搬运，经过迅速垮落、间歇、
9、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始过程，分阶、塌陷、冒落等周而复始过程，分阶段逐步形成陷落柱。段逐步形成陷落柱。1.1 陷落柱的概念与基本特征陷落柱的概念与基本特征3）陷落柱的基本特征）陷落柱的基本特征（1）平面上陷落柱的形状一般为椭圆形或者是扁圆形的陷落盆地。外围的岩层产状正常而连续，盆地中常常被不同地层的岩煤的碎块填充，无层序，混乱堆积。（2）陷落柱的纵向上总体形态一般是上小下大的不规则柱形，顶部多发于有一定规模的空腔，中间为松散充填物，基底为奥奥系石灰岩。（3）导水陷落柱，充填物多为松散状，胶结程度差；不导水陷落柱，充填物有二次胶结作用，视时间长短和胶结物性质，胶结程度不一。（4）陷落柱与
10、围岩的接触界面多呈现出不规则的锯齿状，界线明显，有的地方表现为断层，（5）陷落柱锥形体的中心轴与岩层层面近似垂直。因此，在倾斜岩层里陷落柱也发生歪斜，在水平的投影图上，各煤层的陷落柱范围并不是完全地重叠。陷落柱柱面特征陷落柱中心轴变化示意图平面：圆形、似圆形、椭圆形、长条形和不规则形。剖面：圆锥状、漏斗状和不规则状。1.2 陷落柱分类陷落柱分类 古陷落柱和现代陷落柱时代 不导（含）水陷落柱：既不含水又不导水。含水陷落柱（充水陷落柱）：柱内裂隙充水 导水陷落柱：导通陷落柱基底灰岩水。含导水性含导水性按几何形态按几何形态赋存状态赋存状态发育规模发育规模裸露型：陷落柱直接发育至地表。覆盖型：被第四系
11、松散层覆盖。埋藏型：陷落柱发育在上覆非可溶性岩层内分大、中、小三种 影响和制约着采区的布置、采面的划分、计划的安排和采掘的接替，而且还直接导致突水，造成人员和财产的重大损失。1）矿井内隐伏陷落柱埋藏隐蔽、分布孤立、导水通道规模大，）矿井内隐伏陷落柱埋藏隐蔽、分布孤立、导水通道规模大，且与奥灰强岩溶含水层相通，一旦发生透水，往往是重特大事故且与奥灰强岩溶含水层相通，一旦发生透水，往往是重特大事故，造成被淹，甚至人员伤亡。因此，隐伏导水陷落柱的探查一直，造成被淹，甚至人员伤亡。因此，隐伏导水陷落柱的探查一直是防治水工作者长期攻关的课题。是防治水工作者长期攻关的课题。2）未揭露的导水陷落柱从奥灰顶界
12、面发育至煤系地层，并与开）未揭露的导水陷落柱从奥灰顶界面发育至煤系地层，并与开采煤层顶底板含水层沟通，成为煤系含水层的强大补给水源，在采煤层顶底板含水层沟通，成为煤系含水层的强大补给水源，在这些含水层中若井项工程揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则这些含水层中若井项工程揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着矿井安全。会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着矿井安全。如某矿如某矿9号陷落柱最高发育至号陷落柱最高发育至7煤顶板，成为煤顶板，成为7与与12号煤顶底板砂号煤顶底板砂岩含水层、岩含水层、K3灰岩含水层的补给水源，造成灰岩含水层的补给水源，造成7煤
13、开采时顶底板涌煤开采时顶底板涌水量较大，后经陷落柱治理后减少矿井涌水量水量较大，后经陷落柱治理后减少矿井涌水量10m3/min。3）导水煤炭资源受高压水威胁不能开采，势必造成资源浪费。）导水煤炭资源受高压水威胁不能开采，势必造成资源浪费。1.3 陷落柱对煤矿安全的危害陷落柱对煤矿安全的危害1.4 典型陷落柱突水淹井案例典型陷落柱突水淹井案例发生地点发生地点最大突水量最大突水量/m3min-1突水时间突水时间损失程度损失程度经济经济损失损失开滦范各庄开滦范各庄2171工作面工作面20531984.6.2淹淹3井，井，乌海骆驼山乌海骆驼山16煤回风巷煤回风巷10832010.3.1矿井淹没矿井淹没
14、死亡死亡32人人邢台东庞矿邢台东庞矿2903工作面工作面11672003.4.12淹井，淹井，3亿元亿元皖北任楼矿皖北任楼矿7222工作面工作面5761996.3.4淹井，淹井，3.5亿元亿元肥城国家庄北大巷肥城国家庄北大巷5501993.1.5淹井淹井徐州张集矿徐州张集矿-300水平轨下山水平轨下山4021997.2.18淹井淹井峰峰九龙峰峰九龙14123N工作面工作面1202009.1.8淹井淹井焦作李封矿东焦作李封矿东181201967.3.29淹井淹井辉县吴村矿辉县吴村矿32031工作面工作面401999.11.25淹采区淹采区安阳铜冶矿安阳铜冶矿103工作面下顺槽工作面下顺槽2319
15、65.8.25淹井淹井 所谓所谓“中间层中间层”指开采煤层与指开采煤层与奥灰之间的薄层灰岩（或砂岩）含奥灰之间的薄层灰岩（或砂岩）含水层，由于导水陷落柱贯通水层，由于导水陷落柱贯通“中间中间层层”含水层，两者势必发生水力联含水层，两者势必发生水力联系。系。井下涌水量大且衰减较小，直至稳井下涌水量大且衰减较小，直至稳定，水质呈现奥灰水质特征。定，水质呈现奥灰水质特征。以煤系薄层灰岩（或砂岩）含以煤系薄层灰岩（或砂岩）含水层研究对象，开展井下放水试验水层研究对象，开展井下放水试验，观测煤系薄层灰岩（或砂岩）含，观测煤系薄层灰岩（或砂岩）含水层与奥灰含水层地下水流畅变化水层与奥灰含水层地下水流畅变化
16、，圈定奥灰低水位与圈定奥灰低水位与“中间层中间层”含含水层高水位重叠水层高水位重叠“异常区异常区”，同时，同时进行示踪剂连通试验，确认奥灰水进行示踪剂连通试验，确认奥灰水与与“中间层中间层”含水层的水力联系，含水层的水力联系，井下向井下向“异常区异常区”施工验证钻孔，施工验证钻孔，进一步确认进一步确认“异常区异常区”的性质与具的性质与具体位置。范各庄矿通过此方法确定体位置。范各庄矿通过此方法确定了了3个导水陷落柱。个导水陷落柱。2.1“中间层中间层”综合水文地质试验综合水文地质试验奥 灰 水 位中 间 层 水 位中间层放水试验圈定陷落柱示意图中间层放水试验圈定陷落柱示意图（1）三维地震一般情况
17、下，陷落柱内常常是松散充填物，而周边是正常的岩层，两者存在着明显的密度与速度差异，这就为地震波的识别提供了物性前提。2.2 物理探查物理探查图图8 三维地震解译陷落柱示意图三维地震解译陷落柱示意图2.2 物理探查物理探查异常体异常体2.2 物理探查物理探查隐伏构造体的空间形态2.2 物理探查物理探查 瞬变电磁法勘探是一种电法勘探手段，通过对目标体探测获取视电阻率数据，分析视电阻率异常区范围，推测陷落柱含导水性。该方法不能探测陷落柱的边界，无法确定视电阻率“异常区”的性质，通常在三维地震基本确认陷落柱的情况下，采用该方法探测分析陷落柱的含导水性。不含导水陷落柱由于结构松散、岩石破碎，变现为高阻特
18、征；含导水陷落柱表现为相对正常的证的低电阻率，这就是瞬变电磁探测的物性基础。1616号煤层附近视电阻率异常平面图号煤层附近视电阻率异常平面图2.2 物理探查物理探查40608010012014016018020022024026028030032034036038040040608010012014016018020022024026028030032034036038040064066068070072074076078080082084086088090092094096098010006406606807007207407607808008208408608809009209409609
19、80100016煤奥灰顶界9煤原始导升高度奥灰含水构造1313线视电阻率断面图线视电阻率断面图40608010012014016018020022024026028030032034036038040040608010012014016018020022024026028030032034036038040072074076078080082084086088090092094072074076078080082084086088090092094016煤大巷9煤16煤奥灰顶界突水点奥灰含水构造1515线视电阻率断面图线视电阻率断面图 研究地质构造与水文地质条件，建立已有陷落柱数据库，研究陷落
20、柱发育分布规律，开发陷落柱预测软件，陷落柱发育区进行宏观预测。2.3 陷落柱发育区预测技术陷落柱发育区预测技术区段区段指标体系指标体系发育区段发育区段较发育区段较发育区段不发育区段不发育区段岩岩溶溶陷陷落落柱柱发发育育条条件件岩溶发岩溶发育程度育程度岩溶作用岩溶作用与岩溶率与岩溶率岩溶岩溶作用强、岩溶率高作用强、岩溶率高岩溶作用较强、岩溶率岩溶作用较强、岩溶率较高较高岩溶作用弱、岩岩溶作用弱、岩溶率低溶率低溶洞数量规模溶洞数量规模溶洞多、规模大溶洞多、规模大溶洞较多、规模较大溶洞较多、规模较大溶洞少、规模小溶洞少、规模小地质构地质构造因素造因素区域构造背景区域构造背景缓慢升降、间歇性上升缓慢升
21、降、间歇性上升特别显著、伸展性强特别显著、伸展性强缓慢升降、间歇性上升缓慢升降、间歇性上升较显著，水平伸展作用较较显著，水平伸展作用较强强升降快、幅度大、升降快、幅度大、水平挤压作用强水平挤压作用强井田构造形态井田构造形态箕状断陷盆地箕状断陷盆地地堑式盆地地堑式盆地拗陷盆地或向斜拗陷盆地或向斜盆地盆地褶皱发育褶皱发育数量较多数量较多数量较少数量较少没有没有张性断裂发育张性断裂发育十分发育十分发育比较发育，张性、压扭比较发育，张性、压扭性断裂并存性断裂并存不够发育，压扭不够发育，压扭性断裂较多性断裂较多滑动构造特征滑动构造特征发育程度好、发育程度好、滑动强度大滑动强度大发育程度较好、发育程度较好
22、、滑动强度较大滑动强度较大不发育或滑动强不发育或滑动强度弱度弱地下水地下水径流径流补给排泄条件补给排泄条件好好较好较好差差 根据对影响陷落柱发育条件因素分析，并邀请3位专家打分，最终形成预测单元A的各个指标对于陷落柱比较发育和不发育两个评语集的隶属度以及各指标的权重。2.3 陷落柱发育区预测技术陷落柱发育区预测技术预测指标权重比较发育隶属度不发育隶属度岩溶发育程度0.300.800.20地质构造0.250.720.28力学条件0.150.650.35地下水径流0.200.510.49已揭露陷落柱分布特征0.100.620.382.3 陷落柱发育区预测技术陷落柱发育区预测技术较发育区较发育区中心
23、点坐标中心点坐标X中心点坐标中心点坐标Y长轴长度长轴长度（km）短轴长度短轴长度（km）发育区面积发育区面积（km2）A区区94.734.50.217340.171790.03059B区区94.134.30.720370.653030.37539C区区93.433.81.115360.789560.70184D区区92.633.21.476700.630900.77852E区区92.032.31.440640.928401.05708F区区91.431.60.696510.404920.22349G区区90.132.60.980930.316900.26168H区区89.332.60.7429
24、70.369880.20668区区90.432.91.178930.186830.20125区区90.031.60.501580.300960.12163区区89.533.20.730820.3926370.23555 1）煤层巷道掘进陷落柱探测）煤层巷道掘进陷落柱探测 东庞9203、乌海16煤回风巷、张集-300下山、任楼7222工作面均是巷道掘进后方陷落柱突破煤壁发生滞后突水；范各庄2171工作面是掘进巷道前方煤壁突破发生突水。物探：电法超前探测，瞬变电磁侧向探，直流电法电测深等。探测手段：探测手段：物探：电法超前探测，瞬变电磁侧向探，直流电法电测深等。钻探：掘进前方及侧帮。超前距控制：超
25、前距控制：陷落柱水探放时，用式（1）求得值，定为探放水超前距，超前距不得小于20m。（1）2.4 掘进、回采掘进、回采陷落柱探测陷落柱探测mKPALP2035.02.4 掘进、回采掘进、回采陷落柱探测陷落柱探测钻探钻探2.4 掘进、回采掘进、回采陷落柱探测陷落柱探测BA1NMA2A32.4 掘进、回采掘进、回采陷落柱探测陷落柱探测探测疏松体坑透探测技术坑透探测技术2.4 掘进、回采掘进、回采陷落柱探测陷落柱探测工作面内陷落柱探测工作面内陷落柱探测3陷落柱治理技术陷落柱治理技术治理技术发展过程大概可划分为三个阶段三个阶段：第一阶段（第一阶段（1984年年1996年），年），以开滦范各庄矿2171
26、 综采工作面突水陷落柱治理为代表。由于是国内外第一例陷落柱突水灾害，无成功经验借鉴，受当时钻探技术水平的限制，其治理技术最大特点是对突水陷落柱采用分段下行式注浆实施全面封堵，共注入水泥70000吨，各类骨料35400m3，注浆孔35个、进尺23000m；第二阶段（第二阶段（1996年年2006年），年），在该阶段陷落柱内“堵水塞”技术广泛应用，即在突水陷落柱内预定层位，通过钻孔注浆建造一定长度的“堵水塞”，截断陷落柱突水通道。如皖北任楼7277工作面陷落柱、徐州张集-300m水平陷落柱及开滦范各庄10#陷落柱治理工程。由于采用普通地质钻机施工，其缺点是无法在松散柱体内精确控制钻进方向，陷落柱内
27、钻孔轨迹形同“蛇形”，因此也称“蛇形”钻进；第三阶段（第三阶段（2006年今），年今），随着美国雪姆公司汽车钻机的引进，定向分支造孔技术得以大量应用，使陷落柱内“堵水塞”建造技术更加成熟和完善。如东庞矿2903工作面突水陷落柱，采用该项技术确保钻孔在陷落柱松散体内精确定向钻进，形成了以定向分支造孔、充填注浆、升压注浆、引流注浆和加固注浆为主的“堵水塞”建造技术，该项目获2010年度国家科技进步二等奖。另外，本阶段发生了两次下组煤开采陷落柱突水淹井灾害，如峰峰九龙矿12423N工作面陷落柱和神华乌海骆驼山16煤回风巷陷落柱突水。与以往不同的是突水陷落柱隐伏于开采煤层之下，由于陷落柱在煤系地层发育
28、高度有限，开采煤层距离奥灰含水层较近，因此，均采用突水陷落柱与水源封堵方案3陷落柱治理技术陷落柱治理技术突水事故突水事故开滦范各开滦范各庄庄2171工作面工作面邢台东庞邢台东庞2903工作面工作面乌海骆驼山乌海骆驼山16煤回风巷煤回风巷皖北任楼皖北任楼7222工作面工作面徐州张集徐州张集-300m下山下山峰峰九龙峰峰九龙14123工作面工作面时间时间1984.6.22003年年4.122010.3,11996.3.41997.2.182009.1.8水量水量(m3/h)123180700006500034570240987200水压水压(MPa)3.05.22.33.17.5开采煤层与奥开采煤
29、层与奥灰距离灰距离16012035距太灰距太灰165奥灰奥灰2904565突水方式突水方式掘进前方突破掘进前方突破煤壁突水煤壁突水掘进后方掘进后方10m突突破巷道煤壁突水破巷道煤壁突水掘进后方掘进后方2m巷道侧巷道侧煤壁突破煤壁突破掘进后方突破掘进后方突破煤壁突水煤壁突水巷道掘进后方巷道掘进后方4m底板底板回采后方回采后方30m突破突破煤层底板煤层底板损失情况损失情况矿井淹没矿井淹没死亡死亡13人人矿井淹没矿井淹没矿井淹没矿井淹没死亡死亡32人人矿井淹没矿井淹没矿井被淹矿井被淹矿井淹没矿井淹没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
30、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+封堵封堵奥灰水源奥灰水源国内典型陷落柱突水淹井治理方案汇总表国内典型陷落柱突水淹井治理方案汇总表3陷落柱治理技术陷落柱治理技术 3.1 三段式封堵三段式封堵(以范各庄以范各庄2171为例）为例）（1）上部骨料充填 对陷落柱上部空腔充填骨料，压实陷落柱内松石堆积物，防治陷落柱进一步向上发育。（2）中部注浆堵截导水通道在12煤底板至K3灰之间建造长约100m的“堵水塞”。（3）下部水源封堵 在基底奥灰含水层段进行充填灌浆，拦截突水水源，对“堵水塞”起到支撑作用。3.1三段式封堵三段式
31、封堵(以范各庄以范各庄2171为例）为例）吕 家 坨 矿范 各 庄 矿钱 家 营 矿（在 建）林 西 矿唐 家 庄 矿赵 各 庄 矿京 山 铁 路古 冶主 井+2 7-3 0 0-4 0 0-5 0 0-6 0 05煤7煤9煤1 2煤1 4煤K3煤O22 01 02 83 1 73 4 5顶 部充 填 加 压 段3 8 05 2 0中 部 注 浆堵 截 段下 部 堵 水加 固 段石 渣：2 5 8 3 1.9 m 3砂：1 4 3 7.9 9 m 3合 计：2 7 2 6 9 m 3水 泥：7 2 0 0 t水 玻 璃：8 0 0 m 3结 石 体：7 1 0 0 m 3水 泥：4 0 4 0
32、 0 t水 玻 璃：3 2 9 8.8 m 3结 石 体：4 0 0 0 0 m 3水 泥：3 0 0 0 t水 玻 璃：3 0 0 m 3结 石 体：3 0 0 0 m 3水 泥：1 1 1 0 3.0 1 t水 玻 璃：8 3 5.6 5 m 3粉 煤 灰：2 2 8.9 2 m 3砂：2 9 4 3.4 3 m 33陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.2“堵水塞堵水塞”建造建造（1）过水巷道）过水巷道“阻水墙阻水墙”建造建造在突水构造不明的条件下，如过水巷道位置资料准确，在突水构造不明的条件下，如过水巷道位置资料准确，位置清楚，可先期在过水巷道中实施位置清楚，可先期在过水巷道中实施“阻水墙阻
33、水墙”建造，建造，进行堵巷截流，实现早日复矿之目的。进行堵巷截流，实现早日复矿之目的。-485.35-486.39-454.7-454.4-480.6-484.4-478.7-478.2-476.4-478.0-479.2-475.3-469.9-464.0-464.2-458.2-456.9-452.4-455.6-441.5-428.9-426.1-436.7-441.4-450.1-423.6-416.8-475.1-474.5-474.4-475.73.2“堵水塞堵水塞”建造建造快快速速定定向向钻钻进进骨骨料料灌灌注注阻阻水水墙墙建建造造旋喷注浆旋喷注浆充填注浆充填注浆升压注浆升压注浆
34、引流注浆引流注浆阻水墙建造流程图阻水墙建造流程图水 流 方 向钻 孔钻 孔钻 孔第 一 步：动 水 灌 注 骨 料，保 证 充满 充 分 接 顶，形 成 骨 料 堵 截 断 面水流方向钻孔钻孔钻孔第二步：水泥浆旋喷固结骨料，形成孤立的混凝土堵截断面水流方向钻孔钻孔钻孔第三步：中间加密钻孔灌注水泥浆，形成整体阻水墙加密钻孔加密钻孔钻孔钻孔钻孔第四步：所有钻孔进入巷道底板，进行升压注浆，提高墙体强度和抗渗能力，注浆封堵顶底板绕流裂隙。加密钻孔加密钻孔3陷落柱治理技术陷落柱治理技术（2）“堵水塞堵水塞”建建造造最下部可采层煤层之下，采动应力波及不到；阻断所有影响煤层开采的含水层补给通道；“堵水塞”长
35、度应能抵抗最大静水压力。陷落柱阻水塞建造工艺陷落柱阻水塞建造工艺 阶段阶段 充填注浆充填注浆 升压注浆升压注浆 引流注浆引流注浆 加固注浆加固注浆钻孔钻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，质检孔质检孔浆液浆液类型类型水灰比水灰比0.8:10.8:1、1:11:1，加，加早强剂早强剂1:11:1的早强浆液为主的早强浆液为主 1:11:1的纯水泥浆液的纯水泥浆液为主为主 1.3:11.3:1、1:11:1的纯的纯水泥浆液为主水泥浆液为主 注浆注浆条件条件静水静水 无压无压定量定量200-240m200-240m3
36、 3 注浆时间注浆时间12-1512-15小时小时静水，注前压水逐渐静水，注前压水逐渐升压升压 定量定量130-150m130-150m3 3 注浆时间注浆时间10-1210-12小时小时动水动水 孔口显压孔口显压控制定量控制定量60-80m60-80m3 3 注浆时间注浆时间5-65-6小时小时孔口压力孔口压力 2MPa2MPa定量定量80-100m80-100m3 3 注浆时间注浆时间6-86-8小时小时目标目标充填大裂隙、大通道充填大裂隙、大通道封堵主要过水通道，构封堵主要过水通道，构筑堵水塞主体构架筑堵水塞主体构架封堵较大裂隙、溶隙封堵较大裂隙、溶隙 巩固前期效果巩固前期效果封堵小裂隙
37、通道，封堵小裂隙通道，进一步减少水量进一步减少水量封堵残留微小裂封堵残留微小裂隙（孔隙）及边隙（孔隙）及边缘裂隙，加强堵缘裂隙，加强堵水塞封堵效果水塞封堵效果3陷落柱治理技术陷落柱治理技术（2）“堵水塞堵水塞”建建造造3陷落柱治理技术陷落柱治理技术 3.3 陷落柱与突水水源封堵陷落柱与突水水源封堵 当突水陷落柱位于开采煤层之下或进入煤系地层层位较低时，建造“堵水塞”长度不足，则采用突水陷落柱与奥灰水源封堵方案。峰峰集团的九龙矿、乌海能源骆驼山矿的陷落柱采用该方案取得成功。主要工艺技术：（1）定向分支钻孔技术。（2）分段下行式注浆法，定量间歇注浆工艺。（3）陷落柱内水泥-骨料反过滤注浆技术。在对
38、突水陷落柱灌注骨料的同时，对奥灰上部注浆，水泥浆液沿水流通道上行、骨料沿陷落柱通道下行，实现骨料与浆液在陷落柱通道中的混合，达到了快速封堵通道的目的。3陷落柱治理技术陷落柱治理技术T 1终 孔 垂 深 4 4 9.6 7 m陷 落 柱 发 育 区导 水 裂 隙 发 育 区z 2-1掉 钻 4 0 9.5-4 2 2 mT 1-5 4 4 3-4 4 5裂 隙T1Z1Z2Z3底 鼓 区 域Z1-15 1 54 8 05 1 24 0 85 1 34 0 94 2 04 5 54 4 1Z2-1Z3-1北0 m 5 m1 0 m陷 落 柱 发 育 范 围裂 隙 发 育 范 围3陷落柱治理技术陷落柱
39、治理技术 3.4 不（含）导水陷落柱处理不（含）导水陷落柱处理（1）直接推采）直接推采 对于井巷揭露的未发生突水陷落柱，应进一步查明陷落对于井巷揭露的未发生突水陷落柱，应进一步查明陷落柱的形态特征、开采煤层底板陷落柱充填特征与边缘裂隙柱的形态特征、开采煤层底板陷落柱充填特征与边缘裂隙特征特征,经水文地质条件安全评价后，确认采动破坏不会造成经水文地质条件安全评价后，确认采动破坏不会造成陷落柱陷落柱“活化活化”，引起采后突水时，可直接推采。，引起采后突水时，可直接推采。安全评价的主要内容是：安全评价的主要内容是：陷落柱充填物的强度、胶结特陷落柱充填物的强度、胶结特征、钻孔漏失情况、底板破坏深度，以
40、及陷落柱基底奥灰征、钻孔漏失情况、底板破坏深度，以及陷落柱基底奥灰含水层富水性、水压等。含水层富水性、水压等。a:陷落柱基底奥灰含水层一定范围内无水，既无水可导；陷落柱基底奥灰含水层一定范围内无水，既无水可导；b:开采煤层距离奥灰强含水层较远，采动应力波及不到，开采煤层距离奥灰强含水层较远，采动应力波及不到，且充填物胶结密实。且充填物胶结密实。3陷落柱治理技术陷落柱治理技术 3.4 不（含）导水陷落柱处理不（含）导水陷落柱处理（2）煤柱留设）煤柱留设 若井巷揭露的未发生突水陷落柱，虽然陷落柱本身若井巷揭露的未发生突水陷落柱，虽然陷落柱本身既不含水也不导水，但由于陷落柱内充填物结构疏松既不含水也
41、不导水，但由于陷落柱内充填物结构疏松、强度低、孔隙裂隙率高，且距离奥灰含水层近，奥、强度低、孔隙裂隙率高，且距离奥灰含水层近，奥灰富水性强，为避免采动造成陷落柱灰富水性强，为避免采动造成陷落柱“活化活化”，引起，引起采后突水，可留设陷落柱防水煤柱。采后突水，可留设陷落柱防水煤柱。煤柱留设可参照煤柱留设可参照煤矿防治水规定煤矿防治水规定附录三中第二附录三中第二种情况，即含导水断层煤层留设。种情况，即含导水断层煤层留设。3陷落柱治理技术陷落柱治理技术 3.4 不（含）导水陷落柱处理不（含）导水陷落柱处理（3）注浆加固与改造）注浆加固与改造 若陷落柱内充填物结构疏松、强度低、孔隙裂隙率高，且距离若陷
42、落柱内充填物结构疏松、强度低、孔隙裂隙率高，且距离奥灰含水层近，奥灰富水性强，为避免采动造成陷落柱奥灰含水层近，奥灰富水性强，为避免采动造成陷落柱“活化活化”，引起采后突水，可对陷落柱进行注浆加固，形成一定强度和厚，引起采后突水，可对陷落柱进行注浆加固，形成一定强度和厚度的隔水层，必要时对基底奥灰含水层进行局部注浆改造，将强度的隔水层，必要时对基底奥灰含水层进行局部注浆改造，将强含水层改造为隔水层或弱含水层。含水层改造为隔水层或弱含水层。注浆加固与改造的原则：注浆加固与改造的原则：在陷落柱处，底板破坏深度较正常地层深，应充分考虑这一因素，加在陷落柱处，底板破坏深度较正常地层深，应充分考虑这一因
43、素，加固层为的选择尤为重要，应确保采动应力不对改造后的隔水层造成固层为的选择尤为重要，应确保采动应力不对改造后的隔水层造成破坏。破坏。陷落柱处理之后可直接推采。陷落柱处理之后可直接推采。3陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.5 效果评价效果评价（1）压水试验）压水试验 压水试验成果孔号孔号试验层位试验层位压水量压水量（L/min)受注段长受注段长(m)孔口孔口压力压力(Mpa)吸水率吸水率(L/min.m.m)Z4-检检1610m351304.10.00057664m601843.60.00078742m352622.00.00051Z3-检检2610m1061302.10.00302664m1061841.60.00262742m1672621.00.00398742m352623.80.000303陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.5 效果评价效果评价（2）钻孔取芯）钻孔取芯 3陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.5 效果评价效果评价（3）放水试验（排水试验）放水试验（排水试验）压水试验成果3陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.5 效果评价效果评价（3）放水试验（排水试验）放水试验（排水试验）压水试验成果3陷落柱治理技术陷落柱治理技术3.5 陷落柱治理效果评价陷落柱治理效果评价（4）物探检查）物探检查
