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1、岩溶陷落柱是埋藏在煤系地层下部的巨厚可深岩体，在地下水溶蚀作用下，形成巨大的岩 溶空洞。空洞顶部岩层，当其失去对上覆岩体支撑能力时，上覆岩体在重力作用下向下垮 落，充填于溶蚀空间中，因其剖面形态似一柱体，故称岩溶陷落柱。我国岩溶陷落柱多发 育于北方石炭二叠系煤田，在山西、河北、河南、陕西、山东、江苏、安徽等 20 多个煤田 中，已发现陷落柱 45 处，总数已接近 3000 个，特别是山西、河北较多，尤其以汾西两岸、 太行山两侧煤田为多，如西山矿区已发现陷落柱 1300 多个，密度可达到 70 个/km2。岩溶 陷落柱的这种特殊地质现象的存在，不仅破坏煤层，减少可采储量，巷道的掘进和煤层的 开采
2、，而且是特殊的异水通道，是很难防治的充水因素。我国开滦、焦作、皖北、徐州、 邢台等矿区都发生过特大陷落柱突水淹井事故，造成了重大的经济损失和社会影响，其中 开滦范各庄矿突水淹井事故是世界采矿史上最大的一次淹井事故。尽管陷落柱突水淹井事 故难以有效预防，但突水后可以采取综合治理技术将复矿的时间大大缩短，将灾害损失降 低到最低限度。本文重点探讨我国陷落柱突水淹井的综合治理技术。2 导水陷落柱的基本特征陷落柱的导水性可分为 3 种类型；强充水型、边缘充水型、弱充水型。从已发现的陷落 柱来看，绝大多数的陷落柱是弱充水型，陷落柱内充填物压实紧密，风化程度极强，边缘 裂隙水已被疏降，煤矿在回采过程中，没有
3、水或少量滴水；边缘充水型的陷落柱内充填物 压实紧密，风化程度较强，柱内水力联系不好，只是陷落柱边缘发育的次生裂隙充水，对 奥灰水的导通性不好，采掘工程揭露时一般以淋、滴水为主，涌水量不大；强充水型陷落 柱内充填物未被压实，柱内水力联系良好，直接导通奥灰高压水，沟通了煤系地层各含水 层，采掘工程一旦揭露就发生突水，水量大而稳定，对矿井造成灾难性的淹井事故，防排 水设施很难起作用，建国后我国已发生多起陷落柱突水淹井事故，详见表 1。表 1 陷落柱突水淹井一览3 综合治理技术3.1 巷道截流技术打钻命中巷道，钻孔终孔孔径不小于 100mm，打透巷道后先投注骨料，再注浆加压，最 后引流注浆。适用条件：
4、陷落柱突水点位于独头巷道，巷道加固较好。关键技术：巷道的 测量资料准确，钻孔定位正确，命中巷道的几率 100，灌注骨料先粗后细，动水条件下， 可投注骨料 3050mm，静水条件下，可投注细砂，注骨料后期要反复捅孔，当吸水系数 小于 581/min?m 时，方可进行注浆。徐州张集煤矿 1997 年 2 月 18 日矿井西-300 水平 21 号煤层轨道下山发生陷落柱突水， 最大突水量 402 m3/min，从发现淋水到淹井仅 10h。发生突水后，首先在轨道下山布置了 3 个透巷孔，注入骨料 210 m3，在 3 个截流孔注入水泥 4960t 时，奥灰水水位持续上升， 比副井水位高出 19.5m，
5、表明巷道截流已见成效，水流由“管道流”变为“渗透流” ，副井 可以开始引流注浆。引流注浆期间，又在 3 个截流孔注入水泥 1629t，为了防止陷落柱内部 奥灰水对煤系地层的影响，在陷落柱内部相当于奥灰顶界面附近建造“止水塞” ，施工 3 个 钻孔，共注入水泥 2421t，本工程累计注入水泥 9010t，堵水率 100，整个工期历时 98d。3.2 建立“止水塞”技术查清陷落柱的基本形态后，沿陷落柱的边缘钻进至一定深度后导斜进入陷落柱，在可采 煤层之下一定深度建造一定厚度的“止水塞” ，切断奥灰水与煤系地层的水力联系。适用条 件：突水构造基本确定，在巷道截流技术不能快速封堵成功的情况下，采取“止
6、水塞”封 堵方法。关键技术：首先要判断确定陷落柱的构造位置，再利用定向导斜技术，使钻孔的 轨迹沿陷落柱的边缘钻进，到一定深度后再导斜进入陷落柱；定向导斜钻探技术的成功是 决定堵水成功的关键。皖北任楼煤矿 1996 年 3 月 4 日发生特大陷落柱突水，最大突水量达到 576 m3/min，从发 生滴淋水到淹井仅 8.5h。淹井后，考虑到突水点附近巷道为煤巷，利用巷道截流后不能确 保矿井排水后巷道截流的安全可靠性，为尽快恢复生产，制定了在陷落柱中建立“止水塞” 快速切断水源的方案。 “止水塞”的位置选 在最下部可采煤层以下 1575m 砂岩段，厚 60m。沿陷落柱边缘施工的 4 个钻孔，从不同方
7、向导斜进入陷落柱进行注浆，注入 7600t 水泥后，经计算 60m“止水塞”附近的细小裂隙也起不到加固作用。为了对“止水塞”进 行加固，实施在副井引流排水，各注浆孔正常游资，并根据副井和长观孔的水位调节注浆 量。引流注浆期间又注入水泥 7432t，各注浆孔均达结束标准，副井水位已排至井底，堵水 率达 100。本工程工施工探查孔 5 个，截流孔 1 个，注浆孔 5 个，检查加固孔 2 个，注 料 130 m3，注水泥 15032t，实现了当年突水，当年治理，当年恢复生产。3.3 陷落柱“三段式”堵水技术 陷落柱突水后，在顶部留下空洞，并且在动水条件下，打钻先命中陷落柱顶部的空洞， 充填骨料将动水
8、流变为渗透流，再在陷落柱下部建立止水段和加固段，俗称“三段式”堵 水技术。1984 年 6 月 2 日，开滦范各庄煤矿 2171 工作面发生特大陷落柱突水，最大突水量达 2053 m3/min，全矿停产，同时造成吕家索和林西矿淹井，与其相邻的赵各庄矿、唐家庄矿 也受到地下水的严重威胁。经勘探查明，该陷落柱体积大，柱内水流速度快，顶部又有空 洞，决定采用上部灌注骨料充填压实，中部注浆堵截通道，下部充填灌注拦截水源的三段 式综合治水技术。首先对陷落柱顶部 832m 高的空洞充填骨料 30681 m3，通过充填骨料 使得陷落柱中被水流冲动的破碎岩块在上部荷重加大的情况下，得到压实增加阻水能力； 上部
9、充填骨料完成之后，在 12 #煤层以下到唐山灰岩之间，该段高 100m 左右，这一段的注浆孔在 400m 深处进入陷落柱，用下行法注浆到 500m 左右；由于开始在动水条件下注 浆，故从下部奥灰含水层部位进行充填骨料，以增加阻力，拦截水源，降低流速，为中段注浆堵水创造条件，并对中段的“堵水塞”起到支撑、防止松动坍塌破坏作用。本工程共 打钻 24829 m，注水泥 62900t，砂子 4756 m3，石碴 25925 m3，水玻璃 4269t，粉煤灰 300t，合计注入约 100000 m3的充填物，堵水效果 100。3.4 直接封堵技术陷落柱的发育高度较低时，一般发育高度到奥灰上部的石炭纪地层
10、，可直接从地面打钻 命中陷落柱采用下行法直接注浆。河南安阳铜冶矿 1965 年发生的陷落柱突水，最大突水量为 23 m3/min，造成全井淹没。 突水后直接在陷落柱的上部打钻，命中陷落柱后，通过钻孔充填砂石形成砂垫后进行注浆 加固。为了封堵陷落柱体内的形态多样和大小不一的空隙，通过不同位置的钻孔和同一钻 孔的不同深度反复多次灌注砂石和水泥浆，共注入砂石 1622 m3，注入水泥 2454t，堵水率 100，这种注浆工艺适合于静水条件下岩溶陷落柱的导水通道注浆。3.5 反流注浆技术陷落柱的突水在截流基本成功后，为了减少打钻的数量，加快堵水进程，在陷落柱构造 范围不确定的情况下，可在截流堵水段与突
11、水陷落柱之间打 12 个钻孔，通过下行法加压 注浆返流加固陷落柱的空隙。辉县市吴村煤矿 32031 工作面 1999 年 11 月 15 日发生隐伏陷落柱突水，最大突水量 40m3/min，突水后陷落柱冲出的岩石被碎物堵死了下副巷，突水从上副巷流入一水平。工 程布置 3 个钻孔，其中注 1 孔布设在工作面上安全口下侧 3m 处，主要是打中棚架区进行 骨料注浆，对上副巷进行截流，迅速降低水量，防止全井淹没，使水流由管道流变为渗透 流；查 1 孔布设在上安全口下侧 20m 处突 1 附近，查 2 孔布设在工作面下安全口上 5m 处 突 2 附近。在注 1 孔截流成功后利用查 1 和查 2 孔进行了
12、返流注浆，注 1 孔注骨料 1123m3，注水泥 307t；查 1 孔注骨料 100m3后，突水点水量已减少了 32m3/min；查 1 孔和 查 2 孔利用注 1 孔截流成功后分别返流注入水泥 405t 和 1561t，井下突水点封堵成功，堵 水率达 100。工程累注骨料 1535m3，累注水泥 2273t，时间仅用 70 天（扣除天气、工农 关系、停电等因素影响） ，创造了显著的经济效益。3.6 引流注浆技术在注浆封堵导水陷落柱通道基本成功后，为了防止在加压注浆条件下，浆液的大量流失， 利用井筒排水，既可对注浆堵水进行检验，同时还可以加固突水点附近的细小裂隙，加快 注浆堵水进度和复矿速度。
13、引流注浆的时期和注浆量取决于长观孔水位和井筒的排水情况， 引流注浆期间长观孔水位若下降则应加大注浆量，或停止引流排水；引流注浆期间若长观 孔水位不下降，则可根据钻孔吸浆情况继续加固注浆。邢台东庞矿二水平南翼 2903 工作面下副巷于 2003 年 4 月 12 日发生陷落柱特大突水，最 大突水量 1167m3/min，造成全井淹没。为了尽快恢复生产，拟在突水点以外的巷道布置透 巷孔进行封堵巷道。布孔原则：沿突水巷道的突破口向外 5m 处布置 1 号钻孔，自 1 号孔 以外有 15m 布一个孔，共布 8 个孔进行骨料充填注浆，以便形成 105m 长的巷内堵水段，截断过水道。第一阶段依次施工了 1
14、 号、6 号、8 号、7 号、3 号、4 号孔，其中 1 号孔提 前遇见陷落柱，作为注浆期间的水文观测孔，其它 5 个孔透巷后，充填骨料和加压注浆。 由于陷落柱水冲出的破碎岩石较多，在巷道累注骨料 4586m3，比设计注骨料减少 2/3。注 浆采用了气动射流搅拌系统，最高日注灰量达 634t 大大加快了堵水进度，5 个透巷截流孔 共注入水泥 17214t，对巷内和巷顶以上裂隙进行了多次反复的高压注浆，终压达 10MPa。 第二阶段施工了 2 号和 5 号孔，其中 5 号孔为截流段中部的检查加固孔，2 号孔为截流段 尾部的检查加固孔，5 号孔又加压注 476t，达到了终压终量，副井水位持续下降，
15、奥灰长 观孔水位持续上升，表明巷道已基本封死。第三阶段开始引流注浆，利用副井排水，2 号 孔注浆，若巷道彻底封死后，则 2 号孔所注的浆液将返流进入陷落柱，起到加固陷落柱的 作用，2 号孔累计注入水泥 9176t，大部分水泥进入了陷落柱，少部分水泥通过引流注浆对 巷道的薄弱地带也进行了加固。工程累注水泥 26866t，注骨料 4586m3，锯末 196 袋，仅用 5 个多月时间就完成了注浆堵水任务，堵水率达 100。4 结束语(1)导水陷落柱的突水，往往造成灾难性的淹井后果，且难以有效预防。(2)陷落柱突水淹井后，为了加快复矿速度，减少淹井的损失，根据不同条件采用几种堵 水技术，综合治理，效果比较好。
