适用读者： 煤矿矿长、总工程师、地测副总、防治水科长、打钻注浆队技术负责人、安监科长

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持

一、岩溶陷落柱形成演化力学机理与突水灾变特征

岩溶陷落柱（Karst Collapse Column）是深部奥陶系石灰岩溶洞在长期地下水溶蚀、自重及上覆地层重力联合作用下失稳垮落，充填物向上贯通扩展而形成的筒状或漏斗状地质构造体。在受采动影响前，由于内部充填有泥岩、砂岩碎块及黏土等角砾岩，常处于自压密压实状态，其原始导水性具有隐蔽性和差异性。

[深部奥灰溶洞发育垮落] 
         ↓ (上方数叠岩层发生渐进性冒落与碎裂充填，形成陷落柱柱体)
[自重与地质应力压密] 
         ↓ (内部孔隙被次生黏土与细颗粒充填，形成相对隔水/弱透水假象)
[工作面采动动载强烈扰动] 
         ↓ (支承压力使陷落柱周边阻水围岩产生张拉与剪切贯通破裂)
[深部高压水力劈裂与渗透冲刷] 
         ↓ (水力坡度激增，微细黏土颗粒被高压水流带出，发生流态化管涌)
[形成特大贯通性突水通道] 
         ↓ (奥陶系巨量高压地下水瞬态涌入采掘工作面，形成灾难性淹井突水)
煤矿岩溶陷落柱形成演化与采动水力劈裂突水灾变力学机理
图1：深部岩溶陷落柱形成演化、采动应力扰动下水力劈裂活化与突水流道贯通机理

根据多孔介质非达西渗流与断裂力学理论，陷落柱柱体内流体运动满足 Forchheimer 非线性渗流定律：

$$-\nabla p = \frac{\mu}{k} \mathbf{v} + \beta \rho |\mathbf{v}| \mathbf{v}$$

其中 $\nabla p$ 为水力压力梯度，$\mu$ 为水动力黏度，$k$ 为渗透率，$\mathbf{v}$ 为渗流流速，$\beta$ 为非达西流 $\beta$ 因子，$\rho$ 为水体密度。在采动拉张应力作用下，围岩孔隙率 $n$ 迅速增大，导致渗透率 $k$ 呈指数级跃升，原有的非导水陷落柱在瞬态高水头差作用下迅速活化为特大动水通道，突水流量可在数小时内从几十立方米每小时激增至数千立方米每小时。

二、隐伏陷落柱立体综合物探识别与导水性精细评估

2.1 地面三维高密度地震与井下瞬变电磁联合探测

陷落柱的精准圈定必须采取“空天地井”一体化勘查网络：

  1. 三维地震反射波特征识别：
  • 煤层反射同相轴（如 3# 煤波阻抗界面）发生局部断错、波形扭曲、振幅突然减弱或出现空白区；
  • 陷落柱边缘出现绕射波与散射波，时间剖面上呈倒“V”字形或不规则杂乱反射。
  1. 井下瞬变电磁法（TEM）低阻异常响应：
  • 导水陷落柱内部富含高矿化度地下水，视电阻率呈现明显的闭合低阻环状异常（$\rho_s < 10\ \Omega\cdot\text{m}$）；
  • 结合多匝小线框重叠回线装置，超前探测视电阻率断面图可精准锁定富水边界与水力补给通道。
勘探手段 探测原理 陷落柱典型物探异常特征 空间分辨率与探测精度
三维高分辨地震 声阻抗界面波形反射与绕射 煤层同相轴断开、同相轴下弯、振幅明显衰减 水平定位误差 $< 5.0\text{ m}$，落差 $\ge 1.5\text{ m}$
矿井瞬变电磁法 二次涡流场晚期衰减特征 封闭型极低视电阻率异常区（$\le 8\ \Omega\cdot\text{m}$） 超前探测有效距离 $100 \sim 120\text{ m}$
无线电波坑道透视 高频电磁波煤岩层吸收系数 穿透陷落柱柱体时接收场强严重衰减或透射盲区 穿透工作面宽度 $150 \sim 250\text{ m}$
井下超前探查取芯 机械回转钻进与岩芯物理辨识 钻进突然掉钻、吸钻、涌水突增，岩芯极度破碎 垂向分辨率 $\pm 0.1\text{ m}$，测定力学指标

2.2 突水危险性评价与突水系数 $T_s$ 核算

根据国家《煤矿防治水细则》，承压水上采煤底板受陷落柱威胁时，必须逐采区核算突水系数 $T_s$：

$$T_s = \frac{P}{M}$$

其中 $P$ 为隔水层底板承受的实际水压（$\text{MPa}$），$M$ 为底板有效隔水层厚度（$\text{m}$）。

  • 在完整构造平缓区，临界安全突水系数为 $[T_s] = 0.10\text{ MPa/m}$；
  • 在受陷落柱、断层构造破坏或底板破碎区，临界安全突水系数取 $[T_s] = 0.06\text{ MPa/m}$。

当实测计算 $T_s \ge 0.06\text{ MPa/m}$ 时，严禁组织采掘，必须先行实施地面深孔高压帷幕注浆截流工程。

三、地面深孔定向高压帷幕注浆封堵成套工程工艺

治理深部大流量动水陷落柱，井下常因空间狭窄、水压极高（$> 3.0\text{ MPa}$）而难以施展。采用地面大口径定向孔群高压帷幕注浆是目前最可靠的根治手段。

地面大口径定向造斜钻机与全自动制浆高压注浆泵站群
图2：地面大口径定向造斜钻进系统、全自动大流量水泥制浆系统与高压注浆泵站

3.1 定向钻孔轨迹设计与分支孔群立体覆盖

地面主钻孔采用“一主多分枝”羽状定向钻孔群技术，主孔穿过第四系松散层和坚硬基岩，在进入陷落柱上部关键层位时实施定向造斜（造斜率 $4^\circ \sim 8^\circ / 30\text{ m}$），钻头沿陷落柱圆周边界及中心部位呈空间三维网状穿刺。

                       【地面钻机与智能注浆中控站】
                                    ║
       第四系风积沙与红土层          ║ (表层套管 Φ426mm 固井)
   ═════════════════════════════════╬═════════════════════════════════
       基岩主关键层 (坚硬砂岩)       ║ (技术套管 Φ273mm 封水)
                                    ║
                                    ▼ (开始定向造斜造分支孔)
                             ┌──────┼──────┐
                             │      │      │
            分支钻孔 1#      │      │      │ 分支钻孔 3#
              (外围边界截流)  ▼      ▼      ▼ (内部深层固结)
                        ┌───────────────────┐
                        │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ │
                        │ ▓ 骨料堆积截流体 ▓ │
                        │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ │
                        │ 陷落柱强透水溶蚀腔│
                        │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ │
                        └───────────────────┘
                                    │
                                    ▼
                         【奥陶系深部高压灰岩含水层】

3.2 动水条件下“骨料抛投截流 + 高压双液劈裂”联合注浆工艺

在特大动水流速下（$v > 0.5\text{ m/s}$），常规单液水泥浆极易被冲稀流失。必须分阶段实施复合注浆工艺：

#### 阶段一：大宗粗骨料抛投减速与骨架成拱

在动水通道内，粗骨料在水流中的临界沉降速度满足鲁比（Rubey）沉降公式：

$$v_s = \sqrt{\frac{4 g d (\rho_s - \rho)}{3 C_D \rho}}$$

通过地面专用投料管向主突水通道快速抛投高强度粗骨料（级配粒径：中粗砂 $20\%$、碎石 $5 \sim 15\text{ mm}$ $40\%$、砾石 $20 \sim 40\text{ mm}$ $40\%$），使骨料在通道狭窄处迅速形成“挤压自锁骨架”，强行将动水流速降至 $0.05\text{ m/s}$ 以下。

#### 阶段二：超细水泥-水玻璃高压双液扩散与微膨胀封堵

当骨架形成后，立即启动高压注浆系统压注快凝微膨胀双液浆。

#### 帷幕注浆配比与关键工艺参数对账表

工艺阶段 注浆材料与配比 浆液性能指标 注浆压力控制 终孔标准与目标
动水截流期 粗骨料 + 早强硅酸盐水泥砂浆（灰砂比 1:1.5） 初始坍落度 $160 \sim 180\text{ mm}$，初凝 $45\text{ min}$ 低压大排量注入（$0.5 \sim 1.5\text{ MPa}$） 通道出水流量锐减 $\ge 85\%$
劈裂充填期 52.5# 普通硅酸盐水泥浆（水灰比 $0.8:1 \sim 0.6:1$） 比重 $1.65 \sim 1.78\text{ g/cm}^3$，析水率 $< 3\%$ 梯级升压（$3.0 \sim 6.0\text{ MPa}$） 充填骨料间隙与微裂隙
高压渗透加固 超细水泥（$D_{95} \le 15\mu\text{m}$）+ 水玻璃（体积比 1:0.05） 凝胶时间 $40 \sim 90\text{ s}$，28d 强度 $\ge 35\text{ MPa}$ 终压达到静水压力 $1.8 \sim 2.5$ 倍（$8.0 \sim 12.0\text{ MPa}$） 稳压 $30\text{ min}$，注浆量 $< 5\text{ L/min}$
帷幕封闭检验 终孔微膨胀防渗封孔浆 渗透系数 $K \le 10^{-7}\text{ cm/s}$ 封固全段钻孔套管 压水试验吕荣值 $q \le 0.05\text{ Lu}$

四、防隔水止浆岩柱厚度力学计算与抗剪稳定性验算

为防止工作面开采诱发陷落柱二次活化突破，陷落柱周边必须留设足够厚度的保护煤岩柱。

井下采区陷落柱帷幕注浆止浆墙与多通道水压监测断面现场
图3：采区陷落柱边缘高强防突止浆墙构筑、多通道水压实时在线遥测传感器现场

根据弹性力学极限平衡理论与斯列萨列夫（Slesarev）安全煤柱计算模型，防隔水止浆岩柱的最小水平安全宽度 $L_{pillar}$ 计算公式为：

$$L_{pillar} = 0.5 \cdot K_s \cdot M \cdot \sqrt{\frac{3 P_{water}}{K_p \cdot [\sigma_t]}}$$

其中：

  • $L_{pillar}$：陷落柱周边最小安全防隔水岩柱宽度（$\text{m}$）；
  • $K_s$：安全系数（一般取 $2.0 \sim 2.5$）；
  • $M$：采煤工作面开采厚度（$\text{m}$）；
  • $P_{water}$：陷落柱赋存的承压水水头压力（$\text{MPa}$）；
  • $K_p$：煤岩体裂隙弱化系数（取 $0.4 \sim 0.6$）；
  • $[\sigma_t]$：围岩的极限抗拉强度（$\text{MPa}$）。

经注浆强化后，陷落柱边缘岩体的抗剪强度与黏聚力显著提升，安全煤柱宽度可有效优化缩窄 $30\% \sim 45\%$，在确保绝对安全的同时最大化回收紧邻构造的煤炭资源。

五、典型特大陷落柱突水注浆截流工程实践与效果对账

5.1 工程概况与突水险情

某大型矿井埋深 $540\text{ m}$ 的 1202 综采工作面在过隐伏构造时，揭露 X1 强导水陷落柱，突水初期涌水量达 $1200\text{ m}^3/\text{h}$，随后因地下高压水流持续冲蚀管涌，涌水量剧增至 $3800\text{ m}^3/\text{h}$（水压 $3.6\text{ MPa}$），矿井面临主排水系统瘫痪与淹井特大危机。

矿井水害治理指挥部与地质院士专家组注浆截流决策会商
图4：矿井特大突水应急救援指挥部、国家水害防治专家组联合论证注浆帷幕方案

5.2 治理实施与全生命周期对账

抢险工程迅速在地面布置 1 个主导向孔与 6 个分支定向注浆孔，采用“骨料投放快速成拱 → 大排量快凝双液注浆截流 → 高压超细水泥渗透固结”三阶段控制。

#### 陷落柱注浆治理前后核心量化指标对比表

评估指标 突水初期灾变状态 治理控制目标 最终工程实测验收值 工程成效综合评价
突水点涌水量 $3800\text{ m}^3/\text{h}$ $< 50\text{ m}^3/\text{h}$ $3.2\text{ m}^3/\text{h}$ 截流率达 99.91%（近乎无水）
奥灰地下水水头 骤降 $86.5\text{ m}$ 水位恢复至正常标高 完全恢复原始静水标高 深部含水层生态得到完全保护
骨料注入总量 0 预计 $8000\text{ m}^3$ $9640\text{ m}^3$ 通道内部形成致密骨料支撑拱
高压水泥浆注入量 0 预计 1.5万吨 18,450 吨 陷落柱全断面实现高压固结
注浆终压 $0.5\text{ MPa}$（未承压） $\ge 7.2\text{ MPa}$ $9.5\text{ MPa}$ 超静水压力 2.6 倍稳定保压
检验孔透水率 $> 100\text{ Lu}$（特大透水） $q \le 0.1\text{ Lu}$ $0.024\text{ Lu}$ 抗渗防突性能达到一级水工标准
直接经济效益 潜在淹井损失超 15亿元 恢复正常生产 挽回资源储量 420万吨 采区全面解封并安全回采

六、陷落柱注浆治理全套资料清单与迎检台账

6.1 专项工程报批与竣工资料清单

  • 《矿井突水陷落柱地面定向帷幕注浆治理专项设计方案》（省部级专家评审签字批复）
  • 三维地震与井下瞬变电磁综合物探异常解释报告及三维切片图件
  • 定向钻孔井身轨迹测斜单、测斜曲线图与分支孔空间展布蓝图
  • 骨料抛投逐班计量台账、砂石级配化验单与投料速度监控记录
  • 水泥、水玻璃等注浆原材料合格证、进场复检单与单孔注浆量对账单
  • 高压注浆自动化中控系统压力-流量连续实时监控曲线（SOP 存档）
  • 效果检验孔钻孔岩芯柱状图、孔内全景窥视录像与压水试验（吕荣值）报告
  • 工作面防治水安全开采评价报告与复工复产联合验收签字单

    • 6.2 迎检现场自查与隐患排查标准表

    核查项目 国家标准与监管红线 现场常见缺陷 纠偏整改与闭环措施
    注浆终压标准 终压必须达到静水压力的 $1.5 \sim 2.0$ 倍以上 压力刚升至静水压即停注 严格按升压曲线补注超细双液浆，稳压 $\ge 30\text{ min}$
    效果检验钻孔 必须在陷落柱中心与最薄弱边缘施工检验孔 检验孔避重就轻打在坚硬基岩 重新向陷落柱中心构造带补打 2 个取芯检验孔
    压水试验透水率 检验孔单点压水试验透水率 $q \le 0.05\text{ Lu}$ 试验未加压或仅做简易注水 采用标准三级压力循环注水试验，严格核算吕荣值
    微震在线监测 采前回采与过陷落柱期间必须实时微震在线监测 未安装微震或传感器损坏断线 恢复 6 组微震台网，设置破裂能量预警阈值

    七、常见问题 FAQ

    Q1：为什么治理动水陷落柱必须先投骨料而不能直接灌注高浓度水泥浆？

    答： 当陷落柱发生特大突水时，地下动水流速通常高达 $0.5 \sim 2.0\text{ m/s}$，动水冲刷动能极大。纯水泥浆比重较轻、初凝时间长，直接灌注会被高速水流彻底稀释带走，不仅无法在通道内凝固滞留，还会造成巨额材料浪费与下部水仓淤积。先投放粗骨料（砾石、碎石），利用骨料的大重力和沉降阻力在地下狭窄喉部形成卡阻骨架和减速滤层，将流速降至极低水平，才能为后续水泥双液浆提供凝固胶结的物理载体。

    Q2：地面定向深孔注浆比井下打孔注浆的核心优势体现在哪里？

    答：

    1. 不受井下空间与灾情限制：突水发生后井下巷道往往被淹或受高瓦斯、涌水直接威胁，地面钻孔作业环境安全独立；
    2. 钻孔深度与孔径大：地面大型钻机可轻松施工直径 $\Phi 219\text{ mm} \sim \Phi 311\text{ mm}$、深度超千米的定向孔，注浆排量可达 $100 \sim 200\text{ m}^3/\text{h}$，实现快速大体量截流；
    3. 空间覆盖精准：利用现代随钻测量（MWD）与旋转导向技术，一个主孔可分出数个分支孔，立体穿透陷落柱不同层位，避免井下盲目钻孔。
    Q3：注浆完成后，如何科学确定止浆帷幕已经合格？

    答： 必须满足“四维一体”综合评价标准：

    1. 注浆参数达标：注浆终压达到静水压力的 $1.8 \sim 2.5$ 倍，稳压 30 分钟以上且注浆速度衰减至 $5\text{ L/min}$ 以下；
    2. 水文观测孔复原：周边水文观测孔水位停止下降并完全恢复至原始正常水头；
    3. 检验孔取芯完整：检验钻孔岩芯呈致密固结柱状，结石体单轴抗压强度 $\ge 25\text{ MPa}$；
    4. 压水试验透水率极低：严格按照水工规范进行高压压水试验，透水率 $q \le 0.05\text{ Lu}$。
    Q4：工作面安全推过陷落柱时，采煤机割煤需要注意什么？

    答： 过陷落柱期间，必须将采煤机牵引速度降至 $1.0 \sim 1.5\text{ m/min}$，严禁超高割煤与强力截割硬结石体；液压支架必须紧跟采煤机前滚筒带压移架，确保初撑力不低于额定值的 $85\%$，防止顶板暴露离层；严密监测支架工作阻力与底板涌水水压变化，若发现涌水浑浊或水量骤增，立即停止割煤并启动应急预案。

    Q5：陷落柱注浆治理后，周边的含水层水质会不会受到永久污染？

    答： 规范工程中注浆材料主体为无机硅酸盐水泥与水玻璃，凝固后生成稳定的水化硅酸钙（C-S-H）与水化铝酸钙晶体，属于环境友好型无机矿物，不含有害重金属与难降解有机物。经生态环境部门连续取水化验，注浆固结体对深部地下水水质（pH、硬度、重金属指标）无长期负面影响，完全符合绿色矿山与水资源保护标准。

    参考依据

    1. 《煤矿安全规程》（国家矿山安全监察局 2024 年最新版）
    2. 《煤矿防治水细则》（国家安全生产监督管理总局 2018 年修订版）
    3. GB 51070-2014《煤矿水害防治工程设计规范》
    4. GB 50471-2018《煤矿封孔注浆技术规范》
    5. NB/T 10857-2021《煤矿陷落柱突水地面定向钻探注浆治理技术规范》

    关于作者

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司，矿山水文地质与重大灾害防治解决方案高级专家。长期致力于陕北榆林、神木、山西及内蒙古矿区奥灰水害防治、陷落柱高压帷幕注浆、采空区保水采煤与矿井水资源化利用。技术方案依托中国矿业大学水文与水资源工程国家重点学科科研团队支持。

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    声明：文中工程数据均经过脱敏处理，具体矿井工程实施需结合矿井实测水文地质及岩石力学参数进行专项设计。