安盛欣煤業(yè)9105 工作面斷層防水方案研究

任 杰 宋玉亮

（1.山西坤龍煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400； 2.山西大同礦區(qū)安盛欣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 概述

安盛欣煤業(yè)9105 工作面開(kāi)采9#煤層，采煤深度到270 m 左右，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。向西100 m左右存在大傾角斷層，落差約為65 m，且開(kāi)采工作面內(nèi)部也存在若干斷層，斷層落差在0.5 m 到5.5 m不等。突水事故的發(fā)生往往與斷層存在緊密聯(lián)系，為了安全高效地完成9105 工作面采煤作業(yè)，安盛欣煤業(yè)采用了留設(shè)斷層防水煤柱加澆筑防水密閉墻的綜合措施來(lái)降低工作面突水風(fēng)險(xiǎn)。

2 斷層防水方案設(shè)計(jì)

（1）留設(shè)防水煤柱

安盛欣煤業(yè)9105 工作面存在斷層，極大增加了突水事故風(fēng)險(xiǎn)。為了防止事故發(fā)生，將留設(shè)斷層防水煤柱作為應(yīng)對(duì)措施來(lái)實(shí)施。留設(shè)斷層防水煤柱，核心點(diǎn)在于防水煤柱的寬度確定，如果煤柱寬度影響因素考慮不全，會(huì)使得煤柱寬度太小，無(wú)法起到防止突水發(fā)生、保護(hù)采煤工作面的作用，斷層的結(jié)構(gòu)組成、礦山壓力以及水壓都直接影響預(yù)留煤柱的寬度。

① 斷層上盤(pán)煤柱確定

《煤礦防治水規(guī)定》中斷層防水煤柱寬度計(jì)算公式為：

式中：K 為安全系數(shù)，取2.5；M 為預(yù)留煤柱的埋深，實(shí)測(cè)為7 m；P 為突水層對(duì)預(yù)留煤柱形成的壓力，3.5 MPa；Kp為煤層抗拉強(qiáng)度，9105 工作面選取0.06 MPa。

計(jì)算斷層防水煤柱寬度為115 m。公式（1）僅考慮了水壓和煤層抗拉強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)，沒(méi)有考慮礦山壓力和構(gòu)造應(yīng)力作用影響，為此對(duì)煤柱預(yù)留寬度計(jì)算公式進(jìn)行修正。

斷層上盤(pán)煤柱的留設(shè)需要考慮礦山壓力、構(gòu)造壓力等因素，因此煤柱的寬度理論上可以分為三個(gè)部分，即維持煤礦開(kāi)采工作面安全穩(wěn)定的區(qū)域L1、維持?jǐn)鄬臃€(wěn)定的區(qū)域L3以及隔水有效區(qū)L2，區(qū)域分布如圖1 所示。

圖1 斷層上盤(pán)防水煤柱示意圖

根據(jù)圖1 所示，斷層上盤(pán)防水煤柱Lb的計(jì)算式為：

式中：Lb為斷層上盤(pán)防水煤柱寬度，m；rp為修正參數(shù)，一般選取煤礦埋深的0.015 倍；φ 為預(yù)留煤柱的煤層與相接觸的巖層的摩擦角度；θ 為斷層的傾角；K 為安全系數(shù)，本文選取2.5；P 為突水層對(duì)預(yù)留煤柱形成的壓力，MPa；M 為預(yù)留煤柱的埋深，m；Kp為煤層抗拉強(qiáng)度，選取0.06 MPa；λ為預(yù)留煤柱的煤層與相接觸的巖層系數(shù)，本文選取0.76；h 為斷層的落差，m。

通過(guò)9105 工作面相關(guān)參數(shù)測(cè)定與收集，最終計(jì)算的斷層上盤(pán)防水煤柱的寬度為134 m。斷層防水煤柱寬度由115 m 增加至134 m，考慮了礦山壓力和構(gòu)造應(yīng)力對(duì)防水煤柱留設(shè)的影響。

② 斷層下盤(pán)煤柱確定

如果開(kāi)采煤層位于斷層的下盤(pán)，則在開(kāi)采時(shí)有很大的概率會(huì)將斷層結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而出現(xiàn)突水事故。因此在斷層下盤(pán)開(kāi)采時(shí)，預(yù)留煤柱寬度必須考慮到采煤冒落帶高度，預(yù)留煤柱的安全高度則應(yīng)該至少為采煤冒落帶高度的3 倍。

圖2 斷層下盤(pán)防水煤柱示意圖

圖2 中，斷層下盤(pán)防水煤柱的寬度為L(zhǎng)u，其計(jì)算式為：

式中：Lu為斷層下盤(pán)防水煤柱寬度，m；H1為預(yù)留煤柱高度，m，選取采煤冒落帶高度的3 倍，9105 工作面采煤冒落帶為5 m，即H1為15 m；θ為斷層的傾角；β 為開(kāi)采沉陷移動(dòng)角度。

通過(guò)9105 工作面相關(guān)參數(shù)測(cè)定與收集，最終計(jì)算的斷層下盤(pán)防水煤柱的寬度為36 m?！睹旱V防治水規(guī)定》中斷層防水煤柱寬度為33 m，可以看出兩種煤柱寬度計(jì)算結(jié)果相近。

（2）澆筑防水密閉墻

防水密閉墻的外形尺寸按照9105 工作面回采巷道尺寸設(shè)定，采用4.2 m×3.2 m 的矩形結(jié)構(gòu)，根據(jù)回采巷道附近斷層水壓，設(shè)計(jì)的防水墻需要滿足1.0 N/mm2的水壓，這對(duì)于單一混凝土防水墻的要求是非常高的。基于井下巷道施工環(huán)境狹小且高壓墻制造機(jī)械難以利用等原因，將單一防水墻設(shè)計(jì)成了混合多層防水墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示?；旌隙鄬臃浪畨τ扇糠纸M成：面向斷層水方向的迎水墻厚度為3 m，面向回采巷道的背水墻厚度為1 m，中間起到固定抗壓作用的注漿隔水層厚度為4 m?；旌隙鄬臃浪畨κ┕r(shí)，需要注意施工順序。首先建立最里面的迎水墻，然后在一定距離外建立背水墻，背水墻上要設(shè)立注漿孔，當(dāng)兩墻凝固完成后，從注漿孔內(nèi)將混合完成的漿液注入到兩墻之間，最后堵塞注漿孔。

圖3 防水密閉墻結(jié)構(gòu)組成示意圖

注漿隔水層中的漿液主要成分為水、砂石、水玻璃等，按照防水墻抗壓技術(shù)要求，進(jìn)行漿液的配比。水、砂石、水玻璃體積比為1:3:1，是指對(duì)于漿液制造并沒(méi)有固定的配比要求，需要根據(jù)抗壓技術(shù)要求等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)確定，然后進(jìn)行施工。注漿過(guò)程中的漿液組成對(duì)抗壓效果有極大的影響，對(duì)于配比完成的漿液，一定要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行抗壓能力確定。具體方法為：用70 mm×70 mm×70 mm的模具使?jié){液成型，將成型后的結(jié)石體放在溫度20 ℃左右的水中，測(cè)定漿液的結(jié)石抗壓強(qiáng)度是否滿足1.0 N/mm2。

注漿孔的結(jié)構(gòu)也對(duì)注漿隔水層的抗壓能力有一定影響。在背水墻上鉆注漿孔的時(shí)候開(kāi)孔用直徑152 mm 的牙輪鉆頭或直徑146 mm 的巖心管，鉆通孔后在孔內(nèi)安裝Φ140 mm 孔口管，并用0.6:1 水泥漿液固管，水泥漿中添加早強(qiáng)劑。注漿孔結(jié)構(gòu)具體如圖4 所示。

圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)圖

注漿量的確定同樣是非常重要的，只有將迎水墻和背水墻之間的空間全部填滿，且達(dá)到設(shè)計(jì)密度，注漿隔水墻才能起到抗壓作用。防水中間層空間前后的迎水墻和背水墻屬于剛性結(jié)構(gòu)，但巷道兩側(cè)以及巷道頂存在一定的結(jié)構(gòu)裂縫，計(jì)算體積時(shí)需要進(jìn)行一定的修正。注漿量采用下述公式進(jìn)行計(jì)算。

Q ＝K×V×η/c （4）

式中：Q 為注漿防水層注漿量，m3；K 為修正系數(shù)，取1.2；V 為注漿防水層體積，m3，按照剛性結(jié)構(gòu)計(jì)算，即4.2 m×3.2 m×4 m；η 為注漿充填率，取0.75；c 為漿液結(jié)石率，0.8。

安盛欣煤業(yè)9105 工作面回采巷道的注漿量為60 m3，注漿采用注漿泵進(jìn)行。注漿的時(shí)候要根據(jù)注漿孔的布置，首先進(jìn)行最下部注漿，逐漸向上注漿。需要注意的是，注漿的時(shí)候要嚴(yán)格控制注漿工藝參數(shù)，不能為了節(jié)約時(shí)間一次性向注漿孔內(nèi)注入全部設(shè)計(jì)漿液量。因?yàn)橐淮涡宰{有很大概率使得漿液在采空區(qū)大范圍擴(kuò)散，無(wú)法滿足抗壓效果要求。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)對(duì)9105 工作面附近斷層防水煤柱的留設(shè)，有效防止了突水事故的發(fā)生?？紤]了礦山壓力和構(gòu)造應(yīng)力對(duì)防水煤柱留設(shè)影響，通過(guò)計(jì)算防水煤柱的寬度，確定斷層上盤(pán)留設(shè)煤柱為134 m，下盤(pán)留設(shè)煤柱為36 m，煤柱寬度計(jì)算更加符合實(shí)際，防突水效果更好。

（2）在斷層開(kāi)采后隔水層圍巖裂隙增大，雖有防水煤柱防護(hù)，但礦井深部開(kāi)采時(shí)淺部積水大量涌入采空區(qū)，造成采空區(qū)水量大增，深部采空區(qū)積水水壓增加，導(dǎo)致9105 工作面掘進(jìn)到22#前30 m時(shí)揭露斷層底板出水，出水點(diǎn)標(biāo)高+207 m，出水量為75 m3/h。針對(duì)該斷層破碎帶采用“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的技術(shù)方案后，在回采過(guò)程中未出現(xiàn)突水、下沉及異常涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了9105 工作面安全順利回采。