采空區(qū)斷層裂隙帶注漿防治技術(shù)應(yīng)用

曹 帥，劉 濤，史偉東

(陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

煤礦水害事故高發(fā)，多數(shù)是由于缺少對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情況的研究分析，缺乏對(duì)采掘地點(diǎn)與積水區(qū)水源之間水力聯(lián)系以及導(dǎo)水通道的有效探查，因資料不全而貿(mào)然組織生產(chǎn)，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。近年來(lái)，煤礦水害事故中采空區(qū)水害所占比例大、死亡人數(shù)多，為主要礦井水害類型。斷層是引起礦井突水災(zāi)害的主要因素。斷層一般是良好的導(dǎo)水通道，附近圍巖比較破碎，具有強(qiáng)度低、透水性大、抗水性差、自穩(wěn)能力差的特性[1]。由于斷層的這些特性，在導(dǎo)通采空區(qū)的斷層威脅區(qū)域內(nèi)作業(yè)時(shí)，必須采取有效的治理手段才能避免發(fā)生突水事故。注漿堵水[2-4]是將各種堵水材料制成的漿液壓入到破碎巖體中，使?jié){液擴(kuò)散、凝固和硬化，從而達(dá)到提高巖層隔水性能和封堵突水通道的目的，是治理斷層突水的主要手段[5-7]。為保證生產(chǎn)安全，提高煤炭產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)采空區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?wèn)題開(kāi)展了大量研究[8-17]，目前注漿堵水已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但由于注漿工程的隱蔽性，注漿理論的發(fā)展遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐，注漿工程尤其是裂隙注漿仍缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)。為此，以文家坡煤礦4103工作面為例，結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件，通過(guò)物探分析、數(shù)值模擬、斷裂帶注漿、效果驗(yàn)證，以期為后續(xù)斷層導(dǎo)水問(wèn)題提供理論支持。

1 工程概況

文家坡煤礦4103工作面南北布置，東臨4102工作面采空區(qū)，西接4104備采工作面，南依火石咀煤礦采空區(qū)，北靠4-2盤區(qū)勘查區(qū)，2條斷層橫穿工作面，如圖1所示。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層中含夾矸0～3層。直接頂為粗粒砂巖、泥巖，粗粒砂巖厚度0.7～6.25 m，平均3.47 m，灰白色，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英長(zhǎng)石為主，含少量云母，顆粒次棱角狀，分選較差，膠結(jié)疏松；泥巖深灰色、具水平層理，具有滑感，見(jiàn)水易碎，致密，斷口較平整?；卷敶至Ｉ皫r、泥巖，厚度0.23～6.10 m，平均3.16 m，灰白色，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英長(zhǎng)石為主，含少量云母，顆粒次棱角狀，分選較差，膠結(jié)疏松。采用錨網(wǎng)支護(hù)方式，原生裂隙發(fā)育，相鄰工作面采空區(qū)頂板水、瓦斯通過(guò)斷層引向4103工作面，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。為了加強(qiáng)區(qū)域防治水工作，防止透水事故發(fā)生，對(duì)頂、幫部斷裂位置進(jìn)行注漿封堵。

圖1 4103工作面區(qū)域概況Fig.1 Overview of 4103 working face

2 斷裂帶危害程度探查分析

2.1 斷層

4103工作面揭露斷層斷點(diǎn)4個(gè)，將4個(gè)斷點(diǎn)進(jìn)行組合后，得到斷層2條，編號(hào)依次為DF21、DF26、全部為正斷層，落差2～6 m，皆為北東走向，具體斷層特征見(jiàn)表1。

表1 4103工作面斷層特征

2.2 地面瞬變電磁與井下直流電法成果對(duì)比

4103工作面地面瞬變電磁與井下直流電法富水異常對(duì)比圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈孛嫠沧冸姶趴碧剿Χǖ?號(hào)煤層頂板富水異常區(qū)，綠色區(qū)域?yàn)榫轮绷麟姺碧剿Χǖ?號(hào)煤層頂板20 m附近的富水異常區(qū)，2種方法在4號(hào)煤層頂板附近所圈定的富水異常區(qū)基本吻合，如圖2所示。

圖2 4103工作面地面瞬變電磁與井下直流電法富水異常對(duì)比Fig.2 Comparison of water rich anomalies between surface transient electromagnetic method and underground DC method

2.3 工作面推采后斷裂區(qū)域發(fā)育情況模擬

2.3.1 數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

使用FLAC3D軟件對(duì)文家坡煤礦4103工作面推采后頂板裂隙發(fā)育情況進(jìn)行模擬，建立的模型尺寸為600 m×1 000 m(X×Y)，模型高度為模型下底面距離工作面的實(shí)際距離，模型的側(cè)表面和下底面為固定邊界，模型上表面為自由邊界，采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則作為巖體破壞準(zhǔn)則，建立的FLAC3D模型如圖3所示。

圖3 4103工作面FLAC3D模型Fig.3 FLAC3D model of 4103 working face

為方便模型建立與后期賦值計(jì)算，現(xiàn)將上覆巖層劃分為25層，各層組的層位、厚度、巖性和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 4103工作面上覆各巖層力學(xué)參數(shù)

考慮到室內(nèi)測(cè)定各種巖性巖石力學(xué)參數(shù)時(shí)測(cè)試對(duì)象為巖石試樣，而模擬的各巖層為大尺度巖體，巖體中地質(zhì)構(gòu)造和裂隙等缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度明顯比巖石試件低，按仿真經(jīng)驗(yàn)將各巖層參數(shù)進(jìn)行折減，系數(shù)為5。

2.3.2 工作面開(kāi)采后覆巖破壞區(qū)分析

模擬開(kāi)采4103工作面以研究其上覆巖層破壞特征，工作面采用分段回采的方法進(jìn)行，每次回采20 m，工作面共計(jì)回采500 m，工作面回采不同階段采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布和覆巖破壞情況如圖4所示。4103工作面開(kāi)采的前期，如圖4(a)、(c)所示，采場(chǎng)最大垂直應(yīng)力分布在工作面兩端，而采空區(qū)頂板主要承受拉應(yīng)力，壓應(yīng)力主要分布在地表。當(dāng)工作面推進(jìn)240 m(首次見(jiàn)方)時(shí)，采場(chǎng)最大應(yīng)力集中分布在工作面前方5 m處，最大垂直應(yīng)力值達(dá)到35.29 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.71；當(dāng)工作面推進(jìn)至480 m(二次見(jiàn)方)，采場(chǎng)最大應(yīng)力值集中在工作面處，最大應(yīng)力值增大到38.42 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.96。4103工作面推進(jìn)20 m時(shí)，如圖4(b)所示，采空區(qū)頂板的底部主要受到拉張破壞，而在采空區(qū)的兩端則出現(xiàn)剪切破壞，覆巖破壞高度為12 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，如圖4(d)所示，覆巖破壞的高度進(jìn)一步增加到50 m，且以張拉破壞為主，隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板首先發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而在雙向拉應(yīng)力的作用下發(fā)生拉斷、冒落。當(dāng)工作面推進(jìn)至240 m(首次見(jiàn)方)時(shí)，采空區(qū)兩端均出現(xiàn)正在形成的周期性拉張破壞，而采空區(qū)中部頂板均已形成周期性拉張破壞區(qū)，冒落帶高度為12 m，如圖4(f)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)至480 m(二次見(jiàn)方)時(shí)，覆巖破壞高度達(dá)到160 m，此時(shí)認(rèn)定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度即為采動(dòng)后的覆巖塑性破壞區(qū)的發(fā)育高度。

圖4 工作面推進(jìn)過(guò)程中采場(chǎng)應(yīng)力和塑性區(qū)分布情況Fig.4 Distribution of stress and plastic zone during advancing of working face

3 基于封堵斷裂帶的巷道注漿方法

3.1 注漿思路

3.1.1 漿液固結(jié)形成截水帷幕

漿液經(jīng)擠壓滲透到破碎煤巖體縱橫交錯(cuò)的裂隙中固結(jié)后，在煤巖體中形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，在泵壓的作用下，除了將一些較大的裂隙充填滿，還可以將一些充填不到的封閉裂隙和小裂隙壓縮，甚至使其閉合。漿液固結(jié)體呈薄厚不一的片狀或條狀，幾乎可相互連通形成網(wǎng)絡(luò)骨架，注漿材料和煤巖體的固結(jié)體具有良好的韌性和粘結(jié)性，經(jīng)過(guò)注漿固化后，裂隙內(nèi)充滿固結(jié)材料，從而改善煤巖體的完整性，形成一大型截水帷幕，有效攔截了周邊水涌入巷道。

3.1.2 填密壓實(shí)限制斷裂帶破壞的擴(kuò)展

當(dāng)煤巖體中存在較大的裂隙，裂隙附近的巖體處于二向應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)裂隙內(nèi)充滿固化材料或壓密后，將變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，而巖體在三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度比二向時(shí)顯著增大，并且脆性減弱、塑性增強(qiáng)，起到了轉(zhuǎn)變巖體破壞機(jī)制和提高強(qiáng)度的作用。當(dāng)煤巖體應(yīng)力超過(guò)煤體強(qiáng)度，發(fā)生較大變形時(shí)，固結(jié)材料的網(wǎng)絡(luò)以其良好的韌性和粘結(jié)強(qiáng)度起到骨架作用，提高煤巖體的殘余強(qiáng)度，限制斷裂帶破壞的擴(kuò)展，阻止斷裂帶進(jìn)一步發(fā)育。

3.2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

3.2.1 注漿孔布置

根據(jù)裂隙發(fā)育狀況及巷道實(shí)際情況，沿?cái)鄬映鏊c(diǎn)布置6組注漿鉆孔，確保漿液對(duì)斷裂區(qū)域的全覆蓋，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表3，鉆孔布置如圖5所示。

表3 堵水注漿鉆孔參數(shù)

圖5 鉆孔布置示意Fig.5 Borehole layout

3.2.2 單孔注漿量的確定

每個(gè)鉆孔注漿范圍為3 m×2 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)的區(qū)域，注漿量為9 m3，孔隙率5%，注漿體積為0.45 m3，每鉆孔加固材料使用量約為0.5 t，注漿眼及頂幫端面出現(xiàn)漿液時(shí)立即停止注漿；頂幫出現(xiàn)掉渣及片幫等異常情況時(shí)立即停止注漿，觀測(cè)不少于6 h無(wú)異常后再注漿，單孔注漿時(shí)間嚴(yán)禁超過(guò)20 min。

3.3 注漿材料及設(shè)備

3.3.1 注漿材料

科塞敷堵水加固材料是液態(tài)有機(jī)高分子樹(shù)脂材料，材料性能見(jiàn)表4，A、B組分按固定配比通過(guò)專用氣動(dòng)注漿泵和混合槍注入到滲漏水的煤巖體裂隙或空隙中，快速與水反應(yīng)、膨脹、膠結(jié)，把滲漏水、突水通道封堵住，并且具有較高的粘結(jié)力和本體強(qiáng)度、較大的韌性，適應(yīng)煤巖體一定變形。材料迅速反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間一般在20～40 s，2組分材料混合后，粘度迅速增大到2 000 MPa·s，同時(shí)與水反應(yīng)快速發(fā)泡膨脹、稠度迅速增大，生成高強(qiáng)度、高韌性、高粘度的固結(jié)體，快速將涌水通道封堵，從而起到堵水作用。

表4 科塞敷堵水加固材料性能參數(shù)

3.3.2 注漿設(shè)備

泵及參數(shù)：氣動(dòng)專用多功能注漿泵，性能參數(shù)見(jiàn)表5，實(shí)物如圖6所示。

表5 氣動(dòng)多功能注漿泵性能參數(shù)

圖6 氣動(dòng)多功能注漿泵實(shí)物Fig.6 Pneumatic multifunctional grouting pump

動(dòng)力參數(shù)：礦井壓風(fēng)0.4～0.7 MPa，風(fēng)量不小于5 m3/min。

其他備件：延長(zhǎng)管、封堵器、可曲撓注漿管、混合槍、高壓輸料管；鉆孔，孔徑42 mm，孔深1.5 m；壓風(fēng)管路，風(fēng)壓0.4～0.7 MPa，流量大于5 m3，管徑A19快速接頭，連接方式如圖7所示。

1-注射花管;2-封孔管;3-快速接頭;4-專用注射槍;5-高壓膠管;6-氣動(dòng)注漿泵;7-樹(shù)脂;8-催化劑圖7 注漿鉆孔連接示意Fig.7 Connection of grouting boreholes

3.4 注漿方式

3.4.1 環(huán)向膨脹式封孔器實(shí)現(xiàn)定位封孔和注漿

采用環(huán)向自沖式封孔器進(jìn)行鉆孔內(nèi)注漿封孔。封孔器由阻尼片阻止?jié){液通過(guò)封孔器，漿液首先被壓入封孔器橡皮圈直到封孔器被固定在鉆孔壁上，產(chǎn)生環(huán)徑向束縛力，造成壓力迅速上升，橡膠環(huán)膨脹，在單向閥的作用下，橡膠環(huán)不能復(fù)位從而膨脹定位封孔。壓力達(dá)到阻尼片破裂壓力，漿液進(jìn)入鉆孔內(nèi)，橡皮片阻止封孔器松脫。

3.4.2 雙液混合注射

采用靜態(tài)攪拌器和均勻混合器以及單向閥、球閥等組成的雙液注射混合槍，實(shí)現(xiàn)雙組分漿液的孔口自動(dòng)配比混合，漿液通過(guò)混合槍達(dá)到混合和均勻攪拌的雙重目的，實(shí)物如圖8所示。

圖8 封孔器實(shí)物Fig.8 Hole packer

3.4.3 工藝效果模擬

注漿壓力控制在8～10 MPa，漿液在普通裂隙開(kāi)度和孔隙率下的擴(kuò)散半徑為1.5～2.0 m，單孔打眼注漿所需要的時(shí)間為一般為30～60 min，注漿效果模擬如圖9所示。

圖9 注漿效果模擬Fig.9 Simulation of grouting effect

4 注漿效果驗(yàn)證

4.1 涌水量及有害氣體監(jiān)測(cè)

漿液深入導(dǎo)水裂隙帶聯(lián)系通道，有效切斷巷道與相鄰工作面含水層含水體的水量補(bǔ)給路徑，提高了煤巖體的整體性，確保該區(qū)段無(wú)漏水、漏風(fēng)現(xiàn)象。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)觀察監(jiān)測(cè)，注漿后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，無(wú)出水現(xiàn)象，瓦斯等有害氣體濃度降為0，見(jiàn)表6。

表6 注漿前后參數(shù)對(duì)比

4.2 含水體賦存查驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)原始導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё{改造后，利用直流電法對(duì)剩余含水體賦存情況進(jìn)行查驗(yàn)，通過(guò)對(duì)直流電法含水體賦存情況驗(yàn)證圖分析知：斷裂帶已無(wú)明顯富水跡象，且原導(dǎo)水通道未顯現(xiàn)富水性，證明注漿治理效果良好，如圖10所示。

圖10 含水體賦存情況驗(yàn)證Fig.10 Verification of occurrence of aquifer

4.3 圍巖變形監(jiān)測(cè)及回采驗(yàn)證

圍巖變形監(jiān)測(cè)：對(duì)注漿段巷道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出注漿段巷道表面位移數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。注漿后底鼓量和兩幫移近量均得到控制，最大底鼓量為31 mm，兩幫最大移近量為44 mm。說(shuō)明巷道原破碎煤巖體在漿液的作用下固結(jié)成完整體，使錨索(桿)發(fā)揮良好作用，很好地控制了巷道煤巖體變形破壞；其變化量最終趨于穩(wěn)定，雖仍有一定變化，但不會(huì)構(gòu)成大型導(dǎo)水通道。

圖11 圍巖變形觀測(cè)Fig.11 Deformation observation of surrounding rock

回采驗(yàn)證：回采過(guò)程中工作面安全快速通過(guò)該斷層區(qū)域，未見(jiàn)突水現(xiàn)象，并且工作面已通過(guò)斷層200 m時(shí)，未發(fā)生滯后突水事故。經(jīng)過(guò)回采實(shí)際驗(yàn)證，斷層得到有效治理，實(shí)現(xiàn)了安全回采。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)井下物探和回采觀測(cè)等手段進(jìn)行注漿效果驗(yàn)證，漿液沿裂隙均勻擴(kuò)散，有效充填了斷裂帶，工作面回采過(guò)程中未發(fā)生出水現(xiàn)象，導(dǎo)水通道得到了有效封堵，表明注漿封堵是應(yīng)對(duì)井下斷層危害的可靠方法。

(2)對(duì)工作面受構(gòu)造影響形成的破碎帶進(jìn)行注漿能夠有效阻隔有害氣體流通，抑制采空區(qū)漏風(fēng)供氧，消除工作面回采所面臨的有害氣體聚集問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了工作面煤層的高效回采。

(3)注漿后，巷道變形量得到有效控制，底鼓量最大為31 mm，兩幫最大移近量為44 mm，頂板沉降量為4 mm。經(jīng)后期觀測(cè)，該段巷道沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形及破壞現(xiàn)象，限制了斷裂帶進(jìn)一步發(fā)育，為通過(guò)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶提供一定借鑒。