斷層對帶壓開采煤層工作面底板突水影響分析及防治技術(shù)

畢瑩瑩

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團，山西 介休 032000）

引言

隨著礦井采深不斷增加，煤層賦存區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，不僅制約煤炭生產(chǎn)效率而且給瓦斯、水以及頂板災(zāi)害治理等帶來制約[1-2]。隨著災(zāi)害治理能力不斷提升，礦井水害防治技術(shù)以及裝備水平等均得以快速發(fā)展，水害防治也從以往以疏排為主轉(zhuǎn)向疏排、構(gòu)筑防水墻、封堵導(dǎo)水裂隙等綜合防治水方式[3-6]。斷層影響范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，是煤礦井下常見導(dǎo)水構(gòu)造之一，在煤炭回采通過斷層影響區(qū)時應(yīng)首先對斷層是否存含水、是否具備導(dǎo)水性等進行探測，并依據(jù)現(xiàn)場探測結(jié)果采用針對性防治水措施[7]。山西某礦3#煤層回采時面臨底板承壓水影響，當(dāng)開采底板中含有斷層等地質(zhì)構(gòu)造時，會給煤炭生產(chǎn)安全帶來影響。為此，本文以3#煤層5303 綜采工作面回采為工程背景，對開采范圍內(nèi)煤層底板斷層對生產(chǎn)影響進行分析，并提出以改造底板為核心的防治水技術(shù)，現(xiàn)場取得較好防治水效果。

1 工程概況

山西某礦井田范圍內(nèi)開采煤層包括有2#、3#、7#、9#及13#等，其中2#煤層局部可采，現(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在3#煤層，煤層厚度均值6.09 m，頂?shù)装逡陨皫r、砂質(zhì)泥巖等為主，具體巖性參數(shù)見表1。礦井開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，在開拓巷道、井筒等掘進期間揭露有多條斷層。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

5303 綜采工作面設(shè)計推擠長度1 789.78 m、采面面長296.6 m，根據(jù)回采巷道掘進揭露以及物料資料顯示，在5303 綜采工作面開采期間會揭露F521 斷層（H=1.5 m、248°∠55°）、F522 斷層（H=1.7m、212°∠63°）等多條斷層，不排除開采范圍內(nèi)存在有其他落差較小的隱伏小斷層；同時采面底板巖層中發(fā)育有多條斷層，斷層上下兩盤交匯處破碎，是良好的導(dǎo)水通道。礦井開采的3#煤層主要隔水層為底板鋁質(zhì)泥巖、泥巖等，隔水層厚度介于14～76.8 m，當(dāng)隔水層厚度較小且遇到地質(zhì)構(gòu)造時，容易導(dǎo)致底板承壓水通過裂隙向回采空間涌出，導(dǎo)致采面涌出量增大。為此，需要對斷層煤層底板突水影響分析并依據(jù)現(xiàn)場情況提出針對性防治水技術(shù)措施。

2 采面底板斷層突水影響分析

導(dǎo)致采面生產(chǎn)期間底板出現(xiàn)突水因素較多，其中影響較為明顯因素包括有底板含水層水壓、隔水層厚度、開采影響程度以及地質(zhì)構(gòu)造等[8-9]。

2.1 底板斷層對含水層水壓影響

在5303 綜采工作面開采之前，斷層處于相對穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，但是隨著煤巖開采影響，在超前支承壓力、地應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力等綜合作用下，斷層附近巖體會出現(xiàn)一定程度位移導(dǎo)致斷層活化，斷層影響范圍內(nèi)部分不導(dǎo)水裂隙在外界因素作用下可能出現(xiàn)一定導(dǎo)水性。底板承壓水通過斷層裂隙向回采空間涌出，從而導(dǎo)致采面出現(xiàn)異常涌出問題。

2.2 斷層對底板隔水層影響

隔水層可阻斷底板水向回采空間涌出，3# 煤層底板隔水層主要為鋁質(zhì)泥巖、泥巖等，隔水層總厚度介于14～76.8 m。但是當(dāng)采面底板存在有斷層時會降低底板隔水層有效厚度，從而增大底板承壓水向開采空間涌出量。具體底板斷層對隔水層有效厚度影響如下頁圖1 所示。

圖1 斷層對底板隔水層有效厚度影響示意圖

2.3 地質(zhì)構(gòu)造影響

在斷層發(fā)育范圍內(nèi)往往伴生有其他小地質(zhì)構(gòu)造，斷層會降低3#煤層底板完整性；同時當(dāng)斷層與其他地質(zhì)構(gòu)造（如褶曲、陷落柱等）存在水力聯(lián)系時，會增加底板承壓影響范圍，進一步增加底板突水風(fēng)險。

3 底板防治水技術(shù)

3.1 采面底板突水系數(shù)計算

5303 綜采工作面開采范圍內(nèi)3# 煤層底板標(biāo)高為+302～+335 m，而3# 煤層底板承壓水底板標(biāo)高為+500 m，底板承壓水標(biāo)高較3# 煤層底板高約198 m。采用突水系數(shù)公式對5303 綜采工作面開采時底板突水系數(shù)進行計算：

式中：T 表示突水系數(shù)，MPa/m；P 表示底板含水層水頭壓力，MPa；M 表示底板隔水層有效厚度，m。根據(jù)5303 綜采工作面現(xiàn)場情況計算得到T=0.073 MPa/m，超過規(guī)定的臨時突水系數(shù)0.06 MPa/m。5303 綜采工作面在回采期間面臨較大底板突水風(fēng)險，特別是在底板斷層影響區(qū)內(nèi)底板突水風(fēng)險會顯著增加。

3.2 底板注漿加固

通過上述分析得出，在5303 綜采工作面回采期間面臨底板突水風(fēng)險，特別是底板斷層發(fā)育區(qū)由于有效隔水層厚度降低，導(dǎo)致底板突水風(fēng)險更高?，F(xiàn)階段常用的底板突水防治技術(shù)包括有降低底板承壓水壓力（疏排水）、底板隔水層注漿改造（增加隔水層有效厚度），若采用疏排水技術(shù)方法則面臨疏排水耗時長、費用高等問題；通過底板隔水層注漿改造增大隔水層有效厚度具有治理成本低、防治水效果好等優(yōu)勢，因此文中選擇采用注漿方式對底板隔水層進行改造。

在5303 綜采工作面回采巷道內(nèi)采底板施工注漿鉆孔，對底板進行注漿改造。注漿鉆孔采用型號TXB-1000 鉆機施工，注漿設(shè)備采用250/40 泥漿泵，注漿材料選用水泥漿。具體采面回采巷道內(nèi)注漿鉆孔布置見圖2。在采面回采巷道內(nèi)共計施工2 569 m 底板注漿鉆孔，底板水泥、砂注入量分別為1.6 萬t、589.8 t。底板注漿壓力控制在3 MPa，鉆孔注漿時若漿液滲透量小于50 L/min 且持續(xù)20～30 min 時，即可停止該鉆孔注漿。5303 綜采工作面底板注漿工作共耗時150 d完成。

圖2 底板注漿鉆孔布置示意圖

3.3 防治水效果分析

在對5303 綜采工作面底板完成注漿加固后，采面回采期間底板始終保持干燥，在推進至底板斷層發(fā)育區(qū)以及采面斷層發(fā)育區(qū)時，在采動壓力作用下底板雖然發(fā)育有裂隙，但是仍未有底板承壓水涌出情況；通過對底板注漿有效增加底板隔水層厚度，避免底板承壓水通過斷層導(dǎo)水裂隙或者底板采動裂隙等向回采空間涌出。

4 結(jié)論

1）依據(jù)5303 綜采工作面現(xiàn)場情況對采面底板斷層對底板突水影響進行分析，采面回采至底板斷層發(fā)育區(qū)時，在采動壓力、地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力等綜合作用下容易導(dǎo)致斷層活化并引起底板裂隙擴張，在底板承壓水作用下更容易出現(xiàn)突水問題。

2）采用理論計算公式求得5303 綜采工作面回采期間底板突水系數(shù)為0.073 MPa/m，底板有一定突水風(fēng)險。為降低底板突水防治耗時、防治水費用并提高防治水效率，提出采用注漿方式對底板進行加固，提升底板含水層有效厚度。

3）根據(jù)現(xiàn)場條件對底板注漿加固鉆孔布置方案進行設(shè)計，現(xiàn)場應(yīng)用后通過回采巷道內(nèi)布置的底板注漿鉆孔向底板注入水泥、砂，注入量分別為1.6 萬t、589.8 t，采面回采期間底板始終保持干燥，未出現(xiàn)涌出、突水等情況，取得較好防治水效果。