厚松散層薄基巖工作面內(nèi)斜穿斷層注漿加固安全開采研究

雷 煜，王友峰，曹思文，張 強(qiáng)，張 民

（1.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司 楊村煤礦，山東 兗州 272118）

0 引 言

隨著礦井可采儲量的減少，開采受松散含水層威脅的淺部煤層已成為礦井延長壽命、挖潛革新的首選目標(biāo)[1-5]，但上覆松散含水層受采動影響易引起含砂量較高的水砂混合物潰入井下工作面[6-8]，尤其在工作面內(nèi)覆巖中存在斷層時，斷層破碎帶不僅形成水砂突涌通道，而且斷層的存在還導(dǎo)致采動覆巖破壞帶高度增加，發(fā)生水沙突涌，造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡的嚴(yán)重事故，給礦井的安全生產(chǎn)帶來威脅[9-10]。山東兗州煤田普遍分布較厚的第四系松散層，兗礦能源集團(tuán)股份有限公司楊村煤礦位于兗州煤田西北部，其330 提限開采工作面內(nèi)桲欏樹二號斷層斜穿整個工作面，而330 工作面按沿底分層開采，加上剩余頂煤厚度，基巖最薄處煤巖柱高度僅23.6 m，而按底分層綜采3.0 m 厚度條件下留設(shè)防砂安全煤巖柱的最小垂高應(yīng)為22.7 m。在厚松散層極薄基巖提限工作面內(nèi)斜穿斷層不利的條件下，為保障工作面開采的安全性，綜合該區(qū)域水文、地質(zhì)及構(gòu)造等條件，分析了斜穿斷層對安全提限開采的影響，提出了桲欏樹二號斷層注漿加固思路，設(shè)計(jì)了斷層注漿加固方案，并在井下現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)施及注漿加固效果檢驗(yàn)；結(jié)合相應(yīng)安全技術(shù)措施，順利完成了330 工作面的安全開采。

1 概 況

1.1 楊村煤礦330 工作面位置

330 采煤工作面位于3 煤采區(qū)北部，西北臨T301 工作面，東南臨301、303、305、307 工作面采空區(qū)，北臨礦井邊界保護(hù)煤柱，南臨331 工作面（設(shè)計(jì)）。形狀近似呈梯型，走向長度258～272 m，傾向?qū)挾燃s182 m，面積約48 544 m2。

1.2 楊村煤礦330 工作面開采條件

（1）第四系下組底部含水層水文地質(zhì)特征。330 工作面內(nèi)底部含水層有效厚度13.7～19.8 m，從南到東北呈現(xiàn)逐漸變薄的趨勢。根據(jù)距離330 工作面西部約190 m 的水文地質(zhì)孔類比推測，該含水層還有約25 m 高度的水頭壓力。

（2）煤層上覆基巖厚度。330 工作面3 煤覆巖厚度從東到西逐級變薄，由東的42.6 m 向西逐漸變薄至18.1 m 左右。

（3）工作面構(gòu)造特征。330 工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜，根據(jù)巷道實(shí)際揭露情況及《3 煤區(qū)域三維地震勘探報告》分析，該面發(fā)育1 條正斷層，為桲欏樹二號，走向167°～170°，傾向257°～260°，傾角50°～60°，落差8.0 m，工作面上巷、下巷掘進(jìn)中均揭露。

1.3 楊村煤礦330 工作面提限開采設(shè)計(jì)

330 工作面3 煤層設(shè)計(jì)開采厚度3 m，預(yù)計(jì)底分層開采條件下最大垮落帶高度約16.7 m。按《“三下”開采規(guī)范》（2017），保護(hù)層厚度6 m。底分層綜采3.0 m 厚度條件下330 工作面按防砂安全煤巖柱留設(shè)的最小垂高應(yīng)為16.7+6.0=22.7 m。

330 工作面基巖柱厚度在18.1～42.6 m，3 煤層平均厚度8.5 m，則上覆3 煤層約5.5 m 厚度的作為偽頂考慮，則該開采條件下底分層上覆煤巖柱最小厚度約18.1+5.5=23.6 m。這個厚度大于最小防砂煤巖柱高度（22.7 m）。

2 工作面內(nèi)斜穿斷層對安全提限開采的影響分析

2.1 工作面斜穿斷層開采覆巖破壞高度理論計(jì)算分析

根據(jù)類似條件工作面過斷層開采覆巖破壞的實(shí)測數(shù)據(jù)及相關(guān)研究表明[11-12]，在工作面穿過斷層開采覆巖破壞高度一般是無斷層條件下的1.3～1.5倍；按前述理論預(yù)計(jì)底分層開采3 m 最大垮落帶發(fā)育高度為16.7 m 進(jìn)行類比分析可知，330 工作面在斜穿桲欏樹二號斷層（采高3 m）開采時覆巖垮落帶的破壞高度為21.71～25.05 m，其接近或超過工作面內(nèi)最小煤基巖23.6 m；從理論計(jì)算的角度分析認(rèn)為，當(dāng)工作面開采斜穿斷層時，覆巖垮落帶增大，在工作面基巖極薄基巖區(qū)覆巖的垮落范圍很大程度上會發(fā)育至第四系松散層，從而增加了誘發(fā)水砂突涌災(zāi)害的風(fēng)險，影響工作面的安全開采。

2.2 工作面斜穿斷層開采覆巖破壞特征數(shù)值模擬分析

為更準(zhǔn)確地獲得工作面斜穿斷層開采覆巖的破壞特征，根據(jù)330 工作面實(shí)際地質(zhì)及開采技術(shù)條件，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，建立相關(guān)的數(shù)值計(jì)算模型，然后模擬330 工作面實(shí)際開采（采高3 m）覆巖的破壞特征，具體的數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示，基巖厚度為20 m，以拉剪破壞巖體作為垮落帶范圍。

由圖1 分析可知，330 工作面在無斷層條件下開采（采高3 m）垮落帶的最大發(fā)育高度約16 m，導(dǎo)水裂縫已進(jìn)入松散層底部；當(dāng)工作面推過斷層時，斷層面附近拉剪破壞的覆巖范圍增加，其垮落巖體已增至松散層底界，模擬結(jié)果與理論預(yù)計(jì)結(jié)果基本一致。

圖1 覆巖破壞數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.1 Numerical calculation results of overburden failure

綜上分析認(rèn)為，330 工作面薄基巖受風(fēng)化影響嚴(yán)重，巖體自身裂隙發(fā)育，工作面正常開采時頂板管理難度較大，根據(jù)前述330 工作面斜穿桲欏樹二號斷層開采覆巖破壞的理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，330 工作面在薄基巖區(qū)域，按設(shè)計(jì)采高3 m 開采斜穿桲欏樹斷層時覆巖垮落帶會進(jìn)入松散層底部，極易誘發(fā)頂板抽冒及水砂突涌災(zāi)害，因此，為了保證330 工作面的安全開采，從改善斷層附近巖體性質(zhì)的角度，提出對薄基巖區(qū)斷層進(jìn)行注漿加固再開采的思路。

3 斷層注漿加固設(shè)計(jì)

3.1 注漿加固位置

山東省煤炭工業(yè)局以魯煤安管字[2008]71 批復(fù)意見，楊村煤礦3 煤采區(qū)按留設(shè)防砂安全煤巖柱進(jìn)行管理，煤巖柱大于31.6 m，小于38.6 m 范圍內(nèi)，采高7.7 m，采用網(wǎng)下綜放開采。設(shè)計(jì)初步選擇31.6 m 作為治理段劃分的界限，在330 工作面內(nèi)斷層位置基巖厚度小于31.6 m 段作為治理段。另外考慮在330 工作面初期開采頂板的冒落形態(tài)，桲欏樹二號斷層加固的東北界限選擇在工作面運(yùn)輸順槽揭露斷層位置沿?cái)鄬用娲瓜蛏衔恢谩＞唧w加固段位置如圖2 所示，跨度共計(jì)105 m。

3.2 鉆孔布置

總體布孔的思路為：采用后孔驗(yàn)證前孔的方式，注漿前后斷層帶取芯檢驗(yàn)注漿效果，動態(tài)調(diào)整注漿設(shè)計(jì)參數(shù)（孔位及注漿材料）。共預(yù)設(shè)注漿鉆孔11 個，在平面上，在斷層帶注漿加固段鉆孔間距10 m；在剖面上，鉆孔終孔設(shè)計(jì)于第四系底界下8 m 位置的斷層面位置。注漿孔設(shè)計(jì)如圖2 所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2 330 工作面桲欏樹二號斷層注漿加固鉆孔布置Fig.2 Grouting reinforcement drilling layout of Poluoshu No.2 fault in No.330 Face

表1 注漿孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of grouting hole

實(shí)際施工時先施工5 號、7 號鉆孔，鉆孔在預(yù)設(shè)進(jìn)入斷層帶前后2.0 m 范圍取芯。5 號、7 號孔注漿完成后，施工間隔部位的6 號孔，同樣在進(jìn)入斷層帶前后2.0 m 范圍取芯，通過兩側(cè)孔的注漿量，6 號孔與5 號、7 號孔斷層帶巖心對比，分析漿液是否已擴(kuò)散至6 號孔位。如果證明6 號孔位漿液擴(kuò)散加固效果較好，則后續(xù)僅完成施工奇數(shù)號孔即可；如果6 號孔位無漿液擴(kuò)散現(xiàn)象，則所有設(shè)計(jì)鉆孔需全部施工。施工完成后，再在間隔部位補(bǔ)打鉆孔，通過取芯，檢驗(yàn)注漿效果。

4 注漿加固施工過程及加固效果分析

4.1 注漿加固施工過程

楊村煤礦330 工作面桲欏樹二號斷層注漿加固施工從2019 年9 月20 日進(jìn)場準(zhǔn)備，9 月27 日開孔鉆進(jìn)，至10 月16 日檢查孔終孔，實(shí)際施工20 d，單孔孔深68～95 m，總鉆巖進(jìn)尺1 005 m，掃孔進(jìn)尺130 m。

按照5 號孔為中心先兩邊逐孔間隔施工，最后在1 號、2 號孔之間布置12 號檢查孔，6 號、7號孔之間布置13 號檢查孔對注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)（圖2b）。

該次楊村煤礦330 工作面桲欏樹二號斷層注漿加固共注入水泥41.7 t，固管消耗水泥3.8 t，合計(jì)消耗水泥45.5 t，單孔注漿量2.5～6.0 t，檢查孔注漿量0.7 t、0.8 t（圖3）。

圖3 各孔注漿量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Grouting quantity statistics of each hole

4.2 斷層加固效果分析

4.2.1 鉆進(jìn)過程分析

所有13 個鉆孔鉆進(jìn)施工過程中出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象的鉆孔共4 個，為2、4、7、10 號孔，其中2、4、10 號孔通過取芯確定卡鉆處為結(jié)構(gòu)較完整的白色砂巖，且卡鉆位置與斷層帶預(yù)測位置差異較大。根據(jù)預(yù)計(jì)斷層位置分析，7 號孔卡鉆位置應(yīng)為斷層帶位置。綜上分析，所有13 個鉆孔僅有1 個鉆孔在斷層帶位置有卡鉆現(xiàn)象，未出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔埋鉆現(xiàn)象；各孔施工過程中在斷層帶鉆進(jìn)時無特殊異常反應(yīng)，分析認(rèn)為斷層破碎帶整體寬度較小，且斷層帶較為密實(shí)。

4.2.2 鉆孔出水分析

所有13 個鉆孔，僅4 號、7 號孔有出水現(xiàn)象，出水量為0.1 m3/h、2.0 m3/h，根據(jù)出水深度分析，出水位置應(yīng)為斷層破碎帶；整體出水鉆孔少、單孔出水量小、出水無明顯水壓，說明斷層帶富水性弱、導(dǎo)水性差。

4.2.3 注漿量分析

原假設(shè)斷層帶厚度1.5 m，漿液充填率6%，漿液的結(jié)石率取0.6，漿液損失系數(shù)為1.2，預(yù)計(jì)注漿量為水泥156 t，而實(shí)際注漿量為41.7 t，僅為預(yù)設(shè)注漿量的27%。注漿量偏少可能由于斷層破碎帶厚度或破碎帶空隙度小于預(yù)設(shè)值，斷層破碎帶厚度小則斷層的潛在威脅降低，斷層空隙度小則說明斷層帶密實(shí)，斷層的威脅同樣降低。

4.2.4 檢查孔施工分析

12 號和13 號檢查孔均無出水及卡鉆現(xiàn)象，兩孔注漿量為0.8 t、0.7 t，較注漿孔單孔注漿量明顯偏小，說明注漿質(zhì)量整體較好。

4.2.5 檢查孔窺視分析

利用兩檢查孔開展鉆孔窺視，12 號、13 號檢查孔窺視深度分別為86 m、70 m，兩孔孔壁結(jié)構(gòu)整體較穩(wěn)定，12 號、13 號檢查孔孔深71 m、50 m以深段巖層有明顯風(fēng)化裂隙發(fā)育，窺視段均無明顯的斷層破碎帶發(fā)育，根據(jù)巖層對比分析12 號、13號檢查孔的斷層所處深度預(yù)計(jì)為85.6 m 及61.5 m位置，與原預(yù)計(jì)位置較吻合，如圖4、圖5 所示。

圖4 12 號檢查孔窺視圖片F(xiàn)ig.4 Peeping picture of No.12 inspection hole

圖5 13 號檢查孔窺視圖片F(xiàn)ig.5 Peeping picture of No.13 inspection hole

通過窺視成果分析，330 工作面桲欏樹二號斷層帶發(fā)育不明顯，厚度較小，斷層帶充填較為密實(shí)，無明顯出水現(xiàn)象。

綜上從鉆孔鉆進(jìn)、鉆孔出水、注漿量、檢查孔施工及窺視成果綜合分析，楊村煤礦330 工作面桲欏樹二號斷層無明顯的斷層帶發(fā)育，斷層充填較密實(shí)，原生富水、導(dǎo)水性弱；斷層注漿加固起到了較好的效果。

5 工作面開采驗(yàn)證

330 工作面于2019 年11 月18 日開始回采，2020 年9 月5 日回采結(jié)束，工作面回采過程中無涌水、涌砂現(xiàn)象，尤其是薄基巖區(qū)開采穿過桲欏樹二號斷層時未出現(xiàn)斷層活化涌水（砂）情況，歷時近11 個月，共安全采出煤量資源44.60 萬t，平均回采率達(dá)97.98%。

6 結(jié) 語

楊村煤礦330 工作面松散層厚，基巖厚度薄，且存在桲欏樹二號斷層斜穿整個工作面，按沿底分層開采最小煤巖柱高度略大于留設(shè)防砂安全煤巖柱的所需最小垂高，為了保障工作面開采的安全性，利用理論預(yù)計(jì)和數(shù)值模擬方法，對工作面斜穿斷層開采覆巖破壞高度及工作面開采的安全性進(jìn)行了分析，提出了斷層注漿加固治理實(shí)現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)的思路，根據(jù)所確定的工作面內(nèi)斷層注漿范圍，完成了注漿鉆孔的布置、注漿過程等注漿加固的方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工，并從鉆孔鉆進(jìn)、鉆孔出水、注漿量、檢查孔施工及窺視成果方面檢驗(yàn)了斷層注漿加固的效果；結(jié)合相應(yīng)安全技術(shù)措施，順利實(shí)現(xiàn)了工作面的安全開采，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。研究成果對于實(shí)現(xiàn)受斷裂構(gòu)造影響下厚松散層極薄基巖工作面的安全開采具有科學(xué)的指導(dǎo)和借鑒意義。