煤礦斷層防水煤柱開采回收技術(shù)

肖德成

（鶴礦集團(tuán)峻德煤礦,黑龍江 鶴崗 154111）

1 引言

我國(guó)許多煤田的水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在部分煤層開采過(guò)程中會(huì)受到礦井突水的威脅，防治水問(wèn)題一直是煤礦生產(chǎn)及科研中的一大技術(shù)難題。隨著礦井向深部延伸，開采煤層所承受的巖溶含水層水壓將越來(lái)越大，受底板突水的威脅也將更加嚴(yán)重。如果不及時(shí)解決受承壓水威脅煤層的開采問(wèn)題，一些礦區(qū)將處于逐步減產(chǎn)甚至停產(chǎn)的狀態(tài)。

2 斷層的基本要素及類型

2.1 基本要素

所謂斷層是指巖層沿?cái)嗔衙姘l(fā)生顯著位移的斷裂構(gòu)造。為了描述斷層的性質(zhì)、位移和空間形態(tài)，給斷層的各個(gè)部位以一定的名稱。如斷層面、斷層線、斷盤、斷距、落差等，這些斷層的基本組成部分叫斷層要素：a.斷層面和破碎帶。巖層發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，總是沿著斷裂面進(jìn)行的，此面稱為斷層面。斷層面可以是直立的，但大多數(shù)是傾斜的。規(guī)模大的斷層，經(jīng)常不是沿著一個(gè)簡(jiǎn)單的面發(fā)生，而往往是沿著一個(gè)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)生，這個(gè)帶稱為斷層破碎帶，其寬度從數(shù)厘米到數(shù)十米不等。斷層面多是不平直的曲面，少數(shù)情況下是平面。在一個(gè)小的范圍內(nèi)可以把斷層面看作是平面，也同樣用走向、傾向及傾角表示斷層面的產(chǎn)狀；b.斷層線。斷層線是斷層面在地面上的出露線，也就是斷層面與地面的交線。斷層線的方向反映斷層延伸方向。斷層面與某一水平的水平切線的交線亦稱斷層線。在水平切面圖上的斷層線表示了斷層真正的走向；c.斷盤。被斷層面分開的巖體叫斷盤，其相對(duì)上升的巖體叫上升盤相對(duì)下降的巖體叫下降盤。如果斷層面是傾斜的，根據(jù)巖體與斷層面的關(guān)系，又有上盤位于斷層面上方的一盤與下盤位于斷層面下方的一盤之分。斷層面直立時(shí)，就無(wú)上、下盤之分；d.斷距。斷距是斷層兩盤沿?cái)鄬用嫦鄬?duì)移動(dòng)開的距離。未錯(cuò)開前的某一點(diǎn)，錯(cuò)動(dòng)后分裂為兩點(diǎn)，分別在兩個(gè)盤上，測(cè)量這兩點(diǎn)間的實(shí)際距離就是真斷距或稱總斷距。總斷距在自然界很難確定，在生產(chǎn)上也沒(méi)有實(shí)際意義。斷層的斷距通常是根據(jù)在不同方向的剖面上被錯(cuò)開巖層的距離來(lái)表示的。本文以下皆以地層斷距表示，所謂地層斷距是指垂直于煤巖層走向的剖面上，斷層兩盤同一煤層面之間的距離。目前我國(guó)各生產(chǎn)單位，對(duì)斷層落差的含義和解釋，有不同的看法，到現(xiàn)在還未取得一致意見；e.落差。一條斷層，在不同的地段落差不同。就是同一地點(diǎn)，在不同方向上作剖面，表現(xiàn)的斷層落差值也不相同。在采煤生產(chǎn)中最有意義的是沿巖層走向剖面上的落差。

2.2 斷層分類

根據(jù)斷層上下盤相對(duì)移動(dòng)的方向，可分為正斷層、逆斷層和平推斷層。正斷層是巖層斷裂后，其上盤相對(duì)下降，下盤相對(duì)上升；逆斷層是上盤相對(duì)上升，下盤相對(duì)下降。根據(jù)斷層面的傾角，又把逆斷層分成沖斷層斷層（傾角大于45°）、逆掩斷層（斷層傾角為45°-25°之間）和輾掩斷層（斷層傾角在25°以下）。平推斷層是斷層兩盤沿近于直立的斷層面作相對(duì)水平移動(dòng)的斷層。根據(jù)斷層的導(dǎo)水特征，斷層又可分為導(dǎo)水?dāng)鄬雍筒粚?dǎo)水?dāng)鄬印８鶕?jù)斷層的力學(xué)特征，可分為張性斷層和壓剪斷層（即張開型斷層和閉合型斷層）。

3 斷層突水因素分析

3.1 斷層突水的內(nèi)因分析

斷層的導(dǎo)水性能與斷層本身的性質(zhì)特征有緊密的聯(lián)系，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:a.與斷層帶附近巖體富水程度有關(guān)。b.斷層帶附近，含水層本身巖性破碎，裂隙發(fā)育，常常不同程度富水，為突水的形成提供了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。與斷層帶隔水層厚度有關(guān)。斷層帶隔水層厚度和抗水強(qiáng)度，隨著隔水層厚度增大，其抗水能力亦隨之增大。與斷層落差、傾角有關(guān)。斷層落差的作用是既改變了隔水層正常厚度，也改變了采掘工作面、煤系地層內(nèi)的煤層與含水層具有不同的接觸關(guān)系。井下中小型斷層，多數(shù)在平面和垂直方向上“擺動(dòng)”較大，斷層傾角也常有變化。

3.2 斷層突水的外因分析

在斷層帶形成突水的外因素主要有以下幾個(gè)煤柱尺寸和礦山壓力：煤柱尺寸。在礦山壓力作用下，所留斷層保護(hù)煤柱被壓碎，承壓水通過(guò)斷層面或斷層破裂帶突破工作面進(jìn)入工作面。保留足夠?qū)挾鹊谋Ｗo(hù)煤柱，使之不至于被礦山壓力破壞是防止承壓水進(jìn)入工作面的一條有效措施。但這是一條被動(dòng)的措施，而且還浪費(fèi)了大量的煤炭資源。礦山壓力。煤層底板隔水層中存在著固有裂隙結(jié)構(gòu)面，它們互相交錯(cuò)雜亂無(wú)章的分布，破壞了巖體的完整性，使之強(qiáng)度大大降低。煤層開采后，在支承壓力及靜水壓力的作用下原巖裂隙結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生不同程度的擴(kuò)張、延展，導(dǎo)致新裂隙的產(chǎn)生及原巖裂隙的“活化”，可能在底板產(chǎn)生具有連通性的裂隙結(jié)構(gòu)面。若該結(jié)構(gòu)面與五灰含水層相接，承壓水便會(huì)直接由底板進(jìn)入工作面，危害生產(chǎn)。五灰含水層上距采區(qū)煤層底板距離一定，只要我們能改造五灰含水層不含水或弱含水，這樣就可以使有效隔水層厚度增加，實(shí)現(xiàn)安全開采。

4 斷層帶注槳加固

4.1 斷層帶注槳加固原理

斷層帶注漿加固實(shí)質(zhì)是通過(guò)鉆孔向斷層帶附近巖體內(nèi)灌注漿液，充填灰?guī)r及其圍巖巖溶裂隙，改變含水層的富水性，封堵水源補(bǔ)給通道，堵塞導(dǎo)水裂隙，加固煤層底板隔水層，防止薄層灰?guī)r水突入礦井，實(shí)現(xiàn)安全采煤的技術(shù)途徑。該加固方法的原理主要體現(xiàn)在以下三方面：a.五灰中壓入漿液，漿液沿著灰?guī)r巖溶裂隙擴(kuò)散、結(jié)石，最后充填，把灰?guī)r中的水“置換”出來(lái)，使之不含水或弱含水；b.漿液在注漿壓力作用下，通過(guò)破裂帶沿著五灰水補(bǔ)給破裂帶的通道運(yùn)移、擴(kuò)散、結(jié)石，堵塞或縮小導(dǎo)水通道，減少五灰水對(duì)破裂帶的補(bǔ)給量；c.漿液在注漿壓力作用下，通過(guò)薄灰裂隙沿著導(dǎo)高裂隙運(yùn)移、擴(kuò)散、結(jié)石，充塞隔水層的導(dǎo)水裂隙，膠結(jié)強(qiáng)化隔水層。因此，對(duì)五灰?guī)r層注漿能起到改造、封源和加固的作用，不但可以防止五灰水大量地突水，而且可以防止五灰層下的其他含水層突水，從而達(dá)到安全采煤的目的。

4.2 注漿工藝

注漿系統(tǒng)。我們利用地面注漿站進(jìn)行造漿，通過(guò)井下注漿管路向井下注漿孔進(jìn)行注漿，在井上控制注漿壓力：a.注漿方式。注漿改造以最大量注漿、最大范圍的擴(kuò)散、最大限度的充填為目的，所以一般采用連續(xù)注漿發(fā)現(xiàn)巷道跑漿時(shí)采用間歇注漿，間歇時(shí)間4-8小時(shí)；b.泵量要求。根據(jù)鉆孔揭露的巖溶裂隙發(fā)育程度，涌水量大小、終孔位置的水壓確定泵壓及泵量。當(dāng)裂隙發(fā)育時(shí)，采用全泵量:當(dāng)裂隙發(fā)育較差或泵壓大于0.5MPa時(shí)，用中泵量:最后結(jié)束封孔時(shí)用小泵量，為40升/分，孔口壓力達(dá)到水壓的2-3倍，并需持續(xù)一定時(shí)間，一般為20 分鐘左右；c.注漿材料。在進(jìn)行斷層帶注漿改造時(shí)用FCL-C 漿液，但在最后封孔時(shí)一定要用水泥單漿液，這樣可保證封口強(qiáng)度要求。

4.3 注漿程序

①注漿前先進(jìn)行放水10-20 分鐘，并控制好放水量，將沉積在孔內(nèi)的巖粉沖出。②對(duì)注漿設(shè)備、注漿管路進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)的最大壓力為最大注漿壓力的1.5倍。③造漿:凡是有溶洞的造濃漿液，否則造稀漿液。④注漿:注漿過(guò)程中根據(jù)進(jìn)漿情況隨時(shí)調(diào)節(jié)泵壓、泵量及漿液濃度。一般要連續(xù)注漿，發(fā)現(xiàn)跑、串漿時(shí)可間歇注漿。⑤當(dāng)達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，最后再向孔內(nèi)壓一定的清水，將管路清洗干凈，關(guān)閉注漿孔水門，8小時(shí)后可打開水門，觀測(cè)孔內(nèi)是否還有涌水。

5 斷層防水煤柱安全回采技術(shù)措施

為了確保斷層防水煤柱的安全回采，在回采過(guò)程中，課題組還采取了以下安全技術(shù)措施。

減小工作面來(lái)壓強(qiáng)度。工作面回采時(shí)，我們?cè)诠ぷ髅骈_切眼提前打好兩排放頂眼，放頂眼斜長(zhǎng)2.0-3.0m。垂深不小于1.5m，放頂眼間距1.5m，工作面推出4m 后進(jìn)行人工放頂，工作面推進(jìn)過(guò)程中，視頂板冒落情況，由課題組人員會(huì)同工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)確定放頂范圍及方法，但規(guī)定任何情況下，工作面走向懸頂范圍不得超過(guò)10m，通過(guò)這些措施，大大減小了工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓階段的來(lái)壓的強(qiáng)度，減少了礦壓對(duì)工作面底板的破壞程度。

加快工作面的推進(jìn)度。如果運(yùn)輸戰(zhàn)線長(zhǎng)，提升距離遠(yuǎn)，為了減少中間運(yùn)輸環(huán)節(jié)，可在采區(qū)運(yùn)輸大巷中間新擴(kuò)了一個(gè)車場(chǎng)，增加了一部電機(jī)車，這樣運(yùn)輸能力比原來(lái)增加了一倍，幅度提高，另外通過(guò)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，合理安排各工序的作業(yè)時(shí)間。

工作面來(lái)壓前，開啟檢驗(yàn)孔截門工作面初次來(lái)壓前，對(duì)斷層帶施工的檢查孔開啟孔口截門，一方面泄水降壓，另一方面，避免在礦壓的作用下，承壓水從工作面底板裂隙薄弱帶涌出。

[1]靳德武.我國(guó)煤層底板突水問(wèn)題的研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002.

[2]劉進(jìn)曉.房柱式開采煤柱上支承壓力的研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005.

[3]王連國(guó).底板突水煤層的突變學(xué)特征[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001.