特厚綜放工作面過斷層防治水技術體系實踐

李歲寧，伍增強，薛志強，朱浩浩

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在我國煤炭開采的發展歷程中，由斷層導致的水害事故屢見不鮮。近年來，隨著礦井采高、采深逐漸加大和開采水文地質條件的日趨復雜，在彬長、旬耀、華亭等礦區巨厚洛河組砂巖含水層下的斷層水害問題開始顯現，主要表現為深埋條件下斷層導致的頂板大流量突水、涌水潰泥等事故，給礦井安全生產帶來極大的水害威脅。國內學者針對采動條件下斷層應力演化特征[1]、活化機理[2]、斷層帶的物理力學性質[3]及注漿治理技術[4]進行了相關研究并取得一系列成果，然而以往研究多集中在斷層突水機理和破碎帶加固方面，針對巨厚砂巖含水層下特厚煤層綜放開采過斷層水害防治技術的研究較少[5-7]。為此，以彬長礦區孟村煤礦首采面揭露的DF29斷層為研究對象，通過物探和鉆探探查、理論研究和現場試驗的方法研究了DF29斷層的空間展布、含導水特征和水害危險性，并采用留設限高保護帶、超前注漿加固、采空區涌水滯后分流等措施對斷層水害進行了有效防治，形成了“A(過斷層前防治水措施)+B(過斷層期間防治水措施)”防治水技術體系，保證了工作面安全回采。

1 工程背景

孟村井田位于彬長礦區中西部，地質儲量10.19億t，可采儲量5.85億t，礦井設計規模600萬t/年，服務年限71.3年。礦井主采侏羅紀4號煤層，平均厚度16.25 m，水文地質類型為“復雜”型，主要充水水源為白堊系洛河組砂巖含水層，厚度220～390 m，平均厚度333 m。401101工作面為孟村礦井首個回采工作面，采用綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。工作面煤層厚度16.0～23.9 m，回采煤層平均厚度11.6 m。工作面主要充水來源為白堊系下統洛河組砂巖孔隙-裂隙含水層，厚度340～380 m，距離煤層頂板140～180 m，單位涌水量0.022 8～0.280 6 L/s·m，水質類型SO4-Na，礦化度930～5 103 mg/L。受巨厚洛河組含水層影響，彬長礦區多數礦井涌水量超過1 000 m3/h。401101工作面運順掘進至里程1 010 m時開始揭露斷層，落差15 m，傾向NE60°～65°，傾角65°～70°；回順掘進至里程633 m時揭露斷層，落差18 m，傾向NE65°～70°，傾角60°～65°；斷層揭露期間煤層頂板比較破碎，伴有少量的頂板淋滴水(未成線狀)，且斷層面充填有大量的斷層泥。

2 斷層探查及水害危險性分析

2.1 斷層槽波勘探

為探查兩順槽揭露斷層的展布情況，在401101工作面開展了槽波勘探工作，測線總長度為1 600 m。經過對勘探成果綜合分析，對工作面運、回順內揭露2個斷點進行組合，解釋為1條斷層(編號為DF29)。DF29斷層性質為正斷層，落差大于15 m，延展長度360 m，控制程度可靠，如圖1所示。

圖1 401101工作面槽波勘探CT成像

2.2 斷層含導水性探查

根據《煤礦防治水細則》相關要求，需對DF29斷層進行含、導水性探查及水害威脅評價[8-10]。為進一步探明和研究DF29斷層富水性狀況，防止回采期間發生重大水害影響正常生產，2018年11～12月，在401101措施巷施工斷層富水性探查孔6個，分別探查垂高30 m、60 m、90 m、120 m、150 m處斷層帶發育情況及含、導水性特征，所有鉆孔在接近預計斷層帶位置前均進行取芯工作，具體探查孔探查高度及涌水情況，如圖2所示。

圖2 401101工作面斷層富水性探查孔涌水量曲線

根據鉆孔探查情況分析，單孔涌水量為0.6～3.4 m3/h，DF29斷層落差大于15 m，已發育至安定組地層，垂向影響高度可達150 m，但未直接導通洛河組含水層。斷層帶寬度一般2～5 m，巖體破碎，裂隙發育，局部充填斷層泥。斷層帶有一定的儲水空間，鉆孔出水礦化度可達8 000 mg/L，表明以侏羅系含水層水為主，補給條件差，富水性弱。鉆探揭露斷層帶裂隙發育，導水性強，如導通強含水層將成為良好的導水通道。

2.3 斷層水害危險性分析

根據物探和鉆探探查結果，DF29斷層展布范圍大，斜穿整個工作面；發育高度大，到達安定組；斷層帶寬帶度達2～5 m，裂隙發育導水性好；在無強含水層補給時候，該斷層富水性差，影響較小。但當采動影響導致斷層活化，進一步溝通巨厚洛河組砂巖含水層，斷層帶可成為良好的導水通道，給工作面造成嚴重的水害威脅。同時受斷層影響，工作面在生產過程中仍存在頂板破碎帶冒頂的風險。

3 斷層水害防治技術

3.1 綜合技術體系

結合斷層水害危險性分析內容，工作面回采過斷層期間主要受頂板洛河組砂巖含水層影響。針對斷層的發育特征和水害影響特征，形成了以洛河組含水層為防控重點，以留設限高保護帶、超前截流、斷層帶超前注漿加固等為主要措施的防治水技術體系。該體系分為過斷層前和斷層期間水害防治技術措施，過斷層前主要采取限高保護帶留設、超前截流、斷層帶超前注漿加固、完善排水系統等技術；過斷層期間主要采取工作面煤壁側注漿加固、基礎資料收集及寫實、采煤工藝調整等技術。孟村煤礦斷層水害綜合防治技術體系，具體如圖3所示。

圖3 孟村礦過斷層水害防治體系示意

3.2 過斷層前水害防治技術

3.2.1 限高及保護帶留設

為保證巷道在回采過斷層區域安全生產，避免高強度開采擾動使斷層活化導通洛河組含水層，在預計開采影響斷層區域回采過程中采取限制采高措施。根據礦井兩帶觀測孔實測采裂比18.58，結合工作面斷層區域平均煤層采厚11 m，計算得斷層區域裂隙發育帶高度為204.38 m。參照附近M3-2鉆孔資料，此區域煤層頂板距洛河組間距174 m，距宜君組間距152 m，具體斷層發育軌跡及裂隙帶情況如圖4所示。為進一步避免斷層帶與洛河組含水層導通發生突水的情況，將斷層帶發育高度控制在洛河組以下，即當斷層帶發育至洛河組與宜君組中部時，便采取限制采高措施，計算得工作面距離斷層面走向方向75 m左右時需開始采取限采高(不放頂煤)措施，具體限采高區域示意如圖5所示。同時在該區域內保持快速持續推進，降低導水裂縫帶的發育高度及采動對斷層的影響，減少水害影響。

圖4 工作面斷層區域裂隙帶發育情況示意

圖5 工作面限采高保護帶區域示意

3.2.2 超前截流

為超前做好工作面過斷層期間防治水工作，礦井技術人員以采面順槽實際層位為依據，參考兄弟單位治水成功經驗，提出滯后排水方案，并將分水位置選在回采揭露斷層前190 m的回順3#聯巷處。在措施巷內施工大尺寸水溝(1.0 m×0.8 m)約600 m，3#聯巷施工專用分水墻體一道，設置排水管6趟，U型基礎1個。隨著3#聯巷成功分水，回采工作面上隅角老空出水量由670 m3/h減少至10 m3/h，順利實現下山回采期間滯后排水，大大減輕工作面過斷層期間兩順槽排水壓力。

3.2.3 斷層帶超前注漿加固

為超前預防工作面過DF29斷層期間出現頂板冒落、支架壓死、伴有大面積潰水潰沙的風險[11-12]，于2019年8月11～24日，在工作面回采揭露斷層前分別在運順721～822 m、回順679～799 m針對斷層面進行超前注漿加固。其中，運順施工9個鉆孔，回順施工8個鉆孔，共計注水泥漿液81袋，具體如圖6所示。

3.2.4 完善排水系統

參照工作面過斷層期間預測涌水量情況，對工作面原有的1#、2#水倉排水系統分別進行優化、改造。其中運順1#水倉容積800 m3，配備2臺流量為600 m3/h和2臺500 m3/h水泵，同時在水倉外水溝中放置2臺500 m3/h水泵，敷設3趟φ325 mm管路，有效排水能力達到1 500 m3/h；2#水倉容積400 m3，配備5臺流量600 m3/h水泵，敷設3趟φ325 mm管路，有效排水能力達到1 500 m3/h，大大降低過斷層期間發生水害事故的風險。

3.3 過斷層期間水害防治技術

3.3.1 工作面煤壁側注漿加固

工作面回采至1 496 m處(8月8日)運順揭露DF29斷層，落差18 m，傾向NE60°，傾角65°，回采至1 840 m處(12月4日)順利通過斷層，影響長度340 m，歷時122 d。為防止過斷層期間煤壁破碎，頂板垮落，8月6日～12月5日在煤壁側施工超前注漿孔，對斷層面及工作面煤墻進行注漿加固，共計施工注漿孔726個，注化學漿67 307桶，具體如圖7所示。

3.3.2 基礎資料收集

地質寫實：根據斷層發育情況，斷層揭露期間安排人員進行地質寫實，指導區隊及時調整層位，減少揭露斷層期間的破矸量，安全順利通過斷層。期間共計開展地質寫實為58次，形成專項地質寫實資料22次。

切眼標高實測：為了減少工作面過斷層期間運順側排水壓力，結合工作面實際情況對層位進行調整，過斷層期間及時對切眼標高進行實測，共計開展標高測量32次，其中運回順最大高差15.95 m，位于回采1 535.8 m處。

涌水量觀測：為做好工作面過斷層期間涌水量變化情況，堅持每周開展2次涌水量觀測，并對涌水量突變點及時監測，對水質化驗分析，判斷涌水來源，完善、優化排水系統，減少水害影響。工作面過斷層期間累計觀測涌水量45次，水質化驗45次，形成專業水質分析報告4份。

3.3.3 采煤工藝調整

調整思路：工作面回采過斷層區域主要為俯采段，且斷層影響區域存在運回順倒高差段，運回順高差最大16 m。為防止回采期間運順側出現大的涌水，影響工作面運輸系統，結合工作面實際情況對采煤工藝進行調整，采用“走向‘波浪式’擋水+傾向倒‘V’式分流”控制運順側涌水，減少水害影響。

走向“波浪式”擋水：利用工作面安裝的激光對走向方向先以0.5 m/刀的幅度進行仰采，整個工作面抬高1.0 m后，開始轉平，待支架底座全部轉平后，再按照0.5 m/刀的幅度進行俯采，俯采至整個工作面與兩順槽底板保持一個水平后，即完成整個“波浪式”擋水過程。通過“波浪式”回采，人為在采空區形成一道圍堰，將采空區積水經采空區沉淀后由水溝流出，進而直接流至排水點排出。

傾向倒“V”式分流：回采過程中沿傾向將工作面布置成倒“V”型，人為留設最高點作為工作面涌水的“分水嶺”，將大部分涌水擋至回順側，由工作面上隅角通過水溝自流至2#水倉，剩余一小部分流水由下隅角自流至運順1#水倉，具體如圖8所示。

圖8 工作面傾向倒“V”式分流示意

分流控水工藝：結合工作面涌水特征分析，工作面采空區出水一般滯后采面100 m左右。通過上述采煤工藝調整，采空區涌水大部分都被分水嶺“截流”在分水嶺以北，從措施巷及回順上隅角處經水溝流至2#水倉。從分水嶺下方“溜走”的極少部分涌水則被“波浪式”圍堰截流從下隅角過水通道經轉載機機尾水溝流出。具體分流控水工藝如圖9所示。

圖9 工作面分流控水工藝平面示意

4 結論

(1)彬長礦區孟村煤礦井綜放工作面復雜水文地質條件下，建立了“A+B”模式防治水體系，有效減少了工作面回采期間頂板水害威脅。

(2)通過采取“物探+鉆探”的防治水措施，驗證了DF29斷層存在性及其富水性特征，同時過斷層前采取4項治理措施超前防范，過斷層期間采取3項治理措施進行有效防控，大大減輕了過斷層水害影響。

(3)通過采用“A+B”防治水技術，確保工作面安全、順利通過斷層，未受頂板洛河組砂巖含水層水害影響。同時，創新了復雜或極復雜水文地質條件下綜放工作面過斷層期間防治水工藝，為相似水文地質條件采煤工作面過構造積累了經驗，具有較大的推廣應用價值。