煤礦工作面斷層防水方案優化設計

薛志東

(晉能控股煤業集團 四臺礦，山西 大同 037003)

四臺礦8號煤層是主要開采煤層，位于太原組下部，煤層的走向是西北方向，傾斜方向是西南方向，煤層的平均厚度為5.75 m，埋深在570 m，平均傾角為20°，煤層中含有1～2層矸石，煤層的節理比較發育，煤硬度較低，直接底的厚度變化約9 m，煤層下覆依次是厚度為2.6 m的灰巖、1 m的泥巖和5.4 m的灰巖，在灰巖中存在含水層，根據礦區地質概況，工作面在回采期間主要受含水層的影響，加上受斷層的影響，因此，為了防止斷層與灰巖含水層出現貫通，要及時采取措施預防突水事故[1]。

1 防水煤柱留設寬度

8號煤層位于大斷層的上方，考慮煤層下側隔水層的隔水能力是否能承受住來自下側的水壓，可以參照《煤礦防治水規定》[2]的公式來計算防水煤柱的設置寬度L：

L=Ha/sinα

(1)

Ha=TsP+10

(2)

式中：L是煤柱設置寬度；Ha是斷層防水煤柱寬度；α是斷層傾角；P是含水層水頭壓力；Ts是突破含水層的臨界突水系數，一般取0.05 MPa/m。

根據上式計算，斷層傾角是影響防水煤柱設置寬度的重要因素，斷層的傾角越小，防水煤柱的設置寬度就越大，在煤層傾角為8°時，最大防水煤柱設置寬度為128 m，最小防水煤柱設置寬度為77 m，因此，某工作面井下防水煤柱設置寬度平均距離為102.5 m。

2 防水方案優化設計

結合8號煤層的水文地質資料，根據相鄰工作面的開采情況，在煤層開采后對下部富水層的壓力降低，導致富水層中的水更加容易通過導水裂隙帶流出；其次，斷層形成了新的導水裂隙帶，為富水層中的水提供了新的導水通道，造成突水事故。因此，為了盡可能降低開采動壓對煤層的影響，要對灰巖層進行阻滲注漿加固，以保護煤層下部的隔水層不被破壞。由于工作面受多斷層的影響，底板隔水層的裂隙帶導通，在水壓值穩定的情況下，斷層破碎帶附近的底板阻水能力小于含水層的實際水壓[3]。在進行優化設計時，要重點對斷層破碎帶進行注漿加固，來切斷導水裂隙帶的導水通道。根據工作面的實際情況，對斷層破碎帶的注漿加固相關參數進行設計。

2.1 注漿材料與水灰比

在進行注漿加固時，要求注漿的結石體有很高的強度和抗變形能力，綜合考慮注漿材料的特點、現場的施工情況以及漿液的強度等，讓漿液成型在一個70 mm×70 mm×70 mm的模具中，將成型后的結石體放在20 ℃的水中，測定漿液的結石抗壓強度是否在1.0 N/mm2。在阻水墻滿足抗壓強度后，對工作面進行注漿作業，采用水泥和水玻璃雙液漿作為注漿材料，在對兩種漿液進行混合前，要求6 h內漿液不凝固、不沉淀，在混合后，要求漿液凝固的時間在3～10 min，強度在8 MPa以上。漿液的水灰比保持在0.8∶1，如果出現漏漿，可以將水灰比維持在0.7∶1[4]。

2.2 注漿壓力

對8號煤層進行注漿加固時，在斷層破碎帶內裂隙發育程度較差，注漿加固所設計的注漿孔深度比較大，因而，注漿加固的注漿壓力保持在8 MPa。

2.3 注漿孔深及布置形式

在設計注漿孔時，要確保漿液充分流入斷層破碎帶的圍巖中，考慮工作面具體的實際情況，正巷布設孔深為8 m的注漿孔，副巷布設孔深為6 m的注漿孔，孔口管的規格是D200 mm、長度是2 m，將孔口管放入注漿孔中，并進行固定，注漿孔的平面布置如圖1所示。

圖1 注漿孔布置平面(m)

對巷道兩幫進行注漿孔施工，向兩幫偏移30°，最上方的注漿孔向上偏移25°，最下方的注漿孔向下偏移25°，每個孔之間相隔6 m，兩幫的注漿孔剖面如圖2所示。

圖2 注漿孔兩幫剖面(m)

2.4 施工工藝方法

進行注漿加固時，按照“安全施工檢查—敲幫問頂—定切眼—開注漿孔注管—進行壓力檢驗—鉆進—注漿—下一次鉆進—注漿直至終孔為止—清理現場”的工藝順序進行。其中，要特別注意，在每次注漿前，都要對其進行壓水，根據吸水率來判斷壓水效果；確定漿液的濃度和類型，根據工作面的實際情況，在必要時對調整漿液濃度配比；注漿作業結束后，要及時對注漿管理進行清洗，為后續工作提供依據。

3 防水方案應用效果

對8號煤層進行注漿加固試驗，驗證經注漿加固后正副巷的穩定性效果，對正副巷到斷層破碎帶部分進行鉆孔，同時安裝水壓力和應力傳感器，分析破碎帶區域在礦壓和空隙水壓力下的變化，通過對比，得出對斷層破碎帶進行阻滲注漿加固的效果，在進行觀測時，共布設3個觀測孔，其中，1號觀測孔在副巷4號鉆場，2號觀測孔在斷層的下盤，3號觀測孔在斷層破碎帶上，各觀測孔的具體參數如表1所示。

表1 各觀測鉆孔參數

1號觀測孔的應力傳感器埋深25.5 m，水壓傳感器埋深26.1 m；2號觀測孔的應力傳感器埋深24.4 m，水壓傳感器埋深25.7 m；3號觀測孔的應力傳感器埋深18.9 m，水壓傳感器埋深27 m，布設好觀測孔后，每天至少進行1次數據采集。

根據觀測結果得出，斷層破碎帶上的最大附加應力在1.2 MPa，兩盤巖體與破碎帶變化基本一致，而兩盤的水壓力相對較大，最大水壓力在194 kPa，觀測孔內的水壓力在推進過程中一直較小，可見，未出現斷層活化現象。根據注漿孔施工過程的觀測結果，在注漿過程中工作面的最大涌水量為80 m3/h，進行阻滲注漿加固后，工作面的最大涌水量只有18 m3/h，說明采用阻滲注漿加固技術，大大降低了巷道底板突水事故，確保了礦井的安全生產。

4 結 語

針對四臺礦8號煤層在回采過程中，底板隔水層破壞，斷層破碎帶出現的突水事故，提出一種新的斷層防水治理方案，結果如下：

1) 根據工作面的實際水文地質情況，確定防水煤柱留設的合理寬度，采用阻滲注漿加固防水方案，設計注漿加固相關參數。

2) 在8號煤層上進行注漿加固試驗，在注漿孔施工過程中，工作面的最大涌水量為80 m3/h，進行阻滲注漿加固后，工作面的最大涌水量只有18 m3/h，說明阻滲注漿加固大大降低了巷道底板突水事故，提高了斷層破碎帶的巖體強度，確保了礦井的安全生產。