煤礦斷層防水煤柱開采回收技術探析

摘 要：隨著能源行業的發展，煤礦的開采技術也在不斷提高。但是煤礦開采的深入，斷層的受到各種因素的影響，會出現嚴重的突水現場，對于煤礦的開采安全會造成較大的影響，因此需要對其進處理，避免出礦井事故。注漿法收回斷層防水煤柱即為一項防止礦井突水問題的有效方式。文章簡要闡述了煤礦斷層分類；突水因素，包括內部因素及外部因素；斷層注漿加固技術，包括該技術的原理、注漿工藝、具體施工流程、防水煤柱安全回采技術等，為從該行事業的人員提供一定的參考與借鑒。

關鍵詞：煤礦；斷層；防水煤柱；開采回收

中圖分類號：TD823.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）11-0170-02

隨著我國經濟的發展，對于能源的消耗能力也在逐步提高，能源的需求量不斷增加，能源成為影響國民經濟的重要行業。煤礦即是其中極為重要的組成部分，煤礦的開采技術在礦產的發展中得到了較大的提高，但是由于煤田地質條件、水文環境、外部壓力等各種因素的影響，礦井向煤層的深處推進，其會受到巖溶含水層的巨大壓力，底板出現突水情況。礦井出現突水后，會給煤礦開采的安全管理帶來許多隱患，并會直接導致礦井的產量降低，甚至導致礦井報廢，治理斷層突水問題是該行業的重大技術課題。隨著技術的不斷更新，注漿法回收斷層防水煤柱以其操作簡單、安全性高、可靠性良好、技術先進、效果良好等諸多優點，而受到了較多的關注，成為發展前景廣闊的施工工藝。

1 斷層的分類

斷層依據不同的標準，可以分為多種類型。如果以斷層在上下盤對應移動的不同方向為標準，可以將斷層分為不同的類型，即正斷層、逆斷層、平斷層，各種類型斷層的形式均有較大差異，具體分析如下：

①平斷層。平斷層是指某斷面層較為挺拔，幾乎成為直立狀，而兩側的斷層盤隨著該斷層的方向進行水平運動。

②逆斷層。逆斷層有一定的傾斜角，按照傾角的大小有可以細分為不同的類型，傾角大于45°時，為沖斷層；當傾角在45°～25°之間時，為逆掩斷層；當傾角在小于25°時，則為輾掩斷層。如果將斷層的導水性作為分類標準，則可以將斷層分為導水斷層及不導水斷層。如果以斷層的力學特性作為標準，則可以將其分為張開型斷層和閉合型斷層兩大類。

2 斷層突水的原因

2.1 內部因素分析

斷層的地質特征、性能及周圍地質環境對其導水性有著直接的影響，包括斷層帶周邊巖體的富水率及其周邊的含水巖層的巖性碎裂及裂縫發育情況、隔水層的厚度等，具體內容如下：

①斷層帶周邊巖體的富水率。該因素不僅為突水提供了水源，也決定了水量的大小。

②含水巖層的巖性碎裂及裂縫發育情況。巖體的裂縫為突水的出現提供了物質基礎及流動通道。

③隔水層的厚度。隔水層的厚度越大，隔水效果越好，反之則越差。

④斷層落差及傾角。斷層的落差及傾角在一定程度上改變了隔水層的厚度，使之厚度不均勻，直接影響到煤礦開采的工作面及地層與含水層的接觸程度。許多中小型斷層，在平面方向及垂直方向上，厚度的波動較大，斷層的傾角也會隨之出現波動。

2.2 外部因素分析

除了上述內部因素意外，斷層受到的外部因素影響則是其出現突水的直接動力，該外部因素主要包括兩方面，即為煤柱規格和裂隙結構面狀態，具體內容如下：

①煤柱規格。礦山自身會產生巨大的壓力，在其的重壓之下，能夠使留置在斷層內的保護煤柱斷裂、破碎。而承壓水正是通過該類斷層的破碎或者斷裂的部位，而滲透至工作面。因此，將保護煤柱設置一定的規格，使之能夠足夠承受山體的外部壓力。該方法缺陷在于需要消耗較多的煤炭資源。

②裂隙結構面狀態。煤層底板隔水層中的裂隙具有一定的特性，如分布無序、交錯無度等，使巖體無法保持其完整性，并直接影響到其強度。煤層經過一定的挖掘、開采，以及支撐壓力和靜水壓力的影響，會擴大巖體的裂隙結構面，而衍生出更多的裂隙或將原裂隙激活，各個裂隙之間可能相互連通，形成范圍較大或者較為通暢的滲水通道。如果存在大量裂隙的結構面是連接到五灰含水層，承壓水即會通過裂隙通道直接從底板滲透至工作面，形成突水。采煤區的底板與五灰含水層存在一定的間距，且五灰含水層的含水量也決定了突水的嚴重性，降低五灰含水層的含水量能夠提高隔水層的厚度，保障安全生產。

3 斷層帶的注漿加固技術

3.1 技術原理

斷層帶的注漿加固技術即是先在斷層帶周圍的巖體上鉆孔，再將漿液注入該巖體內，將灰巖及周圍巖體額巖溶裂隙進行大量的填充，并堵住裂隙，封死突水水源流動的通道及防止其自由移動，降低含水層的富水性，且能夠使煤層底板隔水層強度提高，保證采煤礦井的施工安全。該施工原理的主要表現形式有以下幾種：

①將五灰含水層中注入漿液，該漿液會順著巖溶中的裂隙不斷的延伸到各個部位，并不斷硬化、結節，將裂隙封死，達到將灰巖中的水分置換出來。

②在注漿時，需要給予漿液一定的壓力才能使漿液沿著五灰水的通道進行移動，擴散達到一定的范圍，將裂隙縮小或者直接封堵，降低五灰水對斷裂帶的水分供應量。

③注漿在巨大的壓力下，通過薄灰裂隙，將隔水層中的導水裂隙安全封閉，膠結后，提高隔水層的強度。因此，應用注漿加固技術，能夠有效的改善五灰巖層的富水性，封閉裂隙并提高其強度，控制五灰水及其他含水層出現突水現象。

3.2 施工工藝及流程

先在地面設置注漿站，制作出足量的漿液，并利用井下注漿管路將注漿置入井下，并在井上對于注漿壓力進行有效的控制。注漿的方式一般選擇為連續注漿，是注漿量達到最大值，盡量擴大注漿的活動范圍，并達到最大限度填充裂隙的目的。如果巷道出現漏漿、跑漿的現象，則可以選擇間歇注漿的方式，間隔的時間一般為4～7 h。注漿材料一般選擇FCL-C漿液，封閉空口時應使用水泥單漿液，提高封口的強度及密封性。在泵量上，需要先在鉆孔后考察巖溶裂隙的發育情況、終孔的位置、實際涌水量等，設置泵量、泵壓等參數。當裂隙發育較為成熟，則需要設置為全泵量；如果裂隙發育不佳時，設置為中泵量；注漿完畢后封孔，應設置為小泵量，孔口壓力為水壓的3倍左右，并持續20 min。施工的一般流程為注漿施工前需要先進行20 min左右的防水處理，控制水量，使之能夠帶出孔內的巖粉。檢查并測試施工設備及注漿管路，試驗壓力一般選擇是注漿壓力峰值的1.5倍。如果巖體存在溶洞，則制作漿液是，應提高漿液的濃度；如果沒有，則可以降低漿液的濃度。設置好壓力泵的各項參數，并選擇合理的注漿方式。當注漿達程度達到一定的程度后，需向鉆孔內注入一定量的清水，清潔管路，并閉合注漿孔的水門，8 h后，開啟水門，檢測是否還存在涌水現象。

3.3 斷層防水煤柱安全回采技術

在斷層防水煤柱回采的過程中，需要實施一系列措施，以保障回采的安全性，具體措施有以下幾種：

①減低工作面來壓大小。先在工作面打好一定量的放頂眼，在工作面推出一定距離后，開始人工放頂。在工作面的推進過程中根據頂板冒落的程度，決定放頂方式及范圍，以減少工作面首次來壓及周期性來壓階段的來壓強度，有效的控制礦壓對于工作面底板的影響。

②施工檢查。在工作面來壓之前，需檢驗孔截門打開，可以通過泄水的方式減少壓力，且能夠防止承壓水在礦井壓力的影響下，穿透工作地板脆弱的裂隙而涌出來。

③提高推進度。在采礦區擴建車場，增加電機車數量，提高運輸能力，并強化現場管理，提高工作面的推進度。

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