掘進巷道過含水斷層水害分析及施工工藝＊

呂兆海 閆學忠 朱海魚 賈 川 李立波 李 陽

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.神華寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市，750004）

礦井水災害是煤礦地質災害的重要組成部分，它嚴重影響著煤礦的安全生產。突水預測預報是礦井突水災害防治研究的一個重要方面，很多學者致力于這方面的研究工作。楊善安詳細分析了斷層在采空區的位置及要素與突水的關系，得出斷層面傾向采空區方向的采空區邊界底板斷層最容易發生突水事故，尤其是當斷層傾角同最大膨脹線相吻合時，突水最容易發生；譚志祥基于巖體極限平衡理論，分析了斷層突水的力學機制，得出了突水與否的判別公式；葛亮濤利用P-H 曲線、黎良杰等利用關鍵層理論對礦井突水發生的條件進行了探討；呂保民等總結礦井導水通道發生突水防治措施，主要有物探、鉆探、留設煤柱、注漿、提前疏放和水位觀測等。

1 頂板透水預測分析

水害對礦井的威脅主要表現為煤層頂底板附近的含水層富水、聯通地表水體或地下強含水層的煤層構造、充水老窯采空區等幾種形式。在采掘前對各種可能引起礦井水害的因素進行準確探測是有效防止礦井突水災害發生的關鍵。

1.1 透水災變理論分析

本著預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采的安全生產原則，加強工作面水害形成機理分析，用含水層儲水性能即含水量大小 （Water-Bulk）、煤體上覆巖體裂隙擴展高度 （Destroyed-Height）以及透水與否 （Water-Inrush）3 個參數來表示頂板是否透水以及透水量大小。含水量大小及煤體上覆巖體構造裂隙是突變理論中的兩個控制變量，透水與否這個參數是尖點突變理論中的狀態變量，上述3個參數坐標 （W-B，D-H，W-I）的三維空間給出了一個曲面，如圖1所示。

圖1 頂板透水突變模型

基于以上假設，頂板是否發生透水是隨著含水層含水量大小及煤體上覆巖構造裂隙擴展高度的變化而變化。如果含水層含水量足夠小，透水量將隨著裂隙高度的不斷向上發展而緩慢增長；如果含水量足夠大，隨著煤體上覆巖層裂隙高度的不斷擴展，透水量將出現一個跳躍性增長；當裂隙擴展高度與含水層含水量沿著路徑I變化時，頂板將從穩定（不透水）跳躍到不穩定（透水）狀態。隨著巷道向前掘進，后方巖體在上覆巖層壓力作用下構造裂隙閉合，含水層水壓減小，滲流率緩慢減弱，在突變模型中為沿分歧點集外運動的漸變過程（路徑II）。

1.2 斷層突水探測原則

斷層突水特征如表1所示，現場遇到下列情況時必須探查斷層含 （導）水性：

（1）采掘工作面前方或附近有含 （導）水斷層存在，但具體位置不清或控制程度不夠時。

（2）采掘工作面前方或附近預測有斷層存在，但其位置和含 （導）水性不清，有可能發生突水時。

（3）采掘工作面底板隔水層厚度與實際承受的水壓力都處于臨界狀態 （即等于安全隔水層厚度和安全水壓的臨界值），在掘進工作面前方和采面影響范圍之內是否存在斷層情況不清，一旦遭遇很可能發生突水時。

（4）斷層已經被巷道揭露或穿過，暫時沒有出水跡象，但由于隔水層厚度和實際水壓力已經接近臨界狀態，在采動影響下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已經和強含水層導通。

（5）采掘工作面附近構造不明，井巷工程接近或計劃穿過的斷層淺部不含 （導）水，但在深部有可能發生突水時。

2 工程應用

羊場灣井田生產補充地質勘探范圍是西部以東廟詳查區邊界及周家溝于家梁背斜為界，北部以20勘探線為界，東部以石槽村井田邊界為界 （即長梁山向斜軸），南部以楊家窯正斷層為界。南北長10km，東西寬3.2～5km，面積36.32km2。深部補勘區新發現斷層16 條，其中逆斷層7 條，正斷層9條。斷層破碎帶內煤巖破碎，裂隙發育，分布向深部延伸，裂隙多為砂質、泥質充填，斷層導水性較好。掘進下山揭露F201正斷層時，多次出現涌水和流砂，掘進頭冒落，伴生泥石流災害，最大涌水量90m3／h，涌出泥砂約5000m3。

表1 斷層突水特征

2.1 工作面概況

+980m 回風大巷采用錨網噴、錨索聯合支護，半圓拱形斷面，巷道凈寬5300 mm，凈高4350mm，施工凈斷面積25.4 m2，沿二煤掘進，二煤結構簡單，煤厚7.1～9.3 m，平均煤厚8.2m，二煤偽頂為炭質泥巖，直接頂為粉砂巖、細砂巖，老頂為中砂巖、粉砂巖。根據勘探地質資料分析，+980 m 回風大巷在掘進過程中將揭露DF9正斷層。

2.2 工作面水害隱患分析

（1）頂板水害分析。頂板水涌出的影響因素不僅與含水層賦存的水體類型、特征、賦存條件有關，還與煤層頂板隔水層的水文地質條件、地層構造有關。施工巷道位于第Ⅲ含水層組的下部，根據勘探資料分析，第Ⅲ含水層組含水豐富，主要以一層煤頂板粗粒砂巖含水為主，該含水層的水可通過節理、裂隙導入巷道。

（2）斷層水害分析。DF9正斷層落差大，為張性導水斷層，在局部或區域側向拉伸力作用下，張裂程度較大，由于斷層帶孔隙多、孔隙度大，加之斷層兩盤富水性較強，常伴有次生裂隙構造，形成斷層的裂隙帶，與斷層破碎帶共同構成斷層水的儲存體和良好通道。當巷道掘進揭露斷層，斷層破碎帶內的水或者斷層溝通煤層頂板含水層的水會使礦井涌水量顯著增加。

2.3 過導水斷層施工工藝

本著有疑必探、先探后掘的原則，在斷層前方100m 處打鉆探查水文特征。單孔深50.0 m，鉆孔依次穿過二層煤、泥巖、粉砂巖、中砂巖、一層煤、粗砂巖。2＃、3＃鉆孔施工過程中探查到正斷層DF9（導水性好，涌水量20 m3／h）。工作面過斷層過程中，采用注博特威加固圍巖，堅持先堵水，再加固，后掘進。超前探測鉆場布置見圖2。

圖2 超前探測 （斷層）鉆場布置

（1）超前疏放水。對煤層頂板水進行可控疏放對減小巷道涌水量十分重要，采用疏水降壓是頂板水防治的重要工作。當工作面掘至距斷層約10m 時，采用坑道地質鉆機，在頂板施工2～3個泄壓導水孔 （孔徑?75 mm），導水孔終孔位置應距巷道頂板20m，孔深應滿足導水孔進入斷層帶5m。

（2）預注漿加固。斷層影響區內煤巖體雖具有一定殘余強度，但其抵抗圍巖變形的能力顯著降低，通過提前注射馬麗散、博特威等化學材料，改善弱面的力學性能，即提高裂隙的粘結力和內摩擦角，從而固結斷層破碎帶松散巖層，杜絕潰沙、潰水事故發生，保證斷層破碎區頂板安全。滲透半徑是確定加固區內注漿孔間距及數量的依據，其取決于注漿壓力與時間、裂隙密度、裂隙開度、裂隙迂曲度、漿液的運動黏度、漿液的膠凝時間等，注漿漿液的擴散半徑用式 （1）計算：

式中：R——漿液擴散半徑，cm；

pc——注漿孔內壓力，MPa；

p0——受注裂縫內地下水壓力，MPa；

T——注漿時間，s；

b——裂縫寬度，cm；

rc——注漿孔半徑，cm；

u——漿液黏度，MPa·s。

注漿量的大小取決于注漿壓力、時間、煤巖體裂隙的發育程度、破碎狀況及滲透性等，還與注漿過程中漿液的跑漏情況有關，每個注漿孔的注漿量可用式 （2）進行計算：

式中：Q——單孔注漿量，kg；

A——漿液消耗系數，取1.2～1.5；

L——鉆孔長度方向加固區長度，m；

n——巖石的裂隙率，取1%～10%；

B——漿液的充填系數，取0.7～1.0。

將上述數值代入式 （2）可得單孔注漿量為

110kg。

根據先支護后注漿的原則，工作面掘至距DF9斷層約4m 處沿巷道輪廓線超前施工注漿孔，邊注漿邊掘進，每次注漿加固范圍為5.0m，向前掘進3.0m 進行下一循環注漿。預注漿鉆孔工藝布置如圖3所示，每循環布置9個孔，孔徑32mm，孔深6.0 m，頂孔仰角15°～20°，幫孔外擺15°，孔間距1.4m。

圖3 預注漿鉆孔工藝布置圖

（3）超前架棚維護。采用鋪雙層網、架設U型鋼棚、噴射混凝土聯合支護，距斷層面10m 時由外向里架設U 型鋼棚，每架設三架棚后噴射混凝土支護到掘進頭。根據斷層段圍巖硬度采用鎬刨、炮掘或綜掘施工，循環進度在0.5～0.8 m，掘進一個循環及時架設U 型鋼棚。若煤巖體非常破碎，采用鎬刨或風鎬施工，邊掘進邊打設頂錨桿；若煤巖體硬度較大，可縮小循環進度，放小炮掘進。U 型鋼棚參數見圖4（a）。

圖4 架設錨注工藝

（4）全斷面錨注加固。采用注漿錨桿實現錨、注合一，對巷道破碎圍巖進行 而有所增大，相對瓦斯涌出量隨著煤炭產量的增大而呈負指數關系減小，同時隨著配風量的增大，工作面瓦斯涌出量逐漸增大。

（3）正常回采過程中，直接頂垮落，工作面瓦斯涌出量是其未垮之前的1.33倍，而初次來壓后瓦斯涌出量是來壓前的1.6倍，此后隨工作面推進一定的距離，工作面瓦斯涌出量均會出現周期性增大，其周期與礦山壓力的來壓步距幾乎相等。

［1］ 李樹剛，林海飛，成連華.綜放開采支承壓力與卸壓與瓦斯運移關系研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2004 （19）

［2］ 李樹剛.綜放開采圍巖活動及瓦斯運移 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2000

［3］ 趙超.采煤工作面瓦斯涌出量預測 ［J］.煤炭技術，2012 （4）

［4］ 戴廣龍，汪有清等.保護層開采工作面瓦斯涌出量預測 ［J］.煤炭學報，2007 （4）

［5］ 呂伏，梁冰等.基于主成分回歸分析法的回采工作面瓦斯涌出量預測 ［J］.煤炭學報，2012 （1）

［6］ 王忠奎.工作面瓦斯涌出量預測及瓦斯來源分析［J］.礦業安全與環保，2008 （3）

［7］ 陳向軍，王兆豐，賈東旭.史山煤礦回采工作面瓦斯涌出量預測研究 ［J］.煤炭科學技術，2007 （5）

［8］ 趙建會，孫榕鴻.礦井回采工作面瓦斯涌出量預測新途徑 ［J］.西安科技大學學報，2011 （6）

［9］ 趙帥，付茂政等.高強度開采工作面瓦斯涌出規律及防治技術研究 ［J］.中國煤炭，2012 （10）

［10］ 林柏泉，張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1996

［11］ 戴廣龍，儲方健.綜采放頂煤工作面瓦斯涌出規律的分析 ［J］.煤礦安全，2005 （8）

［12］ 游浩，李寶玉，張福喜.陽泉礦區綜放面瓦斯綜合治理技術 ［M］.北京：煤炭工業出版社，2008