安盛欣煤業9105 工作面斷層防水方案研究

任 杰 宋玉亮

（1.山西坤龍煤業有限公司，山西 呂梁 033400； 2.山西大同礦區安盛欣煤業有限公司，山西 大同 037000）

1 概述

安盛欣煤業9105 工作面開采9#煤層，采煤深度到270 m 左右，地質條件較為復雜。向西100 m左右存在大傾角斷層，落差約為65 m，且開采工作面內部也存在若干斷層，斷層落差在0.5 m 到5.5 m不等。突水事故的發生往往與斷層存在緊密聯系，為了安全高效地完成9105 工作面采煤作業，安盛欣煤業采用了留設斷層防水煤柱加澆筑防水密閉墻的綜合措施來降低工作面突水風險。

2 斷層防水方案設計

（1）留設防水煤柱

安盛欣煤業9105 工作面存在斷層，極大增加了突水事故風險。為了防止事故發生，將留設斷層防水煤柱作為應對措施來實施。留設斷層防水煤柱，核心點在于防水煤柱的寬度確定，如果煤柱寬度影響因素考慮不全，會使得煤柱寬度太小，無法起到防止突水發生、保護采煤工作面的作用，斷層的結構組成、礦山壓力以及水壓都直接影響預留煤柱的寬度。

① 斷層上盤煤柱確定

《煤礦防治水規定》中斷層防水煤柱寬度計算公式為：

式中：K 為安全系數，取2.5；M 為預留煤柱的埋深，實測為7 m；P 為突水層對預留煤柱形成的壓力，3.5 MPa；Kp為煤層抗拉強度，9105 工作面選取0.06 MPa。

計算斷層防水煤柱寬度為115 m。公式（1）僅考慮了水壓和煤層抗拉強度兩個參數，沒有考慮礦山壓力和構造應力作用影響，為此對煤柱預留寬度計算公式進行修正。

斷層上盤煤柱的留設需要考慮礦山壓力、構造壓力等因素，因此煤柱的寬度理論上可以分為三個部分，即維持煤礦開采工作面安全穩定的區域L1、維持斷層穩定的區域L3以及隔水有效區L2，區域分布如圖1 所示。

圖1 斷層上盤防水煤柱示意圖

根據圖1 所示，斷層上盤防水煤柱Lb的計算式為：

式中：Lb為斷層上盤防水煤柱寬度，m；rp為修正參數，一般選取煤礦埋深的0.015 倍；φ 為預留煤柱的煤層與相接觸的巖層的摩擦角度；θ 為斷層的傾角；K 為安全系數，本文選取2.5；P 為突水層對預留煤柱形成的壓力，MPa；M 為預留煤柱的埋深，m；Kp為煤層抗拉強度，選取0.06 MPa；λ為預留煤柱的煤層與相接觸的巖層系數，本文選取0.76；h 為斷層的落差，m。

通過9105 工作面相關參數測定與收集，最終計算的斷層上盤防水煤柱的寬度為134 m。斷層防水煤柱寬度由115 m 增加至134 m，考慮了礦山壓力和構造應力對防水煤柱留設的影響。

② 斷層下盤煤柱確定

如果開采煤層位于斷層的下盤，則在開采時有很大的概率會將斷層結構破壞，進而出現突水事故。因此在斷層下盤開采時，預留煤柱寬度必須考慮到采煤冒落帶高度，預留煤柱的安全高度則應該至少為采煤冒落帶高度的3 倍。

圖2 斷層下盤防水煤柱示意圖

圖2 中，斷層下盤防水煤柱的寬度為Lu，其計算式為：

式中：Lu為斷層下盤防水煤柱寬度，m；H1為預留煤柱高度，m，選取采煤冒落帶高度的3 倍，9105 工作面采煤冒落帶為5 m，即H1為15 m；θ為斷層的傾角；β 為開采沉陷移動角度。

通過9105 工作面相關參數測定與收集，最終計算的斷層下盤防水煤柱的寬度為36 m。《煤礦防治水規定》中斷層防水煤柱寬度為33 m，可以看出兩種煤柱寬度計算結果相近。

（2）澆筑防水密閉墻

防水密閉墻的外形尺寸按照9105 工作面回采巷道尺寸設定，采用4.2 m×3.2 m 的矩形結構，根據回采巷道附近斷層水壓，設計的防水墻需要滿足1.0 N/mm2的水壓，這對于單一混凝土防水墻的要求是非常高的。基于井下巷道施工環境狹小且高壓墻制造機械難以利用等原因，將單一防水墻設計成了混合多層防水墻結構，結構組成如圖3 所示。混合多層防水墻由三部分組成：面向斷層水方向的迎水墻厚度為3 m，面向回采巷道的背水墻厚度為1 m，中間起到固定抗壓作用的注漿隔水層厚度為4 m。混合多層防水墻施工時，需要注意施工順序。首先建立最里面的迎水墻，然后在一定距離外建立背水墻，背水墻上要設立注漿孔，當兩墻凝固完成后，從注漿孔內將混合完成的漿液注入到兩墻之間，最后堵塞注漿孔。

圖3 防水密閉墻結構組成示意圖

注漿隔水層中的漿液主要成分為水、砂石、水玻璃等，按照防水墻抗壓技術要求，進行漿液的配比。水、砂石、水玻璃體積比為1:3:1，是指對于漿液制造并沒有固定的配比要求，需要根據抗壓技術要求等技術參數進行試驗確定，然后進行施工。注漿過程中的漿液組成對抗壓效果有極大的影響，對于配比完成的漿液，一定要通過試驗進行抗壓能力確定。具體方法為：用70 mm×70 mm×70 mm的模具使漿液成型，將成型后的結石體放在溫度20 ℃左右的水中，測定漿液的結石抗壓強度是否滿足1.0 N/mm2。

注漿孔的結構也對注漿隔水層的抗壓能力有一定影響。在背水墻上鉆注漿孔的時候開孔用直徑152 mm 的牙輪鉆頭或直徑146 mm 的巖心管，鉆通孔后在孔內安裝Φ140 mm 孔口管，并用0.6:1 水泥漿液固管，水泥漿中添加早強劑。注漿孔結構具體如圖4 所示。

圖4 注漿孔結構圖

注漿量的確定同樣是非常重要的，只有將迎水墻和背水墻之間的空間全部填滿，且達到設計密度，注漿隔水墻才能起到抗壓作用。防水中間層空間前后的迎水墻和背水墻屬于剛性結構，但巷道兩側以及巷道頂存在一定的結構裂縫，計算體積時需要進行一定的修正。注漿量采用下述公式進行計算。

Q ＝K×V×η/c （4）

式中：Q 為注漿防水層注漿量，m3；K 為修正系數，取1.2；V 為注漿防水層體積，m3，按照剛性結構計算，即4.2 m×3.2 m×4 m；η 為注漿充填率，取0.75；c 為漿液結石率，0.8。

安盛欣煤業9105 工作面回采巷道的注漿量為60 m3，注漿采用注漿泵進行。注漿的時候要根據注漿孔的布置，首先進行最下部注漿，逐漸向上注漿。需要注意的是，注漿的時候要嚴格控制注漿工藝參數，不能為了節約時間一次性向注漿孔內注入全部設計漿液量。因為一次性注漿有很大概率使得漿液在采空區大范圍擴散，無法滿足抗壓效果要求。

3 結論

（1）經過對9105 工作面附近斷層防水煤柱的留設，有效防止了突水事故的發生。考慮了礦山壓力和構造應力對防水煤柱留設影響，通過計算防水煤柱的寬度，確定斷層上盤留設煤柱為134 m，下盤留設煤柱為36 m，煤柱寬度計算更加符合實際，防突水效果更好。

（2）在斷層開采后隔水層圍巖裂隙增大，雖有防水煤柱防護，但礦井深部開采時淺部積水大量涌入采空區，造成采空區水量大增，深部采空區積水水壓增加，導致9105 工作面掘進到22#前30 m時揭露斷層底板出水，出水點標高+207 m，出水量為75 m3/h。針對該斷層破碎帶采用“迎水墻+注漿隔水體+背水墻”的技術方案后，在回采過程中未出現突水、下沉及異常涌水現象，實現了9105 工作面安全順利回采。