采空區斷層裂隙帶注漿防治技術應用

曹 帥，劉 濤，史偉東

(陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

煤礦水害事故高發，多數是由于缺少對地質構造、水文地質情況的研究分析，缺乏對采掘地點與積水區水源之間水力聯系以及導水通道的有效探查，因資料不全而貿然組織生產，最終導致事故發生。近年來，煤礦水害事故中采空區水害所占比例大、死亡人數多，為主要礦井水害類型。斷層是引起礦井突水災害的主要因素。斷層一般是良好的導水通道，附近圍巖比較破碎，具有強度低、透水性大、抗水性差、自穩能力差的特性[1]。由于斷層的這些特性，在導通采空區的斷層威脅區域內作業時，必須采取有效的治理手段才能避免發生突水事故。注漿堵水[2-4]是將各種堵水材料制成的漿液壓入到破碎巖體中，使漿液擴散、凝固和硬化，從而達到提高巖層隔水性能和封堵突水通道的目的，是治理斷層突水的主要手段[5-7]。為保證生產安全，提高煤炭產量，國內眾多學者針對采空區導水斷裂帶水害問題開展了大量研究[8-17]，目前注漿堵水已經得到了廣泛應用，但由于注漿工程的隱蔽性，注漿理論的發展遠滯后于工程實踐，注漿工程尤其是裂隙注漿仍缺乏科學的理論指導。為此，以文家坡煤礦4103工作面為例，結合礦井水文地質條件，通過物探分析、數值模擬、斷裂帶注漿、效果驗證，以期為后續斷層導水問題提供理論支持。

1 工程概況

文家坡煤礦4103工作面南北布置，東臨4102工作面采空區，西接4104備采工作面，南依火石咀煤礦采空區，北靠4-2盤區勘查區，2條斷層橫穿工作面，如圖1所示。煤層結構較簡單，煤層中含夾矸0～3層。直接頂為粗粒砂巖、泥巖，粗粒砂巖厚度0.7～6.25 m，平均3.47 m，灰白色，粗粒砂狀結構，成分以石英長石為主，含少量云母，顆粒次棱角狀，分選較差，膠結疏松；泥巖深灰色、具水平層理，具有滑感，見水易碎，致密，斷口較平整?；卷敶至Ｉ皫r、泥巖，厚度0.23～6.10 m，平均3.16 m，灰白色，粗粒砂狀結構，成分以石英長石為主，含少量云母，顆粒次棱角狀，分選較差，膠結疏松。采用錨網支護方式，原生裂隙發育，相鄰工作面采空區頂板水、瓦斯通過斷層引向4103工作面，給礦井生產帶來安全隱患。為了加強區域防治水工作，防止透水事故發生，對頂、幫部斷裂位置進行注漿封堵。

圖1 4103工作面區域概況Fig.1 Overview of 4103 working face

2 斷裂帶危害程度探查分析

2.1 斷層

4103工作面揭露斷層斷點4個，將4個斷點進行組合后，得到斷層2條，編號依次為DF21、DF26、全部為正斷層，落差2～6 m，皆為北東走向，具體斷層特征見表1。

表1 4103工作面斷層特征

2.2 地面瞬變電磁與井下直流電法成果對比

4103工作面地面瞬變電磁與井下直流電法富水異常對比圖中藍色區域為地面瞬變電磁勘探所圈定的4號煤層頂板富水異常區，綠色區域為井下直流電法勘探所圈定的4號煤層頂板20 m附近的富水異常區，2種方法在4號煤層頂板附近所圈定的富水異常區基本吻合，如圖2所示。

圖2 4103工作面地面瞬變電磁與井下直流電法富水異常對比Fig.2 Comparison of water rich anomalies between surface transient electromagnetic method and underground DC method

2.3 工作面推采后斷裂區域發育情況模擬

2.3.1 數值模擬試驗模型建立

使用FLAC3D軟件對文家坡煤礦4103工作面推采后頂板裂隙發育情況進行模擬，建立的模型尺寸為600 m×1 000 m(X×Y)，模型高度為模型下底面距離工作面的實際距離，模型的側表面和下底面為固定邊界，模型上表面為自由邊界，采用摩爾-庫倫準則作為巖體破壞準則，建立的FLAC3D模型如圖3所示。

圖3 4103工作面FLAC3D模型Fig.3 FLAC3D model of 4103 working face

為方便模型建立與后期賦值計算，現將上覆巖層劃分為25層，各層組的層位、厚度、巖性和力學參數見表2。

表2 4103工作面上覆各巖層力學參數

考慮到室內測定各種巖性巖石力學參數時測試對象為巖石試樣，而模擬的各巖層為大尺度巖體，巖體中地質構造和裂隙等缺陷的存在會導致其強度明顯比巖石試件低，按仿真經驗將各巖層參數進行折減，系數為5。

2.3.2 工作面開采后覆巖破壞區分析

模擬開采4103工作面以研究其上覆巖層破壞特征，工作面采用分段回采的方法進行，每次回采20 m，工作面共計回采500 m，工作面回采不同階段采場圍巖應力分布和覆巖破壞情況如圖4所示。4103工作面開采的前期，如圖4(a)、(c)所示，采場最大垂直應力分布在工作面兩端，而采空區頂板主要承受拉應力，壓應力主要分布在地表。當工作面推進240 m(首次見方)時，采場最大應力集中分布在工作面前方5 m處，最大垂直應力值達到35.29 MPa，應力集中系數為2.71；當工作面推進至480 m(二次見方)，采場最大應力值集中在工作面處，最大應力值增大到38.42 MPa，應力集中系數為2.96。4103工作面推進20 m時，如圖4(b)所示，采空區頂板的底部主要受到拉張破壞，而在采空區的兩端則出現剪切破壞，覆巖破壞高度為12 m；當工作面推進至80 m時，如圖4(d)所示，覆巖破壞的高度進一步增加到50 m，且以張拉破壞為主，隨著工作面的推進，煤層頂板首先發生剪切破壞，進而在雙向拉應力的作用下發生拉斷、冒落。當工作面推進至240 m(首次見方)時，采空區兩端均出現正在形成的周期性拉張破壞，而采空區中部頂板均已形成周期性拉張破壞區，冒落帶高度為12 m，如圖4(f)所示；當工作面推進至480 m(二次見方)時，覆巖破壞高度達到160 m，此時認定導水裂隙帶發育高度即為采動后的覆巖塑性破壞區的發育高度。

圖4 工作面推進過程中采場應力和塑性區分布情況Fig.4 Distribution of stress and plastic zone during advancing of working face

3 基于封堵斷裂帶的巷道注漿方法

3.1 注漿思路

3.1.1 漿液固結形成截水帷幕

漿液經擠壓滲透到破碎煤巖體縱橫交錯的裂隙中固結后，在煤巖體中形成網絡骨架結構，在泵壓的作用下，除了將一些較大的裂隙充填滿，還可以將一些充填不到的封閉裂隙和小裂隙壓縮，甚至使其閉合。漿液固結體呈薄厚不一的片狀或條狀，幾乎可相互連通形成網絡骨架，注漿材料和煤巖體的固結體具有良好的韌性和粘結性，經過注漿固化后，裂隙內充滿固結材料，從而改善煤巖體的完整性，形成一大型截水帷幕，有效攔截了周邊水涌入巷道。

3.1.2 填密壓實限制斷裂帶破壞的擴展

當煤巖體中存在較大的裂隙，裂隙附近的巖體處于二向應力狀態，當裂隙內充滿固化材料或壓密后，將變為三向應力狀態，而巖體在三向應力狀態時的強度比二向時顯著增大，并且脆性減弱、塑性增強，起到了轉變巖體破壞機制和提高強度的作用。當煤巖體應力超過煤體強度，發生較大變形時，固結材料的網絡以其良好的韌性和粘結強度起到骨架作用，提高煤巖體的殘余強度，限制斷裂帶破壞的擴展，阻止斷裂帶進一步發育。

3.2 注漿鉆孔設計

3.2.1 注漿孔布置

根據裂隙發育狀況及巷道實際情況，沿斷層出水點布置6組注漿鉆孔，確保漿液對斷裂區域的全覆蓋，鉆孔參數見表3，鉆孔布置如圖5所示。

表3 堵水注漿鉆孔參數

圖5 鉆孔布置示意Fig.5 Borehole layout

3.2.2 單孔注漿量的確定

每個鉆孔注漿范圍為3 m×2 m×1.5 m(長×寬×高)的區域，注漿量為9 m3，孔隙率5%，注漿體積為0.45 m3，每鉆孔加固材料使用量約為0.5 t，注漿眼及頂幫端面出現漿液時立即停止注漿；頂幫出現掉渣及片幫等異常情況時立即停止注漿，觀測不少于6 h無異常后再注漿，單孔注漿時間嚴禁超過20 min。

3.3 注漿材料及設備

3.3.1 注漿材料

科塞敷堵水加固材料是液態有機高分子樹脂材料，材料性能見表4，A、B組分按固定配比通過專用氣動注漿泵和混合槍注入到滲漏水的煤巖體裂隙或空隙中，快速與水反應、膨脹、膠結，把滲漏水、突水通道封堵住，并且具有較高的粘結力和本體強度、較大的韌性，適應煤巖體一定變形。材料迅速反應，反應時間一般在20～40 s，2組分材料混合后，粘度迅速增大到2 000 MPa·s，同時與水反應快速發泡膨脹、稠度迅速增大，生成高強度、高韌性、高粘度的固結體，快速將涌水通道封堵，從而起到堵水作用。

表4 科塞敷堵水加固材料性能參數

3.3.2 注漿設備

泵及參數：氣動專用多功能注漿泵，性能參數見表5，實物如圖6所示。

表5 氣動多功能注漿泵性能參數

圖6 氣動多功能注漿泵實物Fig.6 Pneumatic multifunctional grouting pump

動力參數：礦井壓風0.4～0.7 MPa，風量不小于5 m3/min。

其他備件：延長管、封堵器、可曲撓注漿管、混合槍、高壓輸料管；鉆孔，孔徑42 mm，孔深1.5 m；壓風管路，風壓0.4～0.7 MPa，流量大于5 m3，管徑A19快速接頭，連接方式如圖7所示。

1-注射花管;2-封孔管;3-快速接頭;4-專用注射槍;5-高壓膠管;6-氣動注漿泵;7-樹脂;8-催化劑圖7 注漿鉆孔連接示意Fig.7 Connection of grouting boreholes

3.4 注漿方式

3.4.1 環向膨脹式封孔器實現定位封孔和注漿

采用環向自沖式封孔器進行鉆孔內注漿封孔。封孔器由阻尼片阻止漿液通過封孔器，漿液首先被壓入封孔器橡皮圈直到封孔器被固定在鉆孔壁上，產生環徑向束縛力，造成壓力迅速上升，橡膠環膨脹，在單向閥的作用下，橡膠環不能復位從而膨脹定位封孔。壓力達到阻尼片破裂壓力，漿液進入鉆孔內，橡皮片阻止封孔器松脫。

3.4.2 雙液混合注射

采用靜態攪拌器和均勻混合器以及單向閥、球閥等組成的雙液注射混合槍，實現雙組分漿液的孔口自動配比混合，漿液通過混合槍達到混合和均勻攪拌的雙重目的，實物如圖8所示。

圖8 封孔器實物Fig.8 Hole packer

3.4.3 工藝效果模擬

注漿壓力控制在8～10 MPa，漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴散半徑為1.5～2.0 m，單孔打眼注漿所需要的時間為一般為30～60 min，注漿效果模擬如圖9所示。

圖9 注漿效果模擬Fig.9 Simulation of grouting effect

4 注漿效果驗證

4.1 涌水量及有害氣體監測

漿液深入導水裂隙帶聯系通道，有效切斷巷道與相鄰工作面含水層含水體的水量補給路徑，提高了煤巖體的整體性，確保該區段無漏水、漏風現象。通過現場持續觀察監測，注漿后對各項指標進行持續觀測，無出水現象，瓦斯等有害氣體濃度降為0，見表6。

表6 注漿前后參數對比

4.2 含水體賦存查驗

經過對原始導水斷裂帶注漿改造后，利用直流電法對剩余含水體賦存情況進行查驗，通過對直流電法含水體賦存情況驗證圖分析知：斷裂帶已無明顯富水跡象，且原導水通道未顯現富水性，證明注漿治理效果良好，如圖10所示。

圖10 含水體賦存情況驗證Fig.10 Verification of occurrence of aquifer

4.3 圍巖變形監測及回采驗證

圍巖變形監測：對注漿段巷道變形進行監測，得出注漿段巷道表面位移數據曲線如圖11所示。注漿后底鼓量和兩幫移近量均得到控制，最大底鼓量為31 mm，兩幫最大移近量為44 mm。說明巷道原破碎煤巖體在漿液的作用下固結成完整體，使錨索(桿)發揮良好作用，很好地控制了巷道煤巖體變形破壞；其變化量最終趨于穩定，雖仍有一定變化，但不會構成大型導水通道。

圖11 圍巖變形觀測Fig.11 Deformation observation of surrounding rock

回采驗證：回采過程中工作面安全快速通過該斷層區域，未見突水現象，并且工作面已通過斷層200 m時，未發生滯后突水事故。經過回采實際驗證，斷層得到有效治理，實現了安全回采。

5 結論

(1)通過井下物探和回采觀測等手段進行注漿效果驗證，漿液沿裂隙均勻擴散，有效充填了斷裂帶，工作面回采過程中未發生出水現象，導水通道得到了有效封堵，表明注漿封堵是應對井下斷層危害的可靠方法。

(2)對工作面受構造影響形成的破碎帶進行注漿能夠有效阻隔有害氣體流通，抑制采空區漏風供氧，消除工作面回采所面臨的有害氣體聚集問題，實現了工作面煤層的高效回采。

(3)注漿后，巷道變形量得到有效控制，底鼓量最大為31 mm，兩幫最大移近量為44 mm，頂板沉降量為4 mm。經后期觀測，該段巷道沒有出現明顯的變形及破壞現象，限制了斷裂帶進一步發育，為通過復雜地質構造帶提供一定借鑒。