候村煤礦構(gòu)造應(yīng)力區(qū)綜采工作面過(guò)斷層防治水技術(shù)

郭亮亮

（山西沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

斷層是巖體受構(gòu)造應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度極限時(shí)，發(fā)生斷裂錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象。伴隨巖體的斷裂錯(cuò)動(dòng)，兩盤(pán)巖體之間形成斷層破碎帶，破碎帶常夾帶斷層泥、風(fēng)化碎屑、斷層角礫及軟弱夾層，其附近巖體受構(gòu)造應(yīng)力作用完整程度及承載力均較差，并可能與含水層導(dǎo)通形成導(dǎo)水通道，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。近年來(lái)，隨著煤礦采深、采厚逐漸加大及開(kāi)采面臨的水文地質(zhì)條件日益復(fù)雜，處于褶曲軸部應(yīng)力集中的工作面過(guò)斷層防治水工作的困難程度加大，主要表現(xiàn)為由斷層導(dǎo)通頂板含水層導(dǎo)致潰水、潰沙等事故的發(fā)生，且潰水常夾帶大量的角礫、碎屑，造成采掘工作面排水系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致水害事故的發(fā)生。近年來(lái)，針對(duì)受采動(dòng)應(yīng)力影響下斷層活化機(jī)理[4]、破碎帶的巖石力學(xué)性質(zhì)及超前注漿加固技術(shù)等方面開(kāi)展了技術(shù)研究并取得一系列成果，但多集中在斷層破碎帶加固及突水機(jī)理方面，針對(duì)處于含水層下褶曲軸部應(yīng)力集中的工作面過(guò)斷層防治水技術(shù)的研究相對(duì)較少。因此，候村煤礦結(jié)合3605 工作面實(shí)際地質(zhì)采礦條件，對(duì)含水層下褶曲軸部應(yīng)力集中工作面過(guò)斷層水害防治技術(shù)開(kāi)展研究及實(shí)踐，對(duì)保證工作面安全開(kāi)采具有重要意義。

1 工程概況

候村煤礦3605 工作面運(yùn)輸巷回采位置為里程840 m 處，回風(fēng)巷回采位置為里程843 m 處，工作面前方發(fā)育有A5 向斜且即將回采至該向斜軸部應(yīng)力集中區(qū)。工作面62#～72#架在回采過(guò)DF14 斷層期間發(fā)生漏頂，由于漏頂深度較大且圍巖破碎，形成導(dǎo)水通道，造成洛河組含水層水大量涌入工作面，涌水量約310 m3/h，且涌水夾帶大量的斷層泥、碎屑潰入工作面，造成工作面排水系統(tǒng)癱瘓。

DF14 斷層為發(fā)育在工作面回采里程825～860 m范圍的正斷層，基本貫穿工作面傾向范圍，該斷層走向?yàn)楸睎|及近東方向，傾向?yàn)槟蠔|及近南方向，傾角65°，實(shí)揭落差為0～10 m。由于煤層頂板25 m、65 m、105 m、135 m 及155 m 范圍存在低阻異常區(qū)，推斷DF14 斷層與含水層導(dǎo)通的可能性極大。斷層平面位置示意圖如圖1。

圖1 斷層平面位置示意圖

2 構(gòu)造區(qū)斷層水害機(jī)理及防治技術(shù)

2.1 構(gòu)造區(qū)斷層水害形成機(jī)理

由187 勘探鉆孔、巷道實(shí)揭及高抽巷打鉆資料分析，DF14 斷層附近煤層平均厚度15.2 m，工作面采高3.5 m，放頂煤高度11.7 m。根據(jù)回采工作面“三帶”發(fā)育規(guī)律，若導(dǎo)水裂隙帶沿頂板向上發(fā)育，導(dǎo)通頂板上部含水層造成涌水進(jìn)入工作面形成水害事故[5]。因此，須摸清、確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的規(guī)律、高度，用于指導(dǎo)防治水工作。通過(guò)分析水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，即對(duì)比工作面回采前后洛河組含水層水位，確定滯后工作面60～70 m 時(shí)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通洛河組含水層，采空區(qū)頂板出現(xiàn)洛河組含水層涌水，工作面切巷以外則不會(huì)出現(xiàn)。

3605 工作面運(yùn)輸巷現(xiàn)回采至里程840 m 處、回風(fēng)巷回采至里程843 m 處，工作面55#～57#架揭露DF14 斷層，支架頂梁前方發(fā)生漏頂、淋水增大。隨著工作面推進(jìn)至斷層及A5 向斜軸部，受工作面超前應(yīng)力影響，斷層活化，斷層附近圍巖破碎程度、強(qiáng)度及承載力進(jìn)一步降低，導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步發(fā)育并向工作面方向擴(kuò)大，與洛河組含水層提前導(dǎo)通。涌水進(jìn)入工作面架后、架間及架前，淋水量急劇變大。經(jīng)分析，頂板含水層水通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入工作面及采空區(qū)，尤其是在工作面揭露DF14 斷層附近頂板漏頂區(qū)域經(jīng)水流沖刷，形成新的集中導(dǎo)水通道，該通道是工作面淋水的主要通道，且通道淋水點(diǎn)隨著頂板巖石冒落逐步前移，在架前及架間的頂板區(qū)域均出現(xiàn)大量涌水。

2.2 防治技術(shù)體系

結(jié)合3605 工作面實(shí)際地質(zhì)采礦條件，工作面回采過(guò)DF14 斷層期間，主要的充水水源為頂板洛河組含水層水。基于DF14 斷層、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征、規(guī)律及工作面受水害影響特征，形成“一重點(diǎn)、兩階段、六措施”防治水技術(shù)體系。“一重點(diǎn)”即重點(diǎn)防控洛河組含水層，“兩階段”即過(guò)斷層前和過(guò)斷層期間進(jìn)行水害防治工作，“六措施”即超前埋管截流、架前頂板支護(hù)、過(guò)斷層前超前注漿及過(guò)斷層期間限采高、滯后疏導(dǎo)老空水及設(shè)置導(dǎo)水水頭高差等措施。

3 工程應(yīng)用

3.1 過(guò)斷層前水害防治技術(shù)

（1）超前埋管截流

工作面向前推進(jìn)的過(guò)程中，運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷高差逐漸減小，安排在運(yùn)輸巷比回風(fēng)巷高差5 m 時(shí)，預(yù)埋12#鋼管作引水管路，每間隔30 m 安設(shè)一個(gè)三通，預(yù)留二次收水口。轉(zhuǎn)載機(jī)段巷道底板為正坡度，在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾處埋管引水，阻止、減少老空水進(jìn)入轉(zhuǎn)載機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)管路將水引至回風(fēng)巷環(huán)形水倉(cāng)，之后利用水倉(cāng)排水系統(tǒng)將水排出。

（2）架前頂板支護(hù)

為提高頂板巖石強(qiáng)度及承載力，采用錨索配合網(wǎng)片對(duì)支架前梁間隙進(jìn)行支護(hù)，每架間隙處按水平夾角60°向煤墻施工錨索，間距為1.75 m，錨索規(guī)格為21.8 mm×7100 mm1860 鋼絞線，托盤(pán)規(guī)格為Ф16 mm×300 mm×300 mm。通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，工作面頂板強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。

（3）超前注漿加固

為進(jìn)一步提高工作面前方頂板圍巖強(qiáng)度，采取超前注漿措施對(duì)斷層帶進(jìn)行加固。

① 注漿材料。選用SCPJG-2 型復(fù)合加固材料，分為A、B 兩種角料。

② 注漿參數(shù)，注漿孔采用KMQT-130 錨桿鉆機(jī)進(jìn)行施工。注漿孔布置在煤墻處，距底板高度3.5 m，孔間距3.5 m，即隔架組織施工。注漿孔孔徑42 mm，孔深6 m，方位角180°，豎直夾角45°。注漿管采用4 分鋼管加工，花管長(zhǎng)1.5 m，使用2 m專(zhuān)用封孔器封孔。注漿孔剖面示意圖如圖2。注漿孔施工完成后，注入A、B 兩種角料配比的注漿液。注漿過(guò)程中若出現(xiàn)漏漿，需暫停20～30 s 待漿液初凝后再次復(fù)注，若多處漏漿，則在該注漿孔與相鄰注漿孔中間交叉施工一排，再次注漿。

圖2 注漿孔剖面示意圖（mm）

3.2 過(guò)斷層期間水害防治技術(shù)

（1）限高開(kāi)采

為減少工作面超前采動(dòng)應(yīng)力影響使DF14 斷層活化，繼而導(dǎo)致斷層帶導(dǎo)通洛河組含水層，在斷層受工作面超前采動(dòng)應(yīng)力影響的區(qū)域采取限采措施。通過(guò)礦井觀測(cè)孔測(cè)得采高與導(dǎo)水裂隙帶高度比為21.25，結(jié)合工作面前方斷層區(qū)域煤厚資料分析，確定該區(qū)域煤層采厚為15.2 m，則得出導(dǎo)水裂隙帶高度為323 m。為最大限度避免DF14 斷層與含水層導(dǎo)通發(fā)生潰水現(xiàn)象，將斷層帶發(fā)育高度控制在含水層以下，安排地質(zhì)人員對(duì)巖層產(chǎn)狀、涌水量及破碎情況進(jìn)行編錄，掌握斷層分布特征，安排在過(guò)斷層前后35 m 區(qū)域不放頂煤，同時(shí)加快工作回采進(jìn)度，保證導(dǎo)水裂隙帶高度、斷層帶高度低于含水層，降低工作面回采對(duì)斷層的影響，杜絕水害事故的發(fā)生。

（2）老空水滯后疏導(dǎo)

3605 工作面正常回采至回風(fēng)巷環(huán)形水倉(cāng)時(shí)，需回撤水倉(cāng)排水設(shè)備。為滿(mǎn)足老空水疏放要求，沿3605 工作面施工專(zhuān)用泄水巷。當(dāng)工作面后部運(yùn)輸機(jī)與泄水巷聯(lián)巷里幫平齊時(shí)，回風(fēng)巷后部運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭底板標(biāo)高較泄水巷水面高1.5 m，滿(mǎn)足向泄水巷排水要求。環(huán)形水倉(cāng)設(shè)備拆除后，水倉(cāng)處開(kāi)始積水且水面不斷上升，通過(guò)施工擋水堰、機(jī)尾抬升及深挖、擴(kuò)刷運(yùn)輸機(jī)巷水溝等措施，使老空水疏放系統(tǒng)與工作面前后部運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)隔離，實(shí)現(xiàn)老空水與工作面煤泥分離，提高了回風(fēng)巷機(jī)尾臨時(shí)排水系統(tǒng)的安全可靠性，減少了頻繁換泵對(duì)工作面生產(chǎn)的影響，保證了工作面正常回采及水害“零影響”。

（3）設(shè)置滯后導(dǎo)水水頭高差

工作面回采至里程1030 m 之前，運(yùn)輸巷上隅角底板標(biāo)高低于采空區(qū)水位，除利用泄水巷正常疏水外，需在工作面上隅角安裝排水系統(tǒng)進(jìn)行排水。工作面回采至1030 m 時(shí)，上隅角處底板標(biāo)高+324.4 m，泄水巷聯(lián)巷口底板標(biāo)高+319.7 m，水面標(biāo)高+320.7 m。經(jīng)計(jì)算及觀測(cè)，上隅角與泄水巷導(dǎo)水高差為3.7 m，采空區(qū)水位保持不變，實(shí)現(xiàn)平衡，老空區(qū)水全部流入泄水巷，工作面上隅角不再排水。根據(jù)工作面及泄水巷底板標(biāo)高，管控導(dǎo)水平衡高差，及時(shí)消除了老空水對(duì)工作面順槽的威脅。

3.3 應(yīng)用效果

針對(duì)DF14 斷層、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征、規(guī)律及工作面受水害影響特征，通過(guò)過(guò)斷層前及過(guò)斷層期間采取防治水措施，3605 工作面在該區(qū)域回采期間，斷層附近圍巖強(qiáng)度及承載力明顯提升，頂板巖石較完整，未發(fā)現(xiàn)較大網(wǎng)兜及漏頂現(xiàn)象，頂板淋水量大幅度減小，由310 m3/h 降至15 m3/h，工作面漏頂及淋水問(wèn)題基本解決，工作面順利通過(guò)A5 向斜軸部及DF14 斷層構(gòu)造疊加區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）綜采工作面處向斜軸部及斷層構(gòu)造疊加區(qū)域回采時(shí)，受工作面超前應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力影響，斷層受擾動(dòng)易發(fā)生活化，造成斷層附近圍巖破碎程度、強(qiáng)度及承載力進(jìn)一步降低，導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步發(fā)育并向工作面方向擴(kuò)大，與洛河組含水層提前導(dǎo)通形成新的集中導(dǎo)水通道。通道受高水壓水流的沖刷，通道會(huì)越來(lái)越暢通，涌水夾帶大量的斷層泥、碎屑潰入工作面架前。

（2）基于DF14 斷層、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征、規(guī)律及工作面受水害影響特征，形成“一重點(diǎn)、兩階段、六措施”防治水技術(shù)體系。通過(guò)過(guò)斷層采取超前注漿、架前頂板支護(hù)、超前埋管截流措施，降低斷層活化的程度及概率，過(guò)斷層期間采取限采高、滯后疏導(dǎo)老空水及設(shè)置導(dǎo)水水頭高差措施，極大降低水害對(duì)工作面回采的影響，為工作面順利通過(guò)A5向斜軸部及DF14 斷層構(gòu)造疊加區(qū)域打下了基礎(chǔ)。

（3）“一重點(diǎn)、兩階段、七措施”防治水技術(shù)體系在 3605 工作面的成功實(shí)踐，為該礦類(lèi)似條件下其他工作面過(guò)斷層防治水工作提供了工程經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)支撐。