18502 工作面斷層構造區域底板突水機理與注漿防治技術應用

趙建峰

（山西焦煤 西山煤電集團公司，山西 太原 030000）

1 概 況

受煤田水文地質條件復雜環境影響，長期以來，水害事故嚴重制約我國礦井的正常安全生產。據相關事故調查資料表明，我國發生的礦井水害事故多數與斷層相關，在斷層及鄰近區域發生的底板突水事故占據了很大一部分，因此，開展斷層底板突水機理研究，具有重要意義。地質資料顯示，馬蘭礦18502 工作面回采將揭露F18502-02 正斷層，為避免馬蘭礦18502 工作面開采過程中在斷層構造附近發生突水事故，對馬蘭礦18502 工作面斷層構造區域底板突水機理與防治技術進行研究。

馬蘭礦18502 工作面開采8 號煤層，工作面開采煤層平均厚度4.40 m，平均傾角6°，工作面埋深426～483 m，傾斜長251 m，走向長1 193 m，8號煤層直接頂為厚度4.2 m 的灰色粉砂巖（普氏硬度6.7） 和厚度2.2 m 的深灰色L1 泥灰巖（普氏硬度8.4），基本頂為厚度5.82 m 的灰色S2 中粒砂巖（普氏硬度7.6），直接底為厚度1.03 m 的灰黑色粉砂質泥巖（普氏硬度7.1），老底為厚度7.31 m 的灰黑色粉砂巖（普氏硬度6.6）。地質資料顯示，馬蘭礦18502 工作面回采將揭露F18502-02 正斷層，走向14°，傾向104°，傾角為45°。工作面所在區域奧灰水靜水位標高950—962 m（工作面標高845—903 m），回采區域屬于全部帶壓，18502工作面回采巷道在掘進期間頂板存在淋水現象，預計18502 工作面最大涌水量50 m3/h。

2 斷層構造區域底板突水機理

工作面開采導致采場及周圍巖體出現應力重新分布，采空區底板巖層內形成卸壓區，采空區底板巖層受應力集中作用呈壓縮狀態，當應力程度大于底板巖層的抗壓強度時，底板巖層出現壓裂破壞，產生裂隙，采空區底板巖層呈分區域破壞形態，采空區中部底板巖層處于減壓狀態整體呈膨脹破壞，底板出現明顯底鼓現象，在工作面煤壁與采空區交界區域，受煤壁支承應力影響，底板巖層呈剪切破壞，采空區底板巖層區域劃分如圖1 所示。

圖1 采空區底板巖層區域Fig.1 The floor rock area of goaf

工作面開采至斷層附近時，將擾動斷層發生活化，斷層上下盤巖層出現相互移動，縮短了煤層底板與底板含水層間的距離，底板承壓水與煤層接觸的可能性更大。同時由于斷層區域多為巖石碎屑、晶體等物質，整體呈破碎狀態，巖體強度較低，底板承壓水沿斷層破碎區域向上導升，當工作面采動產生的底板塑性破壞范圍接近該區域時，易溝通采動裂隙，形成導水通道，使承壓水涌入工作面，造成突水事故。工作面采動影響后斷層導水示意如圖2 所示。

圖2 工作面采動影響后斷層導水示意圖Fig.2 Diagram of fault conducting water after mining influence of working face

3 斷層構造區域突水影響分析

為充分了解馬蘭礦18502 工作面開采對斷層構造區域底板突水的影響，采用FLAC3D 數值模擬軟件，根據模擬得到的不同開采距離對應的應力及塑性區演化云圖，分析工作面開采對斷層構造區域工作面突水影響規律。

圖3 為不同開采距離（40、60、80 m） 對應的應力演化云圖。由圖3 可知，18502 工作面開采后，其頂底板及斷層區域圍巖體應力重新調整，并產生增壓區和卸壓區，增壓區主要位于工作面前方煤體內，卸壓區則主要位于采空區下方巖體，且卸壓區范圍隨工作面開采距離的增加而擴大，采空區下方巖體垂直應力呈現倒“八”字形分布。在斷層構造區域，由于其阻礙了工作面采動支承應力的傳遞，導致工作面和斷層構造之間應力相對集中，在采動支承應力作用下該區域圍巖體原有裂隙出現二次擴展和延伸，新的裂隙不斷產生，本身強度較低的斷層構造區域圍巖強度進一步降低，導致底板承壓水沿斷層破碎區域向上導升，并溝通采動裂隙，形成導水通道，承壓水涌入工作面，造成突水事故。

圖3 不同開采距離對應的應力演化云圖Fig.3 The cloud diagram of stress evolution corresponding to different mining distances

圖4 為不同開采距離（40、60、80 m） 對應的塑性區演化云圖。由圖4 可知，18502 工作面開采后，采空區頂底板及斷層區域圍巖體出現塑性破壞，其中，采空區頂底板巖體破壞形態主要呈拉伸破壞，工作面前方及其頂底板巖體破壞形態主要呈剪切破壞。

圖4 不同開采距離對應的塑性區演化云圖Fig.4 The cloud diagram of plastic zone evolution corresponding to different mining distances

在斷層區域圍巖體破壞形態主要呈剪切破壞，當工作面距斷層構造區域較遠時，工作面前方塑性破壞范圍在10 m 之內；當工作面距斷層構造區域較近時，工作面前方塑性破壞范圍大幅度增加。導致工作面前方塑性破壞范圍與斷層構造區域的塑性破壞范圍相互溝通（工作面距斷層20 m 時），造成工作面前方出現突水。

因此，在馬蘭礦18502 工作面回采過程中，在該斷層構造區域應留設大于20 m 的防水煤柱，防止底板承壓水沿著斷層破碎區域及采動裂隙形成的導水通道進入工作面，造成工作面底板突水事故。

4 注漿防治技術及應用

為了解決馬蘭礦18502 工作面的突水隱患，采用底板注漿技術進行突水防治，同時在工作面回采至F18502-02 斷層區域時留設20 m 的防水煤柱。

18502 工作面傾斜長251 m，走向長1 193 m，底板注漿施工分別在兩順槽進行，回風巷和運輸巷各設計6 個鉆場，鉆場內設計鉆孔3 個，鉆孔深度設計48～82 m，總計布置鉆場12 個、鉆孔36 個，鉆孔總進尺17 800 m，具體布置如圖5 所示。注漿材料采用粉煤灰、水泥，漿液比重為1∶3，注漿壓力設計8 MPa，需漿量7 800 m3。馬蘭礦18502工作面注漿完成后，布置了10 個檢驗鉆孔進行效果檢驗，經檢驗鉆孔出水量為0.2～8 m3/h，表明注漿效果良好，馬蘭礦18502 工作面可進行安全回采。

圖5 工作面底板注漿鉆場布置Fig.5 Layout of grouting drilling field in working face floor

5 結 語

以馬蘭礦18502 工作面回采揭露F18502-02正斷層為工程背景，揭示了斷層構造區域底板突水機理，分析了工作面開采對斷層構造區域底板突水的影響規律，指出工作面前方塑性破壞范圍與斷層構造區域的塑性破壞范圍相互溝通并形成導水通道，是導致斷層構造區域底板突水的主要原因。基于此，設計了馬蘭礦18502 工作面突水注漿防治技術和措施，進行現場應用和效果檢驗，檢驗鉆孔出水量為0.2～8 m3/h，表明突水注漿效果良好，確保了馬蘭礦18502 工作面的安全回采。