18502 工作面斷層構(gòu)造區(qū)域底板突水機(jī)理與注漿防治技術(shù)應(yīng)用

趙建峰

（山西焦煤 西山煤電集團(tuán)公司，山西 太原 030000）

1 概 況

受煤田水文地質(zhì)條件復(fù)雜環(huán)境影響，長(zhǎng)期以來，水害事故嚴(yán)重制約我國(guó)礦井的正常安全生產(chǎn)。據(jù)相關(guān)事故調(diào)查資料表明，我國(guó)發(fā)生的礦井水害事故多數(shù)與斷層相關(guān)，在斷層及鄰近區(qū)域發(fā)生的底板突水事故占據(jù)了很大一部分，因此，開展斷層底板突水機(jī)理研究，具有重要意義。地質(zhì)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(gòu)造附近發(fā)生突水事故，對(duì)馬蘭礦18502 工作面斷層構(gòu)造區(qū)域底板突水機(jī)理與防治技術(shù)進(jìn)行研究。

馬蘭礦18502 工作面開采8 號(hào)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(zhǎng)251 m，走向長(zhǎng)1 193 m，8號(hào)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?guī)r（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(zhì)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(zhì)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(qū)域奧灰水靜水位標(biāo)高950—962 m（工作面標(biāo)高845—903 m），回采區(qū)域?qū)儆谌繋海?8502工作面回采巷道在掘進(jìn)期間頂板存在淋水現(xiàn)象，預(yù)計(jì)18502 工作面最大涌水量50 m3/h。

2 斷層構(gòu)造區(qū)域底板突水機(jī)理

工作面開采導(dǎo)致采場(chǎng)及周圍巖體出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，采空區(qū)底板巖層內(nèi)形成卸壓區(qū)，采空區(qū)底板巖層受應(yīng)力集中作用呈壓縮狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力程度大于底板巖層的抗壓強(qiáng)度時(shí)，底板巖層出現(xiàn)壓裂破壞，產(chǎn)生裂隙，采空區(qū)底板巖層呈分區(qū)域破壞形態(tài)，采空區(qū)中部底板巖層處于減壓狀態(tài)整體呈膨脹破壞，底板出現(xiàn)明顯底鼓現(xiàn)象，在工作面煤壁與采空區(qū)交界區(qū)域，受煤壁支承應(yīng)力影響，底板巖層呈剪切破壞，采空區(qū)底板巖層區(qū)域劃分如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)底板巖層區(qū)域Fig.1 The floor rock area of goaf

工作面開采至斷層附近時(shí)，將擾動(dòng)斷層發(fā)生活化，斷層上下盤巖層出現(xiàn)相互移動(dòng)，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(shí)由于斷層區(qū)域多為巖石碎屑、晶體等物質(zhì)，整體呈破碎狀態(tài)，巖體強(qiáng)度較低，底板承壓水沿?cái)鄬悠扑閰^(qū)域向上導(dǎo)升，當(dāng)工作面采動(dòng)產(chǎn)生的底板塑性破壞范圍接近該區(qū)域時(shí)，易溝通采動(dòng)裂隙，形成導(dǎo)水通道，使承壓水涌入工作面，造成突水事故。工作面采動(dòng)影響后斷層導(dǎo)水示意如圖2 所示。

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

3 斷層構(gòu)造區(qū)域突水影響分析

為充分了解馬蘭礦18502 工作面開采對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)域底板突水的影響，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，根據(jù)模擬得到的不同開采距離對(duì)應(yīng)的應(yīng)力及塑性區(qū)演化云圖，分析工作面開采對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)域工作面突水影響規(guī)律。

圖3 為不同開采距離（40、60、80 m） 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力演化云圖。由圖3 可知，18502 工作面開采后，其頂?shù)装寮皵鄬訁^(qū)域圍巖體應(yīng)力重新調(diào)整，并產(chǎn)生增壓區(qū)和卸壓區(qū)，增壓區(qū)主要位于工作面前方煤體內(nèi)，卸壓區(qū)則主要位于采空區(qū)下方巖體，且卸壓區(qū)范圍隨工作面開采距離的增加而擴(kuò)大，采空區(qū)下方巖體垂直應(yīng)力呈現(xiàn)倒“八”字形分布。在斷層構(gòu)造區(qū)域，由于其阻礙了工作面采動(dòng)支承應(yīng)力的傳遞，導(dǎo)致工作面和斷層構(gòu)造之間應(yīng)力相對(duì)集中，在采動(dòng)支承應(yīng)力作用下該區(qū)域圍巖體原有裂隙出現(xiàn)二次擴(kuò)展和延伸，新的裂隙不斷產(chǎn)生，本身強(qiáng)度較低的斷層構(gòu)造區(qū)域圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致底板承壓水沿?cái)鄬悠扑閰^(qū)域向上導(dǎo)升，并溝通采動(dòng)裂隙，形成導(dǎo)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(duì)應(yīng)的應(yīng)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(duì)應(yīng)的塑性區(qū)演化云圖。由圖4 可知，18502 工作面開采后，采空區(qū)頂?shù)装寮皵鄬訁^(qū)域圍巖體出現(xiàn)塑性破壞，其中，采空區(qū)頂?shù)装鍘r體破壞形態(tài)主要呈拉伸破壞，工作面前方及其頂?shù)装鍘r體破壞形態(tài)主要呈剪切破壞。

圖4 不同開采距離對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)演化云圖Fig.4 The cloud diagram of plastic zone evolution corresponding to different mining distances

在斷層區(qū)域圍巖體破壞形態(tài)主要呈剪切破壞，當(dāng)工作面距斷層構(gòu)造區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)，工作面前方塑性破壞范圍在10 m 之內(nèi)；當(dāng)工作面距斷層構(gòu)造區(qū)域較近時(shí)，工作面前方塑性破壞范圍大幅度增加。導(dǎo)致工作面前方塑性破壞范圍與斷層構(gòu)造區(qū)域的塑性破壞范圍相互溝通（工作面距斷層20 m 時(shí)），造成工作面前方出現(xiàn)突水。

因此，在馬蘭礦18502 工作面回采過程中，在該斷層構(gòu)造區(qū)域應(yīng)留設(shè)大于20 m 的防水煤柱，防止底板承壓水沿著斷層破碎區(qū)域及采動(dòng)裂隙形成的導(dǎo)水通道進(jìn)入工作面，造成工作面底板突水事故。

4 注漿防治技術(shù)及應(yīng)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(shù)進(jìn)行突水防治，同時(shí)在工作面回采至F18502-02 斷層區(qū)域時(shí)留設(shè)20 m 的防水煤柱。

18502 工作面傾斜長(zhǎng)251 m，走向長(zhǎng)1 193 m，底板注漿施工分別在兩順槽進(jìn)行，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷各設(shè)計(jì)6 個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)鉆孔3 個(gè)，鉆孔深度設(shè)計(jì)48～82 m，總計(jì)布置鉆場(chǎng)12 個(gè)、鉆孔36 個(gè)，鉆孔總進(jìn)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(shè)計(jì)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(gè)檢驗(yàn)鉆孔進(jìn)行效果檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)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(jìn)行安全回采。

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

5 結(jié) 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(gòu)造區(qū)域底板突水機(jī)理，分析了工作面開采對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)域底板突水的影響規(guī)律，指出工作面前方塑性破壞范圍與斷層構(gòu)造區(qū)域的塑性破壞范圍相互溝通并形成導(dǎo)水通道，是導(dǎo)致斷層構(gòu)造區(qū)域底板突水的主要原因。基于此，設(shè)計(jì)了馬蘭礦18502 工作面突水注漿防治技術(shù)和措施，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)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。