斷層對帶壓開采煤層工作面底板突水影響分析及防治技術

畢瑩瑩

（山西焦煤汾西礦業集團，山西 介休 032000）

引言

隨著礦井采深不斷增加，煤層賦存區域地質構造發育，不僅制約煤炭生產效率而且給瓦斯、水以及頂板災害治理等帶來制約[1-2]。隨著災害治理能力不斷提升，礦井水害防治技術以及裝備水平等均得以快速發展，水害防治也從以往以疏排為主轉向疏排、構筑防水墻、封堵導水裂隙等綜合防治水方式[3-6]。斷層影響范圍內裂隙發育，是煤礦井下常見導水構造之一，在煤炭回采通過斷層影響區時應首先對斷層是否存含水、是否具備導水性等進行探測，并依據現場探測結果采用針對性防治水措施[7]。山西某礦3#煤層回采時面臨底板承壓水影響，當開采底板中含有斷層等地質構造時，會給煤炭生產安全帶來影響。為此，本文以3#煤層5303 綜采工作面回采為工程背景，對開采范圍內煤層底板斷層對生產影響進行分析，并提出以改造底板為核心的防治水技術，現場取得較好防治水效果。

1 工程概況

山西某礦井田范圍內開采煤層包括有2#、3#、7#、9#及13#等，其中2#煤層局部可采，現階段生產主要集中在3#煤層，煤層厚度均值6.09 m，頂底板以砂巖、砂質泥巖等為主，具體巖性參數見表1。礦井開采范圍內地質構造發育，在開拓巷道、井筒等掘進期間揭露有多條斷層。

表1 3#煤層頂底板巖性參數

5303 綜采工作面設計推擠長度1 789.78 m、采面面長296.6 m，根據回采巷道掘進揭露以及物料資料顯示，在5303 綜采工作面開采期間會揭露F521 斷層（H=1.5 m、248°∠55°）、F522 斷層（H=1.7m、212°∠63°）等多條斷層，不排除開采范圍內存在有其他落差較小的隱伏小斷層；同時采面底板巖層中發育有多條斷層，斷層上下兩盤交匯處破碎，是良好的導水通道。礦井開采的3#煤層主要隔水層為底板鋁質泥巖、泥巖等，隔水層厚度介于14～76.8 m，當隔水層厚度較小且遇到地質構造時，容易導致底板承壓水通過裂隙向回采空間涌出，導致采面涌出量增大。為此，需要對斷層煤層底板突水影響分析并依據現場情況提出針對性防治水技術措施。

2 采面底板斷層突水影響分析

導致采面生產期間底板出現突水因素較多，其中影響較為明顯因素包括有底板含水層水壓、隔水層厚度、開采影響程度以及地質構造等[8-9]。

2.1 底板斷層對含水層水壓影響

在5303 綜采工作面開采之前，斷層處于相對穩定的閉合狀態，但是隨著煤巖開采影響，在超前支承壓力、地應力以及構造應力等綜合作用下，斷層附近巖體會出現一定程度位移導致斷層活化，斷層影響范圍內部分不導水裂隙在外界因素作用下可能出現一定導水性。底板承壓水通過斷層裂隙向回采空間涌出，從而導致采面出現異常涌出問題。

2.2 斷層對底板隔水層影響

隔水層可阻斷底板水向回采空間涌出，3# 煤層底板隔水層主要為鋁質泥巖、泥巖等，隔水層總厚度介于14～76.8 m。但是當采面底板存在有斷層時會降低底板隔水層有效厚度，從而增大底板承壓水向開采空間涌出量。具體底板斷層對隔水層有效厚度影響如下頁圖1 所示。

圖1 斷層對底板隔水層有效厚度影響示意圖

2.3 地質構造影響

在斷層發育范圍內往往伴生有其他小地質構造，斷層會降低3#煤層底板完整性；同時當斷層與其他地質構造（如褶曲、陷落柱等）存在水力聯系時，會增加底板承壓影響范圍，進一步增加底板突水風險。

3 底板防治水技術

3.1 采面底板突水系數計算

5303 綜采工作面開采范圍內3# 煤層底板標高為+302～+335 m，而3# 煤層底板承壓水底板標高為+500 m，底板承壓水標高較3# 煤層底板高約198 m。采用突水系數公式對5303 綜采工作面開采時底板突水系數進行計算：

式中：T 表示突水系數，MPa/m；P 表示底板含水層水頭壓力，MPa；M 表示底板隔水層有效厚度，m。根據5303 綜采工作面現場情況計算得到T=0.073 MPa/m，超過規定的臨時突水系數0.06 MPa/m。5303 綜采工作面在回采期間面臨較大底板突水風險，特別是在底板斷層影響區內底板突水風險會顯著增加。

3.2 底板注漿加固

通過上述分析得出，在5303 綜采工作面回采期間面臨底板突水風險，特別是底板斷層發育區由于有效隔水層厚度降低，導致底板突水風險更高。現階段常用的底板突水防治技術包括有降低底板承壓水壓力（疏排水）、底板隔水層注漿改造（增加隔水層有效厚度），若采用疏排水技術方法則面臨疏排水耗時長、費用高等問題；通過底板隔水層注漿改造增大隔水層有效厚度具有治理成本低、防治水效果好等優勢，因此文中選擇采用注漿方式對底板隔水層進行改造。

在5303 綜采工作面回采巷道內采底板施工注漿鉆孔，對底板進行注漿改造。注漿鉆孔采用型號TXB-1000 鉆機施工，注漿設備采用250/40 泥漿泵，注漿材料選用水泥漿。具體采面回采巷道內注漿鉆孔布置見圖2。在采面回采巷道內共計施工2 569 m 底板注漿鉆孔，底板水泥、砂注入量分別為1.6 萬t、589.8 t。底板注漿壓力控制在3 MPa，鉆孔注漿時若漿液滲透量小于50 L/min 且持續20～30 min 時，即可停止該鉆孔注漿。5303 綜采工作面底板注漿工作共耗時150 d完成。

圖2 底板注漿鉆孔布置示意圖

3.3 防治水效果分析

在對5303 綜采工作面底板完成注漿加固后，采面回采期間底板始終保持干燥，在推進至底板斷層發育區以及采面斷層發育區時，在采動壓力作用下底板雖然發育有裂隙，但是仍未有底板承壓水涌出情況；通過對底板注漿有效增加底板隔水層厚度，避免底板承壓水通過斷層導水裂隙或者底板采動裂隙等向回采空間涌出。

4 結論

1）依據5303 綜采工作面現場情況對采面底板斷層對底板突水影響進行分析，采面回采至底板斷層發育區時，在采動壓力、地應力及構造應力等綜合作用下容易導致斷層活化并引起底板裂隙擴張，在底板承壓水作用下更容易出現突水問題。

2）采用理論計算公式求得5303 綜采工作面回采期間底板突水系數為0.073 MPa/m，底板有一定突水風險。為降低底板突水防治耗時、防治水費用并提高防治水效率，提出采用注漿方式對底板進行加固，提升底板含水層有效厚度。

3）根據現場條件對底板注漿加固鉆孔布置方案進行設計，現場應用后通過回采巷道內布置的底板注漿鉆孔向底板注入水泥、砂，注入量分別為1.6 萬t、589.8 t，采面回采期間底板始終保持干燥，未出現涌出、突水等情況，取得較好防治水效果。