特厚綜放工作面過斷層防治水技術(shù)體系實(shí)踐

李歲寧，伍增強(qiáng)，薛志強(qiáng)，朱浩浩

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在我國煤炭開采的發(fā)展歷程中，由斷層導(dǎo)致的水害事故屢見不鮮。近年來，隨著礦井采高、采深逐漸加大和開采水文地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜，在彬長、旬耀、華亭等礦區(qū)巨厚洛河組砂巖含水層下的斷層水害問題開始顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為深埋條件下斷層導(dǎo)致的頂板大流量突水、涌水潰泥等事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的水害威脅。國內(nèi)學(xué)者針對采動條件下斷層應(yīng)力演化特征[1]、活化機(jī)理[2]、斷層帶的物理力學(xué)性質(zhì)[3]及注漿治理技術(shù)[4]進(jìn)行了相關(guān)研究并取得一系列成果，然而以往研究多集中在斷層突水機(jī)理和破碎帶加固方面，針對巨厚砂巖含水層下特厚煤層綜放開采過斷層水害防治技術(shù)的研究較少[5-7]。為此，以彬長礦區(qū)孟村煤礦首采面揭露的DF29斷層為研究對象，通過物探和鉆探探查、理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)的方法研究了DF29斷層的空間展布、含導(dǎo)水特征和水害危險性，并采用留設(shè)限高保護(hù)帶、超前注漿加固、采空區(qū)涌水滯后分流等措施對斷層水害進(jìn)行了有效防治，形成了“A(過斷層前防治水措施)+B(過斷層期間防治水措施)”防治水技術(shù)體系，保證了工作面安全回采。

1 工程背景

孟村井田位于彬長礦區(qū)中西部，地質(zhì)儲量10.19億t，可采儲量5.85億t，礦井設(shè)計規(guī)模600萬t/年，服務(wù)年限71.3年。礦井主采侏羅紀(jì)4號煤層，平均厚度16.25 m，水文地質(zhì)類型為“復(fù)雜”型，主要充水水源為白堊系洛河組砂巖含水層，厚度220～390 m，平均厚度333 m。401101工作面為孟村礦井首個回采工作面，采用綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。工作面煤層厚度16.0～23.9 m，回采煤層平均厚度11.6 m。工作面主要充水來源為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙-裂隙含水層，厚度340～380 m，距離煤層頂板140～180 m，單位涌水量0.022 8～0.280 6 L/s·m，水質(zhì)類型SO4-Na，礦化度930～5 103 mg/L。受巨厚洛河組含水層影響，彬長礦區(qū)多數(shù)礦井涌水量超過1 000 m3/h。401101工作面運(yùn)順掘進(jìn)至里程1 010 m時開始揭露斷層，落差15 m，傾向NE60°～65°，傾角65°～70°；回順掘進(jìn)至里程633 m時揭露斷層，落差18 m，傾向NE65°～70°，傾角60°～65°；斷層揭露期間煤層頂板比較破碎，伴有少量的頂板淋滴水(未成線狀)，且斷層面充填有大量的斷層泥。

2 斷層探查及水害危險性分析

2.1 斷層槽波勘探

為探查兩順槽揭露斷層的展布情況，在401101工作面開展了槽波勘探工作，測線總長度為1 600 m。經(jīng)過對勘探成果綜合分析，對工作面運(yùn)、回順內(nèi)揭露2個斷點(diǎn)進(jìn)行組合，解釋為1條斷層(編號為DF29)。DF29斷層性質(zhì)為正斷層，落差大于15 m，延展長度360 m，控制程度可靠，如圖1所示。

圖1 401101工作面槽波勘探CT成像

2.2 斷層含導(dǎo)水性探查

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求，需對DF29斷層進(jìn)行含、導(dǎo)水性探查及水害威脅評價[8-10]。為進(jìn)一步探明和研究DF29斷層富水性狀況，防止回采期間發(fā)生重大水害影響正常生產(chǎn)，2018年11～12月，在401101措施巷施工斷層富水性探查孔6個，分別探查垂高30 m、60 m、90 m、120 m、150 m處斷層帶發(fā)育情況及含、導(dǎo)水性特征，所有鉆孔在接近預(yù)計斷層帶位置前均進(jìn)行取芯工作，具體探查孔探查高度及涌水情況，如圖2所示。

圖2 401101工作面斷層富水性探查孔涌水量曲線

根據(jù)鉆孔探查情況分析，單孔涌水量為0.6～3.4 m3/h，DF29斷層落差大于15 m，已發(fā)育至安定組地層，垂向影響高度可達(dá)150 m，但未直接導(dǎo)通洛河組含水層。斷層帶寬度一般2～5 m，巖體破碎，裂隙發(fā)育，局部充填斷層泥。斷層帶有一定的儲水空間，鉆孔出水礦化度可達(dá)8 000 mg/L，表明以侏羅系含水層水為主，補(bǔ)給條件差，富水性弱。鉆探揭露斷層帶裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)，如導(dǎo)通強(qiáng)含水層將成為良好的導(dǎo)水通道。

2.3 斷層水害危險性分析

根據(jù)物探和鉆探探查結(jié)果，DF29斷層展布范圍大，斜穿整個工作面；發(fā)育高度大，到達(dá)安定組；斷層帶寬帶度達(dá)2～5 m，裂隙發(fā)育導(dǎo)水性好；在無強(qiáng)含水層補(bǔ)給時候，該斷層富水性差，影響較小。但當(dāng)采動影響導(dǎo)致斷層活化，進(jìn)一步溝通巨厚洛河組砂巖含水層，斷層帶可成為良好的導(dǎo)水通道，給工作面造成嚴(yán)重的水害威脅。同時受斷層影響，工作面在生產(chǎn)過程中仍存在頂板破碎帶冒頂?shù)娘L(fēng)險。

3 斷層水害防治技術(shù)

3.1 綜合技術(shù)體系

結(jié)合斷層水害危險性分析內(nèi)容，工作面回采過斷層期間主要受頂板洛河組砂巖含水層影響。針對斷層的發(fā)育特征和水害影響特征，形成了以洛河組含水層為防控重點(diǎn)，以留設(shè)限高保護(hù)帶、超前截流、斷層帶超前注漿加固等為主要措施的防治水技術(shù)體系。該體系分為過斷層前和斷層期間水害防治技術(shù)措施，過斷層前主要采取限高保護(hù)帶留設(shè)、超前截流、斷層帶超前注漿加固、完善排水系統(tǒng)等技術(shù)；過斷層期間主要采取工作面煤壁側(cè)注漿加固、基礎(chǔ)資料收集及寫實(shí)、采煤工藝調(diào)整等技術(shù)。孟村煤礦斷層水害綜合防治技術(shù)體系，具體如圖3所示。

圖3 孟村礦過斷層水害防治體系示意

3.2 過斷層前水害防治技術(shù)

3.2.1 限高及保護(hù)帶留設(shè)

為保證巷道在回采過斷層區(qū)域安全生產(chǎn)，避免高強(qiáng)度開采擾動使斷層活化導(dǎo)通洛河組含水層，在預(yù)計開采影響斷層區(qū)域回采過程中采取限制采高措施。根據(jù)礦井兩帶觀測孔實(shí)測采裂比18.58，結(jié)合工作面斷層區(qū)域平均煤層采厚11 m，計算得斷層區(qū)域裂隙發(fā)育帶高度為204.38 m。參照附近M3-2鉆孔資料，此區(qū)域煤層頂板距洛河組間距174 m，距宜君組間距152 m，具體斷層發(fā)育軌跡及裂隙帶情況如圖4所示。為進(jìn)一步避免斷層帶與洛河組含水層導(dǎo)通發(fā)生突水的情況，將斷層帶發(fā)育高度控制在洛河組以下，即當(dāng)斷層帶發(fā)育至洛河組與宜君組中部時，便采取限制采高措施，計算得工作面距離斷層面走向方向75 m左右時需開始采取限采高(不放頂煤)措施，具體限采高區(qū)域示意如圖5所示。同時在該區(qū)域內(nèi)保持快速持續(xù)推進(jìn)，降低導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度及采動對斷層的影響，減少水害影響。

圖4 工作面斷層區(qū)域裂隙帶發(fā)育情況示意

圖5 工作面限采高保護(hù)帶區(qū)域示意

3.2.2 超前截流

為超前做好工作面過斷層期間防治水工作，礦井技術(shù)人員以采面順槽實(shí)際層位為依據(jù)，參考兄弟單位治水成功經(jīng)驗(yàn)，提出滯后排水方案，并將分水位置選在回采揭露斷層前190 m的回順3#聯(lián)巷處。在措施巷內(nèi)施工大尺寸水溝(1.0 m×0.8 m)約600 m，3#聯(lián)巷施工專用分水墻體一道，設(shè)置排水管6趟，U型基礎(chǔ)1個。隨著3#聯(lián)巷成功分水，回采工作面上隅角老空出水量由670 m3/h減少至10 m3/h，順利實(shí)現(xiàn)下山回采期間滯后排水，大大減輕工作面過斷層期間兩順槽排水壓力。

3.2.3 斷層帶超前注漿加固

為超前預(yù)防工作面過DF29斷層期間出現(xiàn)頂板冒落、支架壓死、伴有大面積潰水潰沙的風(fēng)險[11-12]，于2019年8月11～24日，在工作面回采揭露斷層前分別在運(yùn)順721～822 m、回順679～799 m針對斷層面進(jìn)行超前注漿加固。其中，運(yùn)順施工9個鉆孔，回順施工8個鉆孔，共計注水泥漿液81袋，具體如圖6所示。

3.2.4 完善排水系統(tǒng)

參照工作面過斷層期間預(yù)測涌水量情況，對工作面原有的1#、2#水倉排水系統(tǒng)分別進(jìn)行優(yōu)化、改造。其中運(yùn)順1#水倉容積800 m3，配備2臺流量為600 m3/h和2臺500 m3/h水泵，同時在水倉外水溝中放置2臺500 m3/h水泵，敷設(shè)3趟φ325 mm管路，有效排水能力達(dá)到1 500 m3/h；2#水倉容積400 m3，配備5臺流量600 m3/h水泵，敷設(shè)3趟φ325 mm管路，有效排水能力達(dá)到1 500 m3/h，大大降低過斷層期間發(fā)生水害事故的風(fēng)險。

3.3 過斷層期間水害防治技術(shù)

3.3.1 工作面煤壁側(cè)注漿加固

工作面回采至1 496 m處(8月8日)運(yùn)順揭露DF29斷層，落差18 m，傾向NE60°，傾角65°，回采至1 840 m處(12月4日)順利通過斷層，影響長度340 m，歷時122 d。為防止過斷層期間煤壁破碎，頂板垮落，8月6日～12月5日在煤壁側(cè)施工超前注漿孔，對斷層面及工作面煤墻進(jìn)行注漿加固，共計施工注漿孔726個，注化學(xué)漿67 307桶，具體如圖7所示。

3.3.2 基礎(chǔ)資料收集

地質(zhì)寫實(shí)：根據(jù)斷層發(fā)育情況，斷層揭露期間安排人員進(jìn)行地質(zhì)寫實(shí)，指導(dǎo)區(qū)隊(duì)及時調(diào)整層位，減少揭露斷層期間的破矸量，安全順利通過斷層。期間共計開展地質(zhì)寫實(shí)為58次，形成專項(xiàng)地質(zhì)寫實(shí)資料22次。

切眼標(biāo)高實(shí)測：為了減少工作面過斷層期間運(yùn)順側(cè)排水壓力，結(jié)合工作面實(shí)際情況對層位進(jìn)行調(diào)整，過斷層期間及時對切眼標(biāo)高進(jìn)行實(shí)測，共計開展標(biāo)高測量32次，其中運(yùn)回順最大高差15.95 m，位于回采1 535.8 m處。

涌水量觀測：為做好工作面過斷層期間涌水量變化情況，堅(jiān)持每周開展2次涌水量觀測，并對涌水量突變點(diǎn)及時監(jiān)測，對水質(zhì)化驗(yàn)分析，判斷涌水來源，完善、優(yōu)化排水系統(tǒng)，減少水害影響。工作面過斷層期間累計觀測涌水量45次，水質(zhì)化驗(yàn)45次，形成專業(yè)水質(zhì)分析報告4份。

3.3.3 采煤工藝調(diào)整

調(diào)整思路：工作面回采過斷層區(qū)域主要為俯采段，且斷層影響區(qū)域存在運(yùn)回順倒高差段，運(yùn)回順高差最大16 m。為防止回采期間運(yùn)順側(cè)出現(xiàn)大的涌水，影響工作面運(yùn)輸系統(tǒng)，結(jié)合工作面實(shí)際情況對采煤工藝進(jìn)行調(diào)整，采用“走向‘波浪式’擋水+傾向倒‘V’式分流”控制運(yùn)順側(cè)涌水，減少水害影響。

走向“波浪式”擋水：利用工作面安裝的激光對走向方向先以0.5 m/刀的幅度進(jìn)行仰采，整個工作面抬高1.0 m后，開始轉(zhuǎn)平，待支架底座全部轉(zhuǎn)平后，再按照0.5 m/刀的幅度進(jìn)行俯采，俯采至整個工作面與兩順槽底板保持一個水平后，即完成整個“波浪式”擋水過程。通過“波浪式”回采，人為在采空區(qū)形成一道圍堰，將采空區(qū)積水經(jīng)采空區(qū)沉淀后由水溝流出，進(jìn)而直接流至排水點(diǎn)排出。

傾向倒“V”式分流：回采過程中沿傾向?qū)⒐ぷ髅娌贾贸傻埂癡”型，人為留設(shè)最高點(diǎn)作為工作面涌水的“分水嶺”，將大部分涌水擋至回順側(cè)，由工作面上隅角通過水溝自流至2#水倉，剩余一小部分流水由下隅角自流至運(yùn)順1#水倉，具體如圖8所示。

圖8 工作面傾向倒“V”式分流示意

分流控水工藝：結(jié)合工作面涌水特征分析，工作面采空區(qū)出水一般滯后采面100 m左右。通過上述采煤工藝調(diào)整，采空區(qū)涌水大部分都被分水嶺“截流”在分水嶺以北，從措施巷及回順上隅角處經(jīng)水溝流至2#水倉。從分水嶺下方“溜走”的極少部分涌水則被“波浪式”圍堰截流從下隅角過水通道經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾水溝流出。具體分流控水工藝如圖9所示。

圖9 工作面分流控水工藝平面示意

4 結(jié)論

(1)彬長礦區(qū)孟村煤礦井綜放工作面復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，建立了“A+B”模式防治水體系，有效減少了工作面回采期間頂板水害威脅。

(2)通過采取“物探+鉆探”的防治水措施，驗(yàn)證了DF29斷層存在性及其富水性特征，同時過斷層前采取4項(xiàng)治理措施超前防范，過斷層期間采取3項(xiàng)治理措施進(jìn)行有效防控，大大減輕了過斷層水害影響。

(3)通過采用“A+B”防治水技術(shù)，確保工作面安全、順利通過斷層，未受頂板洛河組砂巖含水層水害影響。同時，創(chuàng)新了復(fù)雜或極復(fù)雜水文地質(zhì)條件下綜放工作面過斷層期間防治水工藝，為相似水文地質(zhì)條件采煤工作面過構(gòu)造積累了經(jīng)驗(yàn)，具有較大的推廣應(yīng)用價值。