復(fù)雜地質(zhì)條件下綜放工作面過斷層注漿加固技術(shù)

耿耀強，趙騰飛，陳建明，胡國和

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安710100；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心，陜西 西安710100；4.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽712000）

在回采工作面，斷層區(qū)在工作面采動應(yīng)力影響下，使斷層沿斷層面產(chǎn)生移動，移動較小時為微弱活化，移動較大時，為強烈活化。斷層活化對突水潰沙、頂板垮落、沖擊地壓、片幫、煤巖體失穩(wěn)等動力災(zāi)害都產(chǎn)生重大影響[1－2]。國內(nèi)外學(xué)者針對斷層區(qū)域煤巖體穩(wěn)定性控制提出并采用了相關(guān)措施[3－6]，通過漿液充填和固結(jié)破碎巖體中的裂隙面，有效改善斷層開采擾動區(qū)煤巖力學(xué)性質(zhì)。

黃隴煤田彬長礦區(qū)賦存了大量的特厚煤層，開采技術(shù)條件和地質(zhì)賦存環(huán)境復(fù)雜，尤其是特厚煤層穿越了大量尺度不同的斷層，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)。為此，以彬長礦區(qū)孟村煤礦401101工作面過DF29導(dǎo)水大斷層為例，開展復(fù)雜地質(zhì)條件下綜放工作面過導(dǎo)水大斷層注漿加固技術(shù)研究，推動彬長礦區(qū)過斷層技術(shù)水平的提升。

1 研究區(qū)概況

孟村煤礦位于國家規(guī)劃的14個億噸級大型煤炭基地之一黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)中西部，礦井建設(shè)規(guī)模600萬t/a，該礦井主要開采煤層為4#煤層，煤層厚度平均24 m，采用綜采分層放頂煤采煤方法,回采煤層厚度10.5～12.0 m。

礦井地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重，水、火、瓦斯、煤塵、頂板、沖擊地壓、硫化氫、礦井熱害自然災(zāi)害俱全。其中，主采的4#煤層埋深普遍超過了700 m，最大水平主應(yīng)力31.46 MPa，為陜西首批采掘生產(chǎn)過程中出現(xiàn)沖擊礦壓顯現(xiàn)的礦井之一，經(jīng)過煤巖沖擊傾向性鑒定，4#煤層具有強沖擊傾向性[7－8]。礦水文地質(zhì)類型屬“復(fù)雜”型，受頂板巨厚洛河－宜君組含水層影響較為嚴(yán)重，主采煤層至洛河組含水層的距離為140～180 m，且因地質(zhì)條件差異表現(xiàn)為持續(xù)性穩(wěn)定出水和脈沖式離層突水2種形式[9－10]。主采4#煤層為易自燃煤層，自然發(fā)火期大約20 d[11]。

2 斷層破碎帶探查分析

2.1 DF29斷層巷道掘進揭露情況

401101工作面掘進過程中運輸巷、回風(fēng)巷均遇到DF29斷層，401101工作面過DF29斷層示意圖如圖1。

圖1 401101工作面過DF29斷層示意圖Fig.1 Schematic diagram of 401101 working face driving DF29 fault

斷層落差15～18 m，斷層走向65°，傾向155°，傾角65°～70°，對巷道正常施工造成較大的影響，其中401101運輸巷斷層面位置為巷道里程822～872 m處，斷層揭露前巷道頂煤厚僅有1 m，煤層頂板比較破碎，出現(xiàn)少量的頂板淋滴水（未成線狀），斷層揭露后巷道頂煤厚16.5 m，且斷層面充填有大量的斷層泥，401101運輸巷掘進過斷層示意圖如圖2。

圖2 401101運輸巷掘進過斷層示意圖Fig.2 Diagram of 401101 haulage roadway driving fault

401101回風(fēng)巷斷層面位置為巷道里程627～643 m處，揭露斷層前頂煤厚2.5 m，煤層頂板比較破碎，同時伴有少量的頂板淋滴水（未成線狀），斷層揭露后頂煤厚20.3 m，401101回風(fēng)巷掘進過斷層示意圖如圖3。

圖3 401101回風(fēng)巷掘進過斷層示意圖Fig.3 Diagram of 401101 return air roadway driving fault

2.2 DF29斷層及富水性探測

2.2.1 探查鉆孔施工及取心情況

為了探查401101工作面DF29斷層及斷層的富水性，在401101措施巷施工探查鉆孔6個，鉆孔布置如圖1中TD1～TD6，其中取心鉆孔3個，斷層富水性探查鉆孔施工情況見表1。

表1 斷層富水性探查鉆孔施工情況Table 1 The construction situation of exploration drilling about fault water-rich

鉆孔施工過程現(xiàn)象如下：

1）TD1。鉆進39 m時見巖，152 m時開始取心，取心至162 m時，取心鉆頭掉落，多次打撈未果，無法繼續(xù)取心，用φ98 mm鉆頭鉆進至設(shè)計位置，鉆孔終孔出水量為1 m3/h，30 d后水量小于0.2 m3/h。取心段設(shè)計長度40 m，全段取心，取心長度22 m，RQD值為31%。

2）TD2。鉆進18 m時見巖，鉆進40～42 m、70 m時阻力大，鉆進至168 m時，出現(xiàn)紅色泥巖水，并與灰色泥巖交替出現(xiàn)，一直持續(xù)到178 m，終孔時孔內(nèi)出水量為0.6 m3/h，30 d后水量小于0.2 m3/h。

3）TD3。鉆進9 m時見巖，鉆進至150 m時開始取心，鉆進至177 m，出紅色泥漿水，水量增大至1.6 m3/h，鉆頭頻繁掉落，在接近結(jié)束時，出現(xiàn)少量黃鐵礦結(jié)核,終孔出水量為1.6 m3/h，30 d后水量小于0.2 m3/h。取心段設(shè)計長度42 m，全段取心，取心長度12 m，RQD值為38%。

4）TD4。鉆進40 m時見巖，鉆進過程無異常，終孔時孔內(nèi)出水量為0.68 m3/h，30 d后水量小于0.2 m3/h。

5）TD5。鉆進21m見巖，83m開始取心，取心至121.5 m，鉆進過程無異常，終孔時孔內(nèi)出水量為3.4 m3/h，30 d后水量約0.65 m3/h。取心段設(shè)計長度42 m，全段取心，取心長度38.5 m，RQD值為35.3%。

6）TD6。鉆進24 m時見巖，鉆進至109～128 m時有黃泥與砂巖交替出現(xiàn)現(xiàn)象，鉆進至135 m時，有紅色巖水出現(xiàn)，終孔時孔內(nèi)出水量為0.6 m3/h，30 d后水量小于0.2 m3/h。

根據(jù)鉆孔施工情況，視角垂直于鉆孔施工方位，分析鉆孔施工軌跡和施工過程中取心段巖石變化情況，選取斷層附近西北側(cè)的M3-2鉆孔作為對比，選取安定組頂部16.33 m厚的紅色含鐵質(zhì)細(xì)砂巖為標(biāo)志層，對比得出，DF29斷層發(fā)育明顯，探查區(qū)域斷層從延安組一直延伸至安定組底部，高度約為120～130 m。

2.2.2 水樣成果分析

對探查孔水樣的水質(zhì)進行化驗，水樣均為無色無味，其中TD1、TD2、TD4、TD5、TD6鉆孔礦化度比較接近，數(shù)值為12 760～14 650 mg/L，TD3鉆孔礦化度為7 570 mg/L；pH值為7.9～8.2，呈現(xiàn)弱堿性，結(jié)合鉆進過程中鉆孔出水量，可以得出斷層富水性情況較差，孔內(nèi)出水以侏羅系地層裂隙水為主，局部可能含有較發(fā)育的空隙。在探查區(qū)域內(nèi)洛河組含水層水參與特征不明顯，DF29斷層富水性探查孔水樣化驗結(jié)果見表2。

表2 DF29斷層富水性探查孔水樣化驗結(jié)果Table 2 The test results of water sam ple in exploration drilling about DF29 fault water-rich

3 斷層區(qū)開采擾動災(zāi)變模式及治理方法

3.1 斷層區(qū)開采擾動災(zāi)變模式

根據(jù)孟村煤礦地質(zhì)條件及DF29斷層特征，401101工作面在回采通過DF29斷層過程中，易發(fā)生突水、沖擊地壓、頂板冒落等災(zāi)變模式。

1）突水災(zāi)害。距離401101工作面煤層頂板140～180 m，為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖空隙-裂隙含水層，厚度340～380 m，單位涌水量為0.022 8～0.280 6 L/（s·m），受采動影響，誘發(fā)斷層活化，導(dǎo)致洛河組含水層水沿斷層帶進入工作面，造成突水事故。

2）片幫、冒頂災(zāi)害。工作面回采過程中前方煤壁支承應(yīng)力增大，且受到大斷層影響，煤巖體力學(xué)性質(zhì)較差，構(gòu)造發(fā)育、圍巖破碎、強度低，在采動影響下易發(fā)生煤壁片幫、頂部下挫式破壞，最終演化為局部或者大范圍冒頂。

3）沖擊地壓災(zāi)害。事實證明沖擊地壓經(jīng)常發(fā)生在斷層構(gòu)造帶附近。比如華豐煤礦、千秋煤礦、躍進煤礦、常村煤礦等地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，尤其是斷層分布較多，都發(fā)生過強烈的斷層型沖擊地壓[12-14]。

斷層型沖擊地壓是井下沖擊地壓的一種類型，一般認(rèn)為斷層型沖擊地壓是指井田范圍內(nèi)的斷層由于采礦活動而引起突然相對錯動并猛烈釋放能量的現(xiàn)象。與一般沖擊地壓相比，斷層沖擊地壓破壞性更強、影響范圍更大。

孟村煤礦發(fā)生的多次較為明顯的沖擊顯現(xiàn)事件，從空間位置上看均發(fā)生在DF29斷層構(gòu)造附近,因此，401101工作面DF29斷層影響區(qū)具有強沖擊危險性。

3.2 斷層區(qū)開采擾動災(zāi)變治理方法

針對斷層區(qū)開采擾動誘發(fā)的突水潰沙、片幫冒頂、沖擊地壓等問題，提出一種提高斷層擾動區(qū)內(nèi)煤巖體承載能力的綜放工作面過導(dǎo)水大斷層注漿方法，采取“兩巷道超前預(yù)注漿治理+工作面局部注漿治理”的治理思路。

兩巷道超前預(yù)注漿治理是根據(jù)斷層在工作面的賦存情況和發(fā)育范圍，確定注漿加固區(qū)域。通過在工作面回風(fēng)巷道、運輸巷道或其中1條巷道施工長距離大孔徑注漿鉆孔，注漿孔終孔位置位于斷層煤巖交界面以上3～6 m且終孔穿過斷層面2～3 m，漿液采用針對長距離孔徑研制的新型水泥基注漿加固材料。

工作面局部注漿治理是根據(jù)回采工作面揭露斷層及圍巖破碎情況，確定注漿加固區(qū)域。通過在架前施工淺孔注漿鉆孔，布孔根據(jù)采高情況采用單排布置或三花布置，注漿孔深4～6 m，漿液采用專用礦用復(fù)合注漿加固材料。

4 新型注漿加固材料

4.1 新型水泥基注漿加固材料

在巷道施工長距離注漿鉆孔，鉆孔長度大、漿液在鉆孔中流動時間長，且工作面推進速度快，對研制注漿材料提出了如下要求：

1）深孔注漿漿料滲透時間較長，漿料初凝速度不能過快，需要漿料在30～40 min內(nèi)流動性較好，以滿足施工和長時間滲流需要，2 h后強度急速增長，8～12 h需達到足夠強度，以適應(yīng)工作面高效開采和圍巖變形破壞規(guī)律。

2）漿液必須具備較強的流動性和可注性，可通過提高材料細(xì)度、增大水灰比、降低黏度等方法實現(xiàn)。

針對目前水泥、水泥+水玻璃等漿液存在的問題，結(jié)合長距離大孔徑鉆孔注漿需求，研發(fā)了一種具有可注性強、流動性好、黏結(jié)性好的水泥基注漿加固材料SCJG-1，SCJG-1型無機加固材料在水灰比0.6∶1下性能指標(biāo)見表3。

表3 SCJG-1型無機加固材料在水灰比0.6∶1下性能指標(biāo)Table 3 Performance index of SCJG-1 inorganic reinforcementmaterial under water cement ratio 0.6∶1

4.2 低反應(yīng)溫度高強度礦用復(fù)合注漿加固材料

工作面局部注漿治理采取淺孔方式，且對時效性要求更高，因而注漿漿液采用滲透性好、凝結(jié)速度快、固化時間短、黏結(jié)與抗壓性能較好等特點的礦用高分子材料。但目前市場上使用較多的聚氨酯類加固材料由于具有較高的反應(yīng)溫度（最高反應(yīng)溫度可達140℃以上），以及本身阻燃性能相對較差，需要加入大量的含鹵素元素的阻燃劑來達到阻燃性要求，施工現(xiàn)場一旦發(fā)生聚熱導(dǎo)致的高溫冒煙或著火，就會產(chǎn)生大量的有毒氣體，危害到井下施工人員的人身安全，近年來，礦用高分子材料引發(fā)了多起煤礦火災(zāi)事故[15-16]。

針對聚氨酯加固材料存在的問題，對注漿材料SCPJG-1通過改性，研制了一種低反應(yīng)溫度高強度礦用復(fù)合注漿加固材料SCPJG-2，材料通過添加環(huán)氧樹脂來降低PAPI的用量，從而達到降低最高反應(yīng)溫度，提高抗壓強度。SCPJG-2型礦用復(fù)合加固材料性能指標(biāo)見表4。

表4 SCPJG-2型礦用復(fù)合加固材料性能指標(biāo)Table 4 Performance index of SCPJG-2 m ine com posite reinforcementmaterial

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 控制方案

針對孟村煤礦401101工作面過DF29大斷層，基于前述斷層區(qū)開采擾動災(zāi)變治理方法，提出401101工作面過斷層注漿加固方案。方案如下：

1）兩巷道超前預(yù)注漿。兩巷道超前預(yù)注漿鉆孔設(shè)計如圖4。在401101工作面運輸巷布置8個鉆孔（1#～8#），401101工作面回風(fēng)巷布置9個鉆孔（9#～17#），開孔位置位于巷幫距離頂板300mm處，終孔高度距開采煤層頂板以上5 m，孔徑60 mm，鉆孔間距20m，漿液采用新型水泥基注漿加固材料（SCJG-1）。

圖4 兩巷道超前預(yù)注漿鉆孔設(shè)計Fig.4 The pre-grouting borehole design of two roadways

2）工作面局部注漿治理。工作面推進過程中，對工作面頂板破碎區(qū)域進行超前預(yù)注漿加固，注漿鉆孔設(shè)計如圖5?？咨? m，鉆孔開孔在前探梁下方500 mm處，傾角15°，工作面超前注漿每3個循環(huán)（4.8 m）注漿1次，直至通過斷層破碎帶為止，漿液采用低反應(yīng)溫度高強度礦用復(fù)合注漿加固材料（SCPJG-2）。

圖5 工作面頂板破碎區(qū)域注漿鉆孔設(shè)計Fig.5 The grouting borehole design of broken area of working face roof

5.2 控制效果

孟村煤礦401101工作面過DF29導(dǎo)水大斷層，采取了“兩巷道超前預(yù)注水泥基材料治理+工作面局部注礦用復(fù)合加固材料治理”的注漿加固技術(shù)，采用注漿后工作面采場得到有效控制，頂板圍巖內(nèi)漿液擴散效果圖如圖6。

圖6 頂板圍巖內(nèi)漿液擴散效果圖Fig.6 Effect draw ing of grouting in crushing zone of roof

圖6表明注漿漿液能有效擴散并充填膠結(jié)破裂煤巖體，增加了圍巖結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，控制效果顯著。

401101綜放工作面過斷層耗時3個月，現(xiàn)場安全通過了245 m的斷層影響區(qū)，未發(fā)生冒頂、突水、沖擊地壓等事故，保障礦井安全生產(chǎn)。

6 結(jié) 語

1）運用巷道揭露、水文地質(zhì)勘探、水樣分析等手段，查明了DF29大斷層的斷層情況富水性，巷道揭露斷層落差15～18 m，DF29斷層發(fā)育明顯，斷層從延安組一直延伸至安定組底部，高度約為120～130 m。斷層富水性情況較差，洛河組含水層水參與特征不明顯。

2）針對DF29斷層特點，提出了401101工作面在回采通過DF29斷層過程中，易發(fā)生突水、沖擊地壓、頂板垮落等災(zāi)變模式，并提出一種提高斷層擾動區(qū)內(nèi)煤巖體承載能力的綜放工作面過導(dǎo)水大斷層注漿方法，即采取“兩巷道超前預(yù)注漿治理+工作面局部注漿治理”的治理思路。

3）研發(fā)了一種具有可注性強、流動性好、黏結(jié)性好的水泥基注漿加固材料SCJG-1和一種低反應(yīng)溫度高強度的礦用復(fù)合注漿加固材料SCPJG-2。

4）工程實踐表明，采用采取了“兩巷道超前預(yù)注水泥基材料治理+工作面局部注礦用復(fù)合加固材料治理”的注漿加固技術(shù)，401101綜放工作面順利通過DF29導(dǎo)水大斷層，保障了工作面安全回采。