薛志東

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 四臺(tái)礦，山西 大同 037003)

四臺(tái)礦8號(hào)煤層是主要開(kāi)采煤層，位于太原組下部，煤層的走向是西北方向，傾斜方向是西南方向，煤層的平均厚度為5.75 m，埋深在570 m，平均傾角為20°，煤層中含有1～2層矸石，煤層的節(jié)理比較發(fā)育，煤硬度較低，直接底的厚度變化約9 m，煤層下覆依次是厚度為2.6 m的灰?guī)r、1 m的泥巖和5.4 m的灰?guī)r，在灰?guī)r中存在含水層，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)概況，工作面在回采期間主要受含水層的影響，加上受斷層的影響，因此，為了防止斷層與灰?guī)r含水層出現(xiàn)貫通，要及時(shí)采取措施預(yù)防突水事故[1]。

1 防水煤柱留設(shè)寬度

8號(hào)煤層位于大斷層的上方，考慮煤層下側(cè)隔水層的隔水能力是否能承受住來(lái)自下側(cè)的水壓，可以參照《煤礦防治水規(guī)定》[2]的公式來(lái)計(jì)算防水煤柱的設(shè)置寬度L：

L=Ha/sinα

(1)

Ha=TsP+10

(2)

式中：L是煤柱設(shè)置寬度；Ha是斷層防水煤柱寬度；α是斷層傾角；P是含水層水頭壓力；Ts是突破含水層的臨界突水系數(shù)，一般取0.05 MPa/m。

根據(jù)上式計(jì)算，斷層傾角是影響防水煤柱設(shè)置寬度的重要因素，斷層的傾角越小，防水煤柱的設(shè)置寬度就越大，在煤層傾角為8°時(shí)，最大防水煤柱設(shè)置寬度為128 m，最小防水煤柱設(shè)置寬度為77 m，因此，某工作面井下防水煤柱設(shè)置寬度平均距離為102.5 m。

2 防水方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合8號(hào)煤層的水文地質(zhì)資料，根據(jù)相鄰工作面的開(kāi)采情況，在煤層開(kāi)采后對(duì)下部富水層的壓力降低，導(dǎo)致富水層中的水更加容易通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶流出；其次，斷層形成了新的導(dǎo)水裂隙帶，為富水層中的水提供了新的導(dǎo)水通道，造成突水事故。因此，為了盡可能降低開(kāi)采動(dòng)壓對(duì)煤層的影響，要對(duì)灰?guī)r層進(jìn)行阻滲注漿加固，以保護(hù)煤層下部的隔水層不被破壞。由于工作面受多斷層的影響，底板隔水層的裂隙帶導(dǎo)通，在水壓值穩(wěn)定的情況下，斷層破碎帶附近的底板阻水能力小于含水層的實(shí)際水壓[3]。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固，來(lái)切斷導(dǎo)水裂隙帶的導(dǎo)水通道。根據(jù)工作面的實(shí)際情況，對(duì)斷層破碎帶的注漿加固相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 注漿材料與水灰比

在進(jìn)行注漿加固時(shí)，要求注漿的結(jié)石體有很高的強(qiáng)度和抗變形能力，綜合考慮注漿材料的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)的施工情況以及漿液的強(qiáng)度等，讓漿液成型在一個(gè)70 mm×70 mm×70 mm的模具中，將成型后的結(jié)石體放在20 ℃的水中，測(cè)定漿液的結(jié)石抗壓強(qiáng)度是否在1.0 N/mm2。在阻水墻滿足抗壓強(qiáng)度后，對(duì)工作面進(jìn)行注漿作業(yè)，采用水泥和水玻璃雙液漿作為注漿材料，在對(duì)兩種漿液進(jìn)行混合前，要求6 h內(nèi)漿液不凝固、不沉淀，在混合后，要求漿液凝固的時(shí)間在3～10 min，強(qiáng)度在8 MPa以上。漿液的水灰比保持在0.8∶1，如果出現(xiàn)漏漿，可以將水灰比維持在0.7∶1[4]。

2.2 注漿壓力

對(duì)8號(hào)煤層進(jìn)行注漿加固時(shí)，在斷層破碎帶內(nèi)裂隙發(fā)育程度較差，注漿加固所設(shè)計(jì)的注漿孔深度比較大，因而，注漿加固的注漿壓力保持在8 MPa。

2.3 注漿孔深及布置形式

在設(shè)計(jì)注漿孔時(shí)，要確保漿液充分流入斷層破碎帶的圍巖中，考慮工作面具體的實(shí)際情況，正巷布設(shè)孔深為8 m的注漿孔，副巷布設(shè)孔深為6 m的注漿孔，孔口管的規(guī)格是D200 mm、長(zhǎng)度是2 m，將孔口管放入注漿孔中，并進(jìn)行固定，注漿孔的平面布置如圖1所示。

圖1 注漿孔布置平面(m)

對(duì)巷道兩幫進(jìn)行注漿孔施工，向兩幫偏移30°，最上方的注漿孔向上偏移25°，最下方的注漿孔向下偏移25°，每個(gè)孔之間相隔6 m，兩幫的注漿孔剖面如圖2所示。

圖2 注漿孔兩幫剖面(m)

2.4 施工工藝方法

進(jìn)行注漿加固時(shí)，按照“安全施工檢查—敲幫問(wèn)頂—定切眼—開(kāi)注漿孔注管—進(jìn)行壓力檢驗(yàn)—鉆進(jìn)—注漿—下一次鉆進(jìn)—注漿直至終孔為止—清理現(xiàn)場(chǎng)”的工藝順序進(jìn)行。其中，要特別注意，在每次注漿前，都要對(duì)其進(jìn)行壓水，根據(jù)吸水率來(lái)判斷壓水效果；確定漿液的濃度和類型，根據(jù)工作面的實(shí)際情況，在必要時(shí)對(duì)調(diào)整漿液濃度配比；注漿作業(yè)結(jié)束后，要及時(shí)對(duì)注漿管理進(jìn)行清洗，為后續(xù)工作提供依據(jù)。

3 防水方案應(yīng)用效果

對(duì)8號(hào)煤層進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)，驗(yàn)證經(jīng)注漿加固后正副巷的穩(wěn)定性效果，對(duì)正副巷到斷層破碎帶部分進(jìn)行鉆孔，同時(shí)安裝水壓力和應(yīng)力傳感器，分析破碎帶區(qū)域在礦壓和空隙水壓力下的變化，通過(guò)對(duì)比，得出對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行阻滲注漿加固的效果，在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，共布設(shè)3個(gè)觀測(cè)孔，其中，1號(hào)觀測(cè)孔在副巷4號(hào)鉆場(chǎng)，2號(hào)觀測(cè)孔在斷層的下盤(pán)，3號(hào)觀測(cè)孔在斷層破碎帶上，各觀測(cè)孔的具體參數(shù)如表1所示。

表1 各觀測(cè)鉆孔參數(shù)

1號(hào)觀測(cè)孔的應(yīng)力傳感器埋深25.5 m，水壓傳感器埋深26.1 m；2號(hào)觀測(cè)孔的應(yīng)力傳感器埋深24.4 m，水壓傳感器埋深25.7 m；3號(hào)觀測(cè)孔的應(yīng)力傳感器埋深18.9 m，水壓傳感器埋深27 m，布設(shè)好觀測(cè)孔后，每天至少進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果得出，斷層破碎帶上的最大附加應(yīng)力在1.2 MPa，兩盤(pán)巖體與破碎帶變化基本一致，而兩盤(pán)的水壓力相對(duì)較大，最大水壓力在194 kPa，觀測(cè)孔內(nèi)的水壓力在推進(jìn)過(guò)程中一直較小，可見(jiàn)，未出現(xiàn)斷層活化現(xiàn)象。根據(jù)注漿孔施工過(guò)程的觀測(cè)結(jié)果，在注漿過(guò)程中工作面的最大涌水量為80 m3/h，進(jìn)行阻滲注漿加固后，工作面的最大涌水量只有18 m3/h，說(shuō)明采用阻滲注漿加固技術(shù)，大大降低了巷道底板突水事故，確保了礦井的安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)四臺(tái)礦8號(hào)煤層在回采過(guò)程中，底板隔水層破壞，斷層破碎帶出現(xiàn)的突水事故，提出一種新的斷層防水治理方案，結(jié)果如下：

1) 根據(jù)工作面的實(shí)際水文地質(zhì)情況，確定防水煤柱留設(shè)的合理寬度，采用阻滲注漿加固防水方案，設(shè)計(jì)注漿加固相關(guān)參數(shù)。

2) 在8號(hào)煤層上進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)，在注漿孔施工過(guò)程中，工作面的最大涌水量為80 m3/h，進(jìn)行阻滲注漿加固后，工作面的最大涌水量只有18 m3/h，說(shuō)明阻滲注漿加固大大降低了巷道底板突水事故，提高了斷層破碎帶的巖體強(qiáng)度，確保了礦井的安全生產(chǎn)。