煤礦斷層防水煤柱開采回收技術(shù)

肖德成

（鶴礦集團峻德煤礦,黑龍江 鶴崗 154111）

1 引言

我國許多煤田的水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在部分煤層開采過程中會受到礦井突水的威脅，防治水問題一直是煤礦生產(chǎn)及科研中的一大技術(shù)難題。隨著礦井向深部延伸，開采煤層所承受的巖溶含水層水壓將越來越大，受底板突水的威脅也將更加嚴(yán)重。如果不及時解決受承壓水威脅煤層的開采問題，一些礦區(qū)將處于逐步減產(chǎn)甚至停產(chǎn)的狀態(tài)。

2 斷層的基本要素及類型

2.1 基本要素

所謂斷層是指巖層沿斷裂面發(fā)生顯著位移的斷裂構(gòu)造。為了描述斷層的性質(zhì)、位移和空間形態(tài)，給斷層的各個部位以一定的名稱。如斷層面、斷層線、斷盤、斷距、落差等，這些斷層的基本組成部分叫斷層要素：a.斷層面和破碎帶。巖層發(fā)生相對位移時，總是沿著斷裂面進行的，此面稱為斷層面。斷層面可以是直立的，但大多數(shù)是傾斜的。規(guī)模大的斷層，經(jīng)常不是沿著一個簡單的面發(fā)生，而往往是沿著一個錯動帶發(fā)生，這個帶稱為斷層破碎帶，其寬度從數(shù)厘米到數(shù)十米不等。斷層面多是不平直的曲面，少數(shù)情況下是平面。在一個小的范圍內(nèi)可以把斷層面看作是平面，也同樣用走向、傾向及傾角表示斷層面的產(chǎn)狀；b.斷層線。斷層線是斷層面在地面上的出露線，也就是斷層面與地面的交線。斷層線的方向反映斷層延伸方向。斷層面與某一水平的水平切線的交線亦稱斷層線。在水平切面圖上的斷層線表示了斷層真正的走向；c.斷盤。被斷層面分開的巖體叫斷盤，其相對上升的巖體叫上升盤相對下降的巖體叫下降盤。如果斷層面是傾斜的，根據(jù)巖體與斷層面的關(guān)系，又有上盤位于斷層面上方的一盤與下盤位于斷層面下方的一盤之分。斷層面直立時，就無上、下盤之分；d.斷距。斷距是斷層兩盤沿斷層面相對移動開的距離。未錯開前的某一點，錯動后分裂為兩點，分別在兩個盤上，測量這兩點間的實際距離就是真斷距或稱總斷距?？倲嗑嘣谧匀唤绾茈y確定，在生產(chǎn)上也沒有實際意義。斷層的斷距通常是根據(jù)在不同方向的剖面上被錯開巖層的距離來表示的。本文以下皆以地層斷距表示，所謂地層斷距是指垂直于煤巖層走向的剖面上，斷層兩盤同一煤層面之間的距離。目前我國各生產(chǎn)單位，對斷層落差的含義和解釋，有不同的看法，到現(xiàn)在還未取得一致意見；e.落差。一條斷層，在不同的地段落差不同。就是同一地點，在不同方向上作剖面，表現(xiàn)的斷層落差值也不相同。在采煤生產(chǎn)中最有意義的是沿巖層走向剖面上的落差。

2.2 斷層分類

根據(jù)斷層上下盤相對移動的方向，可分為正斷層、逆斷層和平推斷層。正斷層是巖層斷裂后，其上盤相對下降，下盤相對上升；逆斷層是上盤相對上升，下盤相對下降。根據(jù)斷層面的傾角，又把逆斷層分成沖斷層斷層（傾角大于45°）、逆掩斷層（斷層傾角為45°-25°之間）和輾掩斷層（斷層傾角在25°以下）。平推斷層是斷層兩盤沿近于直立的斷層面作相對水平移動的斷層。根據(jù)斷層的導(dǎo)水特征，斷層又可分為導(dǎo)水?dāng)鄬雍筒粚?dǎo)水?dāng)鄬?。根?jù)斷層的力學(xué)特征，可分為張性斷層和壓剪斷層（即張開型斷層和閉合型斷層）。

3 斷層突水因素分析

3.1 斷層突水的內(nèi)因分析

斷層的導(dǎo)水性能與斷層本身的性質(zhì)特征有緊密的聯(lián)系，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:a.與斷層帶附近巖體富水程度有關(guān)。b.斷層帶附近，含水層本身巖性破碎，裂隙發(fā)育，常常不同程度富水，為突水的形成提供了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。與斷層帶隔水層厚度有關(guān)。斷層帶隔水層厚度和抗水強度，隨著隔水層厚度增大，其抗水能力亦隨之增大。與斷層落差、傾角有關(guān)。斷層落差的作用是既改變了隔水層正常厚度，也改變了采掘工作面、煤系地層內(nèi)的煤層與含水層具有不同的接觸關(guān)系。井下中小型斷層，多數(shù)在平面和垂直方向上“擺動”較大，斷層傾角也常有變化。

3.2 斷層突水的外因分析

在斷層帶形成突水的外因素主要有以下幾個煤柱尺寸和礦山壓力：煤柱尺寸。在礦山壓力作用下，所留斷層保護煤柱被壓碎，承壓水通過斷層面或斷層破裂帶突破工作面進入工作面。保留足夠?qū)挾鹊谋Ｗo煤柱，使之不至于被礦山壓力破壞是防止承壓水進入工作面的一條有效措施。但這是一條被動的措施，而且還浪費了大量的煤炭資源。礦山壓力。煤層底板隔水層中存在著固有裂隙結(jié)構(gòu)面，它們互相交錯雜亂無章的分布，破壞了巖體的完整性，使之強度大大降低。煤層開采后，在支承壓力及靜水壓力的作用下原巖裂隙結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生不同程度的擴張、延展，導(dǎo)致新裂隙的產(chǎn)生及原巖裂隙的“活化”，可能在底板產(chǎn)生具有連通性的裂隙結(jié)構(gòu)面。若該結(jié)構(gòu)面與五灰含水層相接，承壓水便會直接由底板進入工作面，危害生產(chǎn)。五灰含水層上距采區(qū)煤層底板距離一定，只要我們能改造五灰含水層不含水或弱含水，這樣就可以使有效隔水層厚度增加，實現(xiàn)安全開采。

4 斷層帶注槳加固

4.1 斷層帶注槳加固原理

斷層帶注漿加固實質(zhì)是通過鉆孔向斷層帶附近巖體內(nèi)灌注漿液，充填灰?guī)r及其圍巖巖溶裂隙，改變含水層的富水性，封堵水源補給通道，堵塞導(dǎo)水裂隙，加固煤層底板隔水層，防止薄層灰?guī)r水突入礦井，實現(xiàn)安全采煤的技術(shù)途徑。該加固方法的原理主要體現(xiàn)在以下三方面：a.五灰中壓入漿液，漿液沿著灰?guī)r巖溶裂隙擴散、結(jié)石，最后充填，把灰?guī)r中的水“置換”出來，使之不含水或弱含水；b.漿液在注漿壓力作用下，通過破裂帶沿著五灰水補給破裂帶的通道運移、擴散、結(jié)石，堵塞或縮小導(dǎo)水通道，減少五灰水對破裂帶的補給量；c.漿液在注漿壓力作用下，通過薄灰裂隙沿著導(dǎo)高裂隙運移、擴散、結(jié)石，充塞隔水層的導(dǎo)水裂隙，膠結(jié)強化隔水層。因此，對五灰?guī)r層注漿能起到改造、封源和加固的作用，不但可以防止五灰水大量地突水，而且可以防止五灰層下的其他含水層突水，從而達到安全采煤的目的。

4.2 注漿工藝

注漿系統(tǒng)。我們利用地面注漿站進行造漿，通過井下注漿管路向井下注漿孔進行注漿，在井上控制注漿壓力：a.注漿方式。注漿改造以最大量注漿、最大范圍的擴散、最大限度的充填為目的，所以一般采用連續(xù)注漿發(fā)現(xiàn)巷道跑漿時采用間歇注漿，間歇時間4-8小時；b.泵量要求。根據(jù)鉆孔揭露的巖溶裂隙發(fā)育程度，涌水量大小、終孔位置的水壓確定泵壓及泵量。當(dāng)裂隙發(fā)育時，采用全泵量:當(dāng)裂隙發(fā)育較差或泵壓大于0.5MPa時，用中泵量:最后結(jié)束封孔時用小泵量，為40升/分，孔口壓力達到水壓的2-3倍，并需持續(xù)一定時間，一般為20 分鐘左右；c.注漿材料。在進行斷層帶注漿改造時用FCL-C 漿液，但在最后封孔時一定要用水泥單漿液，這樣可保證封口強度要求。

4.3 注漿程序

①注漿前先進行放水10-20 分鐘，并控制好放水量，將沉積在孔內(nèi)的巖粉沖出。②對注漿設(shè)備、注漿管路進行打壓試驗，試驗的最大壓力為最大注漿壓力的1.5倍。③造漿:凡是有溶洞的造濃漿液，否則造稀漿液。④注漿:注漿過程中根據(jù)進漿情況隨時調(diào)節(jié)泵壓、泵量及漿液濃度。一般要連續(xù)注漿，發(fā)現(xiàn)跑、串漿時可間歇注漿。⑤當(dāng)達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，最后再向孔內(nèi)壓一定的清水，將管路清洗干凈，關(guān)閉注漿孔水門，8小時后可打開水門，觀測孔內(nèi)是否還有涌水。

5 斷層防水煤柱安全回采技術(shù)措施

為了確保斷層防水煤柱的安全回采，在回采過程中，課題組還采取了以下安全技術(shù)措施。

減小工作面來壓強度。工作面回采時，我們在工作面開切眼提前打好兩排放頂眼，放頂眼斜長2.0-3.0m。垂深不小于1.5m，放頂眼間距1.5m，工作面推出4m 后進行人工放頂，工作面推進過程中，視頂板冒落情況，由課題組人員會同工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場確定放頂范圍及方法，但規(guī)定任何情況下，工作面走向懸頂范圍不得超過10m，通過這些措施，大大減小了工作面初次來壓和周期來壓階段的來壓的強度，減少了礦壓對工作面底板的破壞程度。

加快工作面的推進度。如果運輸戰(zhàn)線長，提升距離遠，為了減少中間運輸環(huán)節(jié)，可在采區(qū)運輸大巷中間新擴了一個車場，增加了一部電機車，這樣運輸能力比原來增加了一倍，幅度提高，另外通過加強現(xiàn)場管理，合理安排各工序的作業(yè)時間。

工作面來壓前，開啟檢驗孔截門工作面初次來壓前，對斷層帶施工的檢查孔開啟孔口截門，一方面泄水降壓，另一方面，避免在礦壓的作用下，承壓水從工作面底板裂隙薄弱帶涌出。

[1]靳德武.我國煤層底板突水問題的研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002.

[2]劉進曉.房柱式開采煤柱上支承壓力的研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005.

[3]王連國.底板突水煤層的突變學(xué)特征[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2001.