掘進巷道過含水斷層水害分析及施工工藝＊

呂兆海 閆學(xué)忠 朱海魚 賈 川 李立波 李 陽

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750004）

礦井水災(zāi)害是煤礦地質(zhì)災(zāi)害的重要組成部分，它嚴重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。突水預(yù)測預(yù)報是礦井突水災(zāi)害防治研究的一個重要方面，很多學(xué)者致力于這方面的研究工作。楊善安詳細分析了斷層在采空區(qū)的位置及要素與突水的關(guān)系，得出斷層面傾向采空區(qū)方向的采空區(qū)邊界底板斷層最容易發(fā)生突水事故，尤其是當斷層傾角同最大膨脹線相吻合時，突水最容易發(fā)生；譚志祥基于巖體極限平衡理論，分析了斷層突水的力學(xué)機制，得出了突水與否的判別公式；葛亮濤利用P-H 曲線、黎良杰等利用關(guān)鍵層理論對礦井突水發(fā)生的條件進行了探討；呂保民等總結(jié)礦井導(dǎo)水通道發(fā)生突水防治措施，主要有物探、鉆探、留設(shè)煤柱、注漿、提前疏放和水位觀測等。

1 頂板透水預(yù)測分析

水害對礦井的威脅主要表現(xiàn)為煤層頂?shù)装甯浇暮畬痈凰?、?lián)通地表水體或地下強含水層的煤層構(gòu)造、充水老窯采空區(qū)等幾種形式。在采掘前對各種可能引起礦井水害的因素進行準確探測是有效防止礦井突水災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵。

1.1 透水災(zāi)變理論分析

本著預(yù)測預(yù)報、有掘必探、先探后掘、先治后采的安全生產(chǎn)原則，加強工作面水害形成機理分析，用含水層儲水性能即含水量大小 （Water-Bulk）、煤體上覆巖體裂隙擴展高度 （Destroyed-Height）以及透水與否 （Water-Inrush）3 個參數(shù)來表示頂板是否透水以及透水量大小。含水量大小及煤體上覆巖體構(gòu)造裂隙是突變理論中的兩個控制變量，透水與否這個參數(shù)是尖點突變理論中的狀態(tài)變量，上述3個參數(shù)坐標 （W-B，D-H，W-I）的三維空間給出了一個曲面，如圖1所示。

圖1 頂板透水突變模型

基于以上假設(shè)，頂板是否發(fā)生透水是隨著含水層含水量大小及煤體上覆巖構(gòu)造裂隙擴展高度的變化而變化。如果含水層含水量足夠小，透水量將隨著裂隙高度的不斷向上發(fā)展而緩慢增長；如果含水量足夠大，隨著煤體上覆巖層裂隙高度的不斷擴展，透水量將出現(xiàn)一個跳躍性增長；當裂隙擴展高度與含水層含水量沿著路徑I變化時，頂板將從穩(wěn)定（不透水）跳躍到不穩(wěn)定（透水）狀態(tài)。隨著巷道向前掘進，后方巖體在上覆巖層壓力作用下構(gòu)造裂隙閉合，含水層水壓減小，滲流率緩慢減弱，在突變模型中為沿分歧點集外運動的漸變過程（路徑II）。

1.2 斷層突水探測原則

斷層突水特征如表1所示，現(xiàn)場遇到下列情況時必須探查斷層含 （導(dǎo)）水性：

（1）采掘工作面前方或附近有含 （導(dǎo)）水斷層存在，但具體位置不清或控制程度不夠時。

（2）采掘工作面前方或附近預(yù)測有斷層存在，但其位置和含 （導(dǎo)）水性不清，有可能發(fā)生突水時。

（3）采掘工作面底板隔水層厚度與實際承受的水壓力都處于臨界狀態(tài) （即等于安全隔水層厚度和安全水壓的臨界值），在掘進工作面前方和采面影響范圍之內(nèi)是否存在斷層情況不清，一旦遭遇很可能發(fā)生突水時。

（4）斷層已經(jīng)被巷道揭露或穿過，暫時沒有出水跡象，但由于隔水層厚度和實際水壓力已經(jīng)接近臨界狀態(tài)，在采動影響下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已經(jīng)和強含水層導(dǎo)通。

（5）采掘工作面附近構(gòu)造不明，井巷工程接近或計劃穿過的斷層淺部不含 （導(dǎo)）水，但在深部有可能發(fā)生突水時。

2 工程應(yīng)用

羊場灣井田生產(chǎn)補充地質(zhì)勘探范圍是西部以東廟詳查區(qū)邊界及周家溝于家梁背斜為界，北部以20勘探線為界，東部以石槽村井田邊界為界 （即長梁山向斜軸），南部以楊家窯正斷層為界。南北長10km，東西寬3.2～5km，面積36.32km2。深部補勘區(qū)新發(fā)現(xiàn)斷層16 條，其中逆斷層7 條，正斷層9條。斷層破碎帶內(nèi)煤巖破碎，裂隙發(fā)育，分布向深部延伸，裂隙多為砂質(zhì)、泥質(zhì)充填，斷層導(dǎo)水性較好。掘進下山揭露F201正斷層時，多次出現(xiàn)涌水和流砂，掘進頭冒落，伴生泥石流災(zāi)害，最大涌水量90m3／h，涌出泥砂約5000m3。

表1 斷層突水特征

2.1 工作面概況

+980m 回風(fēng)大巷采用錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護，半圓拱形斷面，巷道凈寬5300 mm，凈高4350mm，施工凈斷面積25.4 m2，沿二煤掘進，二煤結(jié)構(gòu)簡單，煤厚7.1～9.3 m，平均煤厚8.2m，二煤偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂為粉砂巖、細砂巖，老頂為中砂巖、粉砂巖。根據(jù)勘探地質(zhì)資料分析，+980 m 回風(fēng)大巷在掘進過程中將揭露DF9正斷層。

2.2 工作面水害隱患分析

（1）頂板水害分析。頂板水涌出的影響因素不僅與含水層賦存的水體類型、特征、賦存條件有關(guān)，還與煤層頂板隔水層的水文地質(zhì)條件、地層構(gòu)造有關(guān)。施工巷道位于第Ⅲ含水層組的下部，根據(jù)勘探資料分析，第Ⅲ含水層組含水豐富，主要以一層煤頂板粗粒砂巖含水為主，該含水層的水可通過節(jié)理、裂隙導(dǎo)入巷道。

（2）斷層水害分析。DF9正斷層落差大，為張性導(dǎo)水斷層，在局部或區(qū)域側(cè)向拉伸力作用下，張裂程度較大，由于斷層帶孔隙多、孔隙度大，加之斷層兩盤富水性較強，常伴有次生裂隙構(gòu)造，形成斷層的裂隙帶，與斷層破碎帶共同構(gòu)成斷層水的儲存體和良好通道。當巷道掘進揭露斷層，斷層破碎帶內(nèi)的水或者斷層溝通煤層頂板含水層的水會使礦井涌水量顯著增加。

2.3 過導(dǎo)水斷層施工工藝

本著有疑必探、先探后掘的原則，在斷層前方100m 處打鉆探查水文特征。單孔深50.0 m，鉆孔依次穿過二層煤、泥巖、粉砂巖、中砂巖、一層煤、粗砂巖。2＃、3＃鉆孔施工過程中探查到正斷層DF9（導(dǎo)水性好，涌水量20 m3／h）。工作面過斷層過程中，采用注博特威加固圍巖，堅持先堵水，再加固，后掘進。超前探測鉆場布置見圖2。

圖2 超前探測 （斷層）鉆場布置

（1）超前疏放水。對煤層頂板水進行可控疏放對減小巷道涌水量十分重要，采用疏水降壓是頂板水防治的重要工作。當工作面掘至距斷層約10m 時，采用坑道地質(zhì)鉆機，在頂板施工2～3個泄壓導(dǎo)水孔 （孔徑?75 mm），導(dǎo)水孔終孔位置應(yīng)距巷道頂板20m，孔深應(yīng)滿足導(dǎo)水孔進入斷層帶5m。

（2）預(yù)注漿加固。斷層影響區(qū)內(nèi)煤巖體雖具有一定殘余強度，但其抵抗圍巖變形的能力顯著降低，通過提前注射馬麗散、博特威等化學(xué)材料，改善弱面的力學(xué)性能，即提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，從而固結(jié)斷層破碎帶松散巖層，杜絕潰沙、潰水事故發(fā)生，保證斷層破碎區(qū)頂板安全。滲透半徑是確定加固區(qū)內(nèi)注漿孔間距及數(shù)量的依據(jù)，其取決于注漿壓力與時間、裂隙密度、裂隙開度、裂隙迂曲度、漿液的運動黏度、漿液的膠凝時間等，注漿漿液的擴散半徑用式 （1）計算：

式中：R——漿液擴散半徑，cm；

pc——注漿孔內(nèi)壓力，MPa；

p0——受注裂縫內(nèi)地下水壓力，MPa；

T——注漿時間，s；

b——裂縫寬度，cm；

rc——注漿孔半徑，cm；

u——漿液黏度，MPa·s。

注漿量的大小取決于注漿壓力、時間、煤巖體裂隙的發(fā)育程度、破碎狀況及滲透性等，還與注漿過程中漿液的跑漏情況有關(guān)，每個注漿孔的注漿量可用式 （2）進行計算：

式中：Q——單孔注漿量，kg；

A——漿液消耗系數(shù)，取1.2～1.5；

L——鉆孔長度方向加固區(qū)長度，m；

n——巖石的裂隙率，取1%～10%；

B——漿液的充填系數(shù)，取0.7～1.0。

將上述數(shù)值代入式 （2）可得單孔注漿量為

110kg。

根據(jù)先支護后注漿的原則，工作面掘至距DF9斷層約4m 處沿巷道輪廓線超前施工注漿孔，邊注漿邊掘進，每次注漿加固范圍為5.0m，向前掘進3.0m 進行下一循環(huán)注漿。預(yù)注漿鉆孔工藝布置如圖3所示，每循環(huán)布置9個孔，孔徑32mm，孔深6.0 m，頂孔仰角15°～20°，幫孔外擺15°，孔間距1.4m。

圖3 預(yù)注漿鉆孔工藝布置圖

（3）超前架棚維護。采用鋪雙層網(wǎng)、架設(shè)U型鋼棚、噴射混凝土聯(lián)合支護，距斷層面10m 時由外向里架設(shè)U 型鋼棚，每架設(shè)三架棚后噴射混凝土支護到掘進頭。根據(jù)斷層段圍巖硬度采用鎬刨、炮掘或綜掘施工，循環(huán)進度在0.5～0.8 m，掘進一個循環(huán)及時架設(shè)U 型鋼棚。若煤巖體非常破碎，采用鎬刨或風(fēng)鎬施工，邊掘進邊打設(shè)頂錨桿；若煤巖體硬度較大，可縮小循環(huán)進度，放小炮掘進。U 型鋼棚參數(shù)見圖4（a）。

圖4 架設(shè)錨注工藝

（4）全斷面錨注加固。采用注漿錨桿實現(xiàn)錨、注合一，對巷道破碎圍巖進行 而有所增大，相對瓦斯涌出量隨著煤炭產(chǎn)量的增大而呈負指數(shù)關(guān)系減小，同時隨著配風(fēng)量的增大，工作面瓦斯涌出量逐漸增大。

（3）正?；夭蛇^程中，直接頂垮落，工作面瓦斯涌出量是其未垮之前的1.33倍，而初次來壓后瓦斯涌出量是來壓前的1.6倍，此后隨工作面推進一定的距離，工作面瓦斯涌出量均會出現(xiàn)周期性增大，其周期與礦山壓力的來壓步距幾乎相等。

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