開采擾動區(qū)斷層水患防治＊

劉小明，來興平，陶冰鑫，李立波，來紅祥

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054;2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司，寧夏 銀川750010)

0 引 言

礦山地下開挖擾動區(qū)(Excavation disturbed zone，EDZ)斷層活化失穩(wěn)與水患預(yù)測防治對煤礦安全綠色開采具有科學(xué)性、必要性和現(xiàn)實性［1-2］。我國西部地區(qū)正在建設(shè)的寧東、陜北、黃隴、神東和新疆大型煤炭基地內(nèi)斷層分布廣泛，災(zāi)害源隱蔽性強;水文地質(zhì)與開采條件復(fù)雜，斷層動力學(xué)失穩(wěn)誘發(fā)涌水潰沙等鏈?zhǔn)綖?zāi)害頻發(fā)。例如寧東礦區(qū)羊場灣礦是神華寧煤集團年產(chǎn)1 500 萬t 大型礦井，2009 年8 月11 日，12 采區(qū)回風(fēng)巷揭露DF201正斷層(落差32.0 m)時出現(xiàn)大量涌水潰沙，最大涌水量100 m3/h，最大含沙量12.0%，約1 000 m巷道瞬間泥沙淤積，工作面被迫停掘。礦井深部賦存多個落差大于30.0 m 導(dǎo)水?dāng)鄬印Ｍ悊栴}在西部礦區(qū)均有存在且嚴重制約安全生產(chǎn)與采掘接續(xù)。國內(nèi)許多學(xué)者在此領(lǐng)域頗有建樹。孟召平等分析了正斷層附近煤巖物性變化及其對礦壓影響［3］;卜萬奎等分析了傾角對斷層活化及底板突水的影響［4］;曹建濤揭示了斷層采動活化誘發(fā)鏈?zhǔn)絼恿W(xué)災(zāi)害機理［5］。蔡美峰等提出了安全穿越斷層破碎帶巷道穩(wěn)定性和化學(xué)注漿加固技術(shù)等［6-7］。楊忠民等揭示了復(fù)雜特厚富水煤層大采高開采巖層運動局部化特征和采空區(qū)煤巖動力失穩(wěn)機制［8］。另外，考慮“聲- 震- 波- 應(yīng)力- 變形”等物理力學(xué)指標(biāo)預(yù)測為揭示多源(元)致災(zāi)及災(zāi)害鏈發(fā)生機制提供了基礎(chǔ)。聲發(fā)射(Acoustic emission，AE)、地質(zhì)雷達(Ground penetrating radar，GPR)和熱紅外(Infrared thermography，IRT)等為開采擾動區(qū)破碎巖體動態(tài)失穩(wěn)演化和涌(透)水預(yù)測與工程加固調(diào)控提供了有效適用性手段［9-12］。

西部礦區(qū)煤巖體的物質(zhì)性、賦存性和結(jié)構(gòu)性是有別于東部礦區(qū)的本質(zhì)性特征。礦區(qū)多處于干旱半干旱與高應(yīng)力區(qū)，煤層以侏羅系沉積環(huán)境為主，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，煤巖體節(jié)理裂隙發(fā)育且易風(fēng)化。本研究以神華寧煤集團寧東大型煤炭基地內(nèi)羊場灣煤礦為典型工程背景，針對快速穿越開采擾動區(qū)導(dǎo)水?dāng)鄬用媾R的安全施工難題，進行水文地質(zhì)與開采技術(shù)條件調(diào)查，運用理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用等方法，成功實施了DF9 斷層開采區(qū)域水患超前探測與防治，這對類似條件下和后續(xù)深部開采過程中快速穿越斷層破碎帶與安全開采提供了新的借鑒依據(jù)。

1 現(xiàn)場地質(zhì)水文特征

神華寧煤集團寧東礦區(qū)羊場灣井田南北長10 km，東西寬3.2 ～5.0 km，面積36.32 km2。斷層分布廣泛，已探明斷層有16 條，逆斷層7 條，正斷層9 條。12 采區(qū)3 條巷道存在9 處落差30.0 m 以上導(dǎo)水?dāng)鄬?，其中以DF201 和DF9 斷層最為典型(圖1)。

圖1 開采布局與斷層位置關(guān)系Fig.1 Mining layout concerning fault location

2009 年8 月11 日，12 采區(qū)回風(fēng)巷初期預(yù)測位置提前110 m 揭露了DF201 正斷層，初期預(yù)計落差25.0 m，實際達32.0 m，斷面距為16.0 m，揭露后發(fā)生潰水潰沙(圖2(a))，初期涌水量達70 ～100 m3/h，涌水中含沙量達7.0% ～12.0%，掘進面發(fā)生冒落(圖2(b))，冒落巖層均為粉砂巖，約1 000 m 巷道瞬間泥沙淤堵，因主、輔運巷均要穿越DF201 斷層，造成工作面被迫停掘。

圖2 現(xiàn)場掘進面描述Fig.2 Caving at advance face

另外，礦井深部還有多個落差大于30.0 m 導(dǎo)水?dāng)鄬樱?2 采區(qū)邊界回風(fēng)巷也是開拓13 采區(qū)的主要大巷，巷道停掘嚴重影響采區(qū)生產(chǎn)接續(xù)。所以對于DF9 斷層區(qū)域開采擾動疊加誘發(fā)突水的預(yù)測與評價，提出合理有效的綜合防治方案是亟待解決的問題。

2 開采技術(shù)條件分析

羊場灣井田內(nèi)斷層區(qū)域巖體破碎，裂隙發(fā)育，破碎帶范圍較大，裂隙多為砂質(zhì)、泥質(zhì)充填，鉆進過程中出現(xiàn)嚴重漏水現(xiàn)象。DF13 正斷層破碎帶抽水試驗表明，斷層導(dǎo)水性好。水2 鉆布置于DF1逆斷層位置，斷裂帶巖性較為疏松，破碎帶范圍大，導(dǎo)水性好。12 采區(qū)邊界回風(fēng)巷位于第Ⅲ含水層下部，受采動以及黑疙瘩背斜影響，局部區(qū)域頂板有淋水現(xiàn)象。DF201 正斷層落差大，為張性導(dǎo)水?dāng)鄬?，富水性強，斷層破碎帶圍巖松散，與一層煤頂板直羅組粗粒砂巖含水層導(dǎo)通，裂隙水涌入掘進面，涌水量達80.0 ～100.0 m3/h，伴隨涌沙現(xiàn)象。

+980 m 回風(fēng)巷平均埋深490.5 m，初期采用錨網(wǎng)噴與錨索聯(lián)合支護工藝方法，半圓拱斷面，巷道寬5.9 m，中高4.9 m，施工凈斷面積25.4 m2.截止2012 年5 月31 日，+980 m 回風(fēng)大巷掘至412 m 時揭露DF9 正斷層(54°，NE60°)，其落差范圍8.0 ～23.0 m，導(dǎo)水性強，涌水量約20.0 m3/h. 二號煤層均厚8.2 m，距煤層直接底板0.6 m 處含0.3 m 夾矸。12 采區(qū)邊界回風(fēng)巷構(gòu)造應(yīng)力集中，受DF9 斷層影響，巷道頂板壓力大，煤層節(jié)理發(fā)育(f=3.5)，易風(fēng)化，易發(fā)生片幫和漏頂。實驗室測得頂?shù)装鍘r性特征參數(shù)見表1.

表1 頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters on rock mechanics characteristics of roof and floor

3 斷層水患超前探放

3.1 鉆探設(shè)計

為解除+980 回風(fēng)大巷掘進面水患威脅，基于紅外熱像的固-液耦合模型實驗，參考實驗?zāi)M開采擾動區(qū)富水?dāng)鄬恿严栋l(fā)育情況及裂隙水在巖體內(nèi)運移規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場實際開采條件等綜合因素提出鉆探設(shè)計方案及優(yōu)化相關(guān)參數(shù)?，F(xiàn)場設(shè)計4 個鉆場(圖3)，相關(guān)參數(shù)見表2.鉆孔所穿巖層分別為二號煤層、泥巖、粉砂巖、中砂巖、一號煤層和粗砂巖。斷層裂隙水壓小于1.0 MPa，掘進距離40.0 m，留設(shè)10.0 m 鉆孔超前距離。

3.2 疏水泄壓

圖3 現(xiàn)場超前探測布局Fig.3 Layout of the pre-probing water

斷層水疏放泄壓對掘進工作面頂板穩(wěn)定性與安全調(diào)控至關(guān)重要。為解除巷道穿越斷層期間斷層水壓動力學(xué)運動對頂板穩(wěn)定性影響，設(shè)計提出了采用泄壓疏水孔疏放斷層水?；跀鄬铀畡恿W(xué)特性的三維數(shù)值計算等綜合分析，優(yōu)化確定了疏水孔最大孔深20.0 m，終孔位置超過斷層面3.0 m.采用坑道鉆機施工，孔徑φ75 mm. 工作面掘至距斷層約10.0 m 處，在頂板施工3 個疏水孔(圖4(a))，終孔位置距頂板約20.0 m，疏水孔(深)鉆入斷層帶5.0 m.現(xiàn)場疏水持續(xù)16 d，疏放總量約1 098 m3(圖4(b))。

表2 現(xiàn)場探放鉆孔參數(shù)Tab.2 Parameters of probing boreholes

圖4 現(xiàn)場疏水降壓方案Fig.4 Project of field drainage and hydraulic pressure relief

3.3 化學(xué)注漿

超前注入馬麗散和博特威等化學(xué)漿體材料，固-液介質(zhì)耦合效應(yīng)顯著增強，可有效降低砂質(zhì)與泥質(zhì)顆粒向裂隙充填幾率，提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，減少涌沙潰水發(fā)生。根據(jù)圍巖體破碎程度、漿液擴散半徑注漿孔內(nèi)壓力和注漿孔半徑等，定量分析確定單孔注漿量等參數(shù)。工作面掘至距DF9 斷層約4.0 m 處沿巷道輪廓線超前施工注漿鉆孔，邊注邊掘。預(yù)注孔采用“5 -3 長短孔交叉模式”施工(圖5(a))，每次注漿5.0 m，向前掘進3.0 m 后進行下一循環(huán)注漿，每個循環(huán)布置9個孔(孔徑φ32.0 mm，孔深6.0 m，頂孔仰角15°，幫孔外擺15°，孔間距1.4 m)?，F(xiàn)場采用先支后注工序(圖5(b))。

3.4 超前架棚維護

采用鋪多孔聚酯薄膜和雙層金屬網(wǎng)、架設(shè)U型鋼棚和噴射混凝土聯(lián)合支護，距斷層面10.0 m時由外向里架設(shè)U 型鋼棚，每架設(shè)3 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炮掘和綜掘施工，循環(huán)進度為0.5 ～0.8 m，掘進一個循環(huán)后及時架設(shè)U 型鋼棚。

圖5 現(xiàn)場注漿描述Fig.5 Field grouting

通過錨網(wǎng)支護使圍巖及時形成穩(wěn)定的支護承載圈，實現(xiàn)主動承載，并保證支護圍巖體的穩(wěn)定性和整體性;通過U 型鋼支護對外圍的錨網(wǎng)支護體再次支護、加固，調(diào)整外圍錨網(wǎng)支護的應(yīng)力重新分布，使U 型鋼支護體上的受力均勻分布，阻礙圍巖進一步變形，用噴漿支護封閉圍巖增強U 型鋼整體性、連接性、穩(wěn)定性，從而提高U 型鋼的受力強度。該支護手段可以有效地控制圍巖變形和煤層脫落及冒頂事故的發(fā)生。

3.5 全斷面錨注加固

巷道在掘進過程中受采動活化作用，導(dǎo)致圍巖松動，圍巖體強度降低，出現(xiàn)明顯的裂隙發(fā)育碎裂塑性區(qū)。采用注漿錨桿實現(xiàn)錨注合一對巷道破碎圍巖進行主動加固與支護。碎裂塑性區(qū)經(jīng)過錨注加固后，碎裂結(jié)構(gòu)的圍巖被膠結(jié)成拱形連續(xù)體加固圈。與此同時，注漿錨桿又起到懸吊、擠壓等作用，使巷道圍巖沿徑向擠壓的力轉(zhuǎn)化成切向壓力，有效減小圍巖松動范圍，從而使巷道徑向應(yīng)力減小到僅用較小的支護阻力就能使圍巖長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，錨注支護是采用錨桿與注漿相結(jié)合，以達到加固圍巖、增強圍巖體力學(xué)性能、控制圍巖變形效果，有效延長巷道使用年限，保證采區(qū)的正常生產(chǎn)接續(xù)。

工作面穿過斷層后，巷道布置10 排錨桿(直徑φ42.0 mm，長5.0 m)，錨孔排距2.0 m，間距1.0 m，共布置17 個(圖6)，其中頂孔和幫孔各11個，底孔6 個，間距1.0 m;巷道頂部布置10 排錨索(直徑φ17.8 mm，長8.3 m)排距2.0 m，錨索布置于2 排注漿孔之間，對斷層破碎帶約20.0 m 范圍內(nèi)進行了全斷面注漿加固。

圖6 錨索錨桿布置Fig.6 In-situ bolting-anchor layout

4 現(xiàn)場綜合防治效果

圖7 漿后效果Fig.7 Grouted effectiveness

斷層影響區(qū)內(nèi)煤巖體雖具有一定殘余強度，其抵抗大變形的能力顯著降低。裂隙充填物擴大了導(dǎo)水通道，加劇斷層水下滲與突水致災(zāi)幾率。研究應(yīng)用了柔性金屬網(wǎng)、錨桿和U 型鋼棚等多單元組合加固工藝技術(shù)，遏制了工作面冒頂和涌水潰沙，快速安全通過了12 采區(qū)9 處落差30.0 m 以上的導(dǎo)水?dāng)鄬印，F(xiàn)場應(yīng)用高精度孔內(nèi)電視系統(tǒng)探查了注漿后巖體加固效果，結(jié)果表明:破碎圍巖膠接密實性增加，裂隙明顯減少，松散巖層聚合性顯著增強，有效控制和降低工作面潰沙潰水發(fā)生(圖7)。通過超前疏水泄壓、超前加固、架設(shè)U 型鋼棚和噴漿等綜合控制方法，安全穿越了斷層碎裂帶。2012 年羊場灣煤礦安全快速通過各類斷層15 個。通過注膠加固每處節(jié)約巷道維護費用約20 萬元，共計節(jié)約費用達300 萬元;斷層綜合防治水技術(shù)有效提高了巷道掘進效率，每處多掘巷道約100 m，多掘1 m 巷道節(jié)約成本約為50 元，間接降低成本約7.5 萬元;與此同時開采擾動區(qū)斷層水患防治技術(shù)有效提高了通過破碎斷層的可靠性，有效保證過斷層時的操作和支護安全性;提高了通過破碎斷層的可靠性，有效保證過斷層時的操作和支護安全性;為巷道穿越構(gòu)造帶和采煤工作面通過相似條件斷層提供借鑒依據(jù)。

5 結(jié) 論

1)西部大型礦區(qū)水文地質(zhì)與開采技術(shù)條件復(fù)雜，斷層分布廣泛，地質(zhì)災(zāi)害源隱蔽性強，斷層落差大，開采擾動作用下易誘發(fā)工作面涌水潰沙動力學(xué)鏈?zhǔn)綖?zāi)害。

2)采用了斷層水患綜合防治技術(shù)，成功安全快速穿越了寧東礦區(qū)羊場灣煤礦12 采區(qū)斷層開采區(qū)域，保障了采掘接續(xù)和安全生產(chǎn)。

3)這為后期深部斷層區(qū)開采誘發(fā)水患及災(zāi)害鏈防控提供了可靠適用方法。

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