特厚综放工作面过断层防治水技术体系实践

2021-02-22李岁宁伍增强薛志强朱浩浩

陕西煤炭 2021年1期

李岁宁，伍增强，薛志强，朱浩浩

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳 712000)

0 引言

在我国煤炭开采的发展历程中，由断层导致的水害事故屡见不鲜。近年来，随着矿井采高、采深逐渐加大和开采水文地质条件的日趋复杂，在彬长、旬耀、华亭等矿区巨厚洛河组砂岩含水层下的断层水害问题开始显现，主要表现为深埋条件下断层导致的顶板大流量突水、涌水溃泥等事故，给矿井安全生产带来极大的水害威胁。国内学者针对采动条件下断层应力演化特征[1]、活化机理[2]、断层带的物理力学性质[3]及注浆治理技术[4]进行了相关研究并取得一系列成果，然而以往研究多集中在断层突水机理和破碎带加固方面，针对巨厚砂岩含水层下特厚煤层综放开采过断层水害防治技术的研究较少[5-7]。为此，以彬长矿区孟村煤矿首采面揭露的DF29断层为研究对象，通过物探和钻探探查、理论研究和现场试验的方法研究了DF29断层的空间展布、含导水特征和水害危险性，并采用留设限高保护带、超前注浆加固、采空区涌水滞后分流等措施对断层水害进行了有效防治，形成了“A(过断层前防治水措施)+B(过断层期间防治水措施)”防治水技术体系，保证了工作面安全回采。

1 工程背景

孟村井田位于彬长矿区中西部，地质储量10.19亿t，可采储量5.85亿t，矿井设计规模600万t/年，服务年限71.3年。矿井主采侏罗纪4号煤层，平均厚度16.25 m，水文地质类型为“复杂”型，主要充水水源为白垩系洛河组砂岩含水层，厚度220～390 m，平均厚度333 m。401101工作面为孟村矿井首个回采工作面，采用综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。工作面煤层厚度16.0～23.9 m，回采煤层平均厚度11.6 m。工作面主要充水来源为白垩系下统洛河组砂岩孔隙-裂隙含水层，厚度340～380 m，距离煤层顶板140～180 m，单位涌水量0.022 8～0.280 6 L/s·m，水质类型SO4-Na，矿化度930～5 103 mg/L。受巨厚洛河组含水层影响，彬长矿区多数矿井涌水量超过1 000 m3/h。401101工作面运顺掘进至里程1 010 m时开始揭露断层，落差15 m，倾向NE60°～65°，倾角65°～70°；回顺掘进至里程633 m时揭露断层，落差18 m，倾向NE65°～70°，倾角60°～65°；断层揭露期间煤层顶板比较破碎，伴有少量的顶板淋滴水(未成线状)，且断层面充填有大量的断层泥。

2 断层探查及水害危险性分析

2.1 断层槽波勘探

为探查两顺槽揭露断层的展布情况，在401101工作面开展了槽波勘探工作，测线总长度为1 600 m。经过对勘探成果综合分析，对工作面运、回顺内揭露2个断点进行组合，解释为1条断层(编号为DF29)。DF29断层性质为正断层，落差大于15 m，延展长度360 m，控制程度可靠，如图1所示。

图1 401101工作面槽波勘探CT成像

2.2 断层含导水性探查

根据《煤矿防治水细则》相关要求，需对DF29断层进行含、导水性探查及水害威胁评价[8-10]。为进一步探明和研究DF29断层富水性状况，防止回采期间发生重大水害影响正常生产，2018年11～12月，在401101措施巷施工断层富水性探查孔6个，分别探查垂高30 m、60 m、90 m、120 m、150 m处断层带发育情况及含、导水性特征，所有钻孔在接近预计断层带位置前均进行取芯工作，具体探查孔探查高度及涌水情况，如图2所示。

图2 401101工作面断层富水性探查孔涌水量曲线

根据钻孔探查情况分析，单孔涌水量为0.6～3.4 m3/h，DF29断层落差大于15 m，已发育至安定组地层，垂向影响高度可达150 m，但未直接导通洛河组含水层。断层带宽度一般2～5 m，岩体破碎，裂隙发育，局部充填断层泥。断层带有一定的储水空间，钻孔出水矿化度可达8 000 mg/L，表明以侏罗系含水层水为主，补给条件差，富水性弱。钻探揭露断层带裂隙发育，导水性强，如导通强含水层将成为良好的导水通道。

2.3 断层水害危险性分析

根据物探和钻探探查结果，DF29断层展布范围大，斜穿整个工作面；发育高度大，到达安定组；断层带宽带度达2～5 m，裂隙发育导水性好；在无强含水层补给时候，该断层富水性差，影响较小。但当采动影响导致断层活化，进一步沟通巨厚洛河组砂岩含水层，断层带可成为良好的导水通道，给工作面造成严重的水害威胁。同时受断层影响，工作面在生产过程中仍存在顶板破碎带冒顶的风险。

3 断层水害防治技术

3.1 综合技术体系

结合断层水害危险性分析内容，工作面回采过断层期间主要受顶板洛河组砂岩含水层影响。针对断层的发育特征和水害影响特征，形成了以洛河组含水层为防控重点，以留设限高保护带、超前截流、断层带超前注浆加固等为主要措施的防治水技术体系。该体系分为过断层前和断层期间水害防治技术措施，过断层前主要采取限高保护带留设、超前截流、断层带超前注浆加固、完善排水系统等技术；过断层期间主要采取工作面煤壁侧注浆加固、基础资料收集及写实、采煤工艺调整等技术。孟村煤矿断层水害综合防治技术体系，具体如图3所示。

图3 孟村矿过断层水害防治体系示意

3.2 过断层前水害防治技术

3.2.1 限高及保护带留设

为保证巷道在回采过断层区域安全生产，避免高强度开采扰动使断层活化导通洛河组含水层，在预计开采影响断层区域回采过程中采取限制采高措施。根据矿井两带观测孔实测采裂比18.58，结合工作面断层区域平均煤层采厚11 m，计算得断层区域裂隙发育带高度为204.38 m。参照附近M3-2钻孔资料，此区域煤层顶板距洛河组间距174 m，距宜君组间距152 m，具体断层发育轨迹及裂隙带情况如图4所示。为进一步避免断层带与洛河组含水层导通发生突水的情况，将断层带发育高度控制在洛河组以下，即当断层带发育至洛河组与宜君组中部时，便采取限制采高措施，计算得工作面距离断层面走向方向75 m左右时需开始采取限采高(不放顶煤)措施，具体限采高区域示意如图5所示。同时在该区域内保持快速持续推进，降低导水裂缝带的发育高度及采动对断层的影响，减少水害影响。

图4 工作面断层区域裂隙带发育情况示意

图5 工作面限采高保护带区域示意

3.2.2 超前截流

为超前做好工作面过断层期间防治水工作，矿井技术人员以采面顺槽实际层位为依据，参考兄弟单位治水成功经验，提出滞后排水方案，并将分水位置选在回采揭露断层前190 m的回顺3#联巷处。在措施巷内施工大尺寸水沟(1.0 m×0.8 m)约600 m，3#联巷施工专用分水墙体一道，设置排水管6趟，U型基础1个。随着3#联巷成功分水，回采工作面上隅角老空出水量由670 m3/h减少至10 m3/h，顺利实现下山回采期间滞后排水，大大减轻工作面过断层期间两顺槽排水压力。

3.2.3 断层带超前注浆加固

为超前预防工作面过DF29断层期间出现顶板冒落、支架压死、伴有大面积溃水溃沙的风险[11-12]，于2019年8月11～24日，在工作面回采揭露断层前分别在运顺721～822 m、回顺679～799 m针对断层面进行超前注浆加固。其中，运顺施工9个钻孔，回顺施工8个钻孔，共计注水泥浆液81袋，具体如图6所示。

3.2.4 完善排水系统

参照工作面过断层期间预测涌水量情况，对工作面原有的1#、2#水仓排水系统分别进行优化、改造。其中运顺1#水仓容积800 m3，配备2台流量为600 m3/h和2台500 m3/h水泵，同时在水仓外水沟中放置2台500 m3/h水泵，敷设3趟φ325 mm管路，有效排水能力达到1 500 m3/h；2#水仓容积400 m3，配备5台流量600 m3/h水泵，敷设3趟φ325 mm管路，有效排水能力达到1 500 m3/h，大大降低过断层期间发生水害事故的风险。

3.3 过断层期间水害防治技术

3.3.1 工作面煤壁侧注浆加固

工作面回采至1 496 m处(8月8日)运顺揭露DF29断层，落差18 m，倾向NE60°，倾角65°，回采至1 840 m处(12月4日)顺利通过断层，影响长度340 m，历时122 d。为防止过断层期间煤壁破碎，顶板垮落，8月6日～12月5日在煤壁侧施工超前注浆孔，对断层面及工作面煤墙进行注浆加固，共计施工注浆孔726个，注化学浆67 307桶，具体如图7所示。

3.3.2 基础资料收集

地质写实：根据断层发育情况，断层揭露期间安排人员进行地质写实，指导区队及时调整层位，减少揭露断层期间的破矸量，安全顺利通过断层。期间共计开展地质写实为58次，形成专项地质写实资料22次。

切眼标高实测：为了减少工作面过断层期间运顺侧排水压力，结合工作面实际情况对层位进行调整，过断层期间及时对切眼标高进行实测，共计开展标高测量32次，其中运回顺最大高差15.95 m，位于回采1 535.8 m处。

涌水量观测：为做好工作面过断层期间涌水量变化情况，坚持每周开展2次涌水量观测，并对涌水量突变点及时监测，对水质化验分析，判断涌水来源，完善、优化排水系统，减少水害影响。工作面过断层期间累计观测涌水量45次，水质化验45次，形成专业水质分析报告4份。

3.3.3 采煤工艺调整

调整思路：工作面回采过断层区域主要为俯采段，且断层影响区域存在运回顺倒高差段，运回顺高差最大16 m。为防止回采期间运顺侧出现大的涌水，影响工作面运输系统，结合工作面实际情况对采煤工艺进行调整，采用“走向‘波浪式’挡水+倾向倒‘V’式分流”控制运顺侧涌水，减少水害影响。

走向“波浪式”挡水：利用工作面安装的激光对走向方向先以0.5 m/刀的幅度进行仰采，整个工作面抬高1.0 m后，开始转平，待支架底座全部转平后，再按照0.5 m/刀的幅度进行俯采，俯采至整个工作面与两顺槽底板保持一个水平后，即完成整个“波浪式”挡水过程。通过“波浪式”回采，人为在采空区形成一道围堰，将采空区积水经采空区沉淀后由水沟流出，进而直接流至排水点排出。

倾向倒“V”式分流：回采过程中沿倾向将工作面布置成倒“V”型，人为留设最高点作为工作面涌水的“分水岭”，将大部分涌水挡至回顺侧，由工作面上隅角通过水沟自流至2#水仓，剩余一小部分流水由下隅角自流至运顺1#水仓，具体如图8所示。

图8 工作面倾向倒“V”式分流示意

分流控水工艺：结合工作面涌水特征分析，工作面采空区出水一般滞后采面100 m左右。通过上述采煤工艺调整，采空区涌水大部分都被分水岭“截流”在分水岭以北，从措施巷及回顺上隅角处经水沟流至2#水仓。从分水岭下方“溜走”的极少部分涌水则被“波浪式”围堰截流从下隅角过水通道经转载机机尾水沟流出。具体分流控水工艺如图9所示。