18502 工作面断层构造区域底板突水机理与注浆防治技术应用

赵建峰

（山西焦煤 西山煤电集团公司，山西 太原 030000）

1 概 况

受煤田水文地质条件复杂环境影响，长期以来，水害事故严重制约我国矿井的正常安全生产。据相关事故调查资料表明，我国发生的矿井水害事故多数与断层相关，在断层及邻近区域发生的底板突水事故占据了很大一部分，因此，开展断层底板突水机理研究，具有重要意义。地质资料显示，马兰矿18502 工作面回采将揭露F18502-02 正断层，为避免马兰矿18502 工作面开采过程中在断层构造附近发生突水事故，对马兰矿18502 工作面断层构造区域底板突水机理与防治技术进行研究。

马兰矿18502 工作面开采8 号煤层，工作面开采煤层平均厚度4.40 m，平均倾角6°，工作面埋深426～483 m，倾斜长251 m，走向长1 193 m，8号煤层直接顶为厚度4.2 m 的灰色粉砂岩（普氏硬度6.7） 和厚度2.2 m 的深灰色L1 泥灰岩（普氏硬度8.4），基本顶为厚度5.82 m 的灰色S2 中粒砂岩（普氏硬度7.6），直接底为厚度1.03 m 的灰黑色粉砂质泥岩（普氏硬度7.1），老底为厚度7.31 m 的灰黑色粉砂岩（普氏硬度6.6）。地质资料显示，马兰矿18502 工作面回采将揭露F18502-02 正断层，走向14°，倾向104°，倾角为45°。工作面所在区域奥灰水静水位标高950—962 m（工作面标高845—903 m），回采区域属于全部带压，18502工作面回采巷道在掘进期间顶板存在淋水现象，预计18502 工作面最大涌水量50 m3/h。

2 断层构造区域底板突水机理

工作面开采导致采场及周围岩体出现应力重新分布，采空区底板岩层内形成卸压区，采空区底板岩层受应力集中作用呈压缩状态，当应力程度大于底板岩层的抗压强度时，底板岩层出现压裂破坏，产生裂隙，采空区底板岩层呈分区域破坏形态，采空区中部底板岩层处于减压状态整体呈膨胀破坏，底板出现明显底鼓现象，在工作面煤壁与采空区交界区域，受煤壁支承应力影响，底板岩层呈剪切破坏，采空区底板岩层区域划分如图1 所示。

图1 采空区底板岩层区域Fig.1 The floor rock area of goaf

工作面开采至断层附近时，将扰动断层发生活化，断层上下盘岩层出现相互移动，缩短了煤层底板与底板含水层间的距离，底板承压水与煤层接触的可能性更大。同时由于断层区域多为岩石碎屑、晶体等物质，整体呈破碎状态，岩体强度较低，底板承压水沿断层破碎区域向上导升，当工作面采动产生的底板塑性破坏范围接近该区域时，易沟通采动裂隙，形成导水通道，使承压水涌入工作面，造成突水事故。工作面采动影响后断层导水示意如图2 所示。

图2 工作面采动影响后断层导水示意图Fig.2 Diagram of fault conducting water after mining influence of working face

3 断层构造区域突水影响分析

为充分了解马兰矿18502 工作面开采对断层构造区域底板突水的影响，采用FLAC3D 数值模拟软件，根据模拟得到的不同开采距离对应的应力及塑性区演化云图，分析工作面开采对断层构造区域工作面突水影响规律。

图3 为不同开采距离（40、60、80 m） 对应的应力演化云图。由图3 可知，18502 工作面开采后，其顶底板及断层区域围岩体应力重新调整，并产生增压区和卸压区，增压区主要位于工作面前方煤体内，卸压区则主要位于采空区下方岩体，且卸压区范围随工作面开采距离的增加而扩大，采空区下方岩体垂直应力呈现倒“八”字形分布。在断层构造区域，由于其阻碍了工作面采动支承应力的传递，导致工作面和断层构造之间应力相对集中，在采动支承应力作用下该区域围岩体原有裂隙出现二次扩展和延伸，新的裂隙不断产生，本身强度较低的断层构造区域围岩强度进一步降低，导致底板承压水沿断层破碎区域向上导升，并沟通采动裂隙，形成导水通道，承压水涌入工作面，造成突水事故。

图3 不同开采距离对应的应力演化云图Fig.3 The cloud diagram of stress evolution corresponding to different mining distances

图4 为不同开采距离（40、60、80 m） 对应的塑性区演化云图。由图4 可知，18502 工作面开采后，采空区顶底板及断层区域围岩体出现塑性破坏，其中，采空区顶底板岩体破坏形态主要呈拉伸破坏，工作面前方及其顶底板岩体破坏形态主要呈剪切破坏。

图4 不同开采距离对应的塑性区演化云图Fig.4 The cloud diagram of plastic zone evolution corresponding to different mining distances

在断层区域围岩体破坏形态主要呈剪切破坏，当工作面距断层构造区域较远时，工作面前方塑性破坏范围在10 m 之内；当工作面距断层构造区域较近时，工作面前方塑性破坏范围大幅度增加。导致工作面前方塑性破坏范围与断层构造区域的塑性破坏范围相互沟通（工作面距断层20 m 时），造成工作面前方出现突水。

因此，在马兰矿18502 工作面回采过程中，在该断层构造区域应留设大于20 m 的防水煤柱，防止底板承压水沿着断层破碎区域及采动裂隙形成的导水通道进入工作面，造成工作面底板突水事故。

4 注浆防治技术及应用

为了解决马兰矿18502 工作面的突水隐患，采用底板注浆技术进行突水防治，同时在工作面回采至F18502-02 断层区域时留设20 m 的防水煤柱。

18502 工作面倾斜长251 m，走向长1 193 m，底板注浆施工分别在两顺槽进行，回风巷和运输巷各设计6 个钻场，钻场内设计钻孔3 个，钻孔深度设计48～82 m，总计布置钻场12 个、钻孔36 个，钻孔总进尺17 800 m，具体布置如图5 所示。注浆材料采用粉煤灰、水泥，浆液比重为1∶3，注浆压力设计8 MPa，需浆量7 800 m3。马兰矿18502工作面注浆完成后，布置了10 个检验钻孔进行效果检验，经检验钻孔出水量为0.2～8 m3/h，表明注浆效果良好，马兰矿18502 工作面可进行安全回采。

图5 工作面底板注浆钻场布置Fig.5 Layout of grouting drilling field in working face floor

5 结 语

以马兰矿18502 工作面回采揭露F18502-02正断层为工程背景，揭示了断层构造区域底板突水机理，分析了工作面开采对断层构造区域底板突水的影响规律，指出工作面前方塑性破坏范围与断层构造区域的塑性破坏范围相互沟通并形成导水通道，是导致断层构造区域底板突水的主要原因。基于此，设计了马兰矿18502 工作面突水注浆防治技术和措施，进行现场应用和效果检验，检验钻孔出水量为0.2～8 m3/h，表明突水注浆效果良好，确保了马兰矿18502 工作面的安全回采。