断层对带压开采煤层工作面底板突水影响分析及防治技术

毕莹莹

（山西焦煤汾西矿业集团，山西 介休 032000）

引言

随着矿井采深不断增加，煤层赋存区域地质构造发育，不仅制约煤炭生产效率而且给瓦斯、水以及顶板灾害治理等带来制约[1-2]。随着灾害治理能力不断提升，矿井水害防治技术以及装备水平等均得以快速发展，水害防治也从以往以疏排为主转向疏排、构筑防水墙、封堵导水裂隙等综合防治水方式[3-6]。断层影响范围内裂隙发育，是煤矿井下常见导水构造之一，在煤炭回采通过断层影响区时应首先对断层是否存含水、是否具备导水性等进行探测，并依据现场探测结果采用针对性防治水措施[7]。山西某矿3#煤层回采时面临底板承压水影响，当开采底板中含有断层等地质构造时，会给煤炭生产安全带来影响。为此，本文以3#煤层5303 综采工作面回采为工程背景，对开采范围内煤层底板断层对生产影响进行分析，并提出以改造底板为核心的防治水技术，现场取得较好防治水效果。

1 工程概况

山西某矿井田范围内开采煤层包括有2#、3#、7#、9#及13#等，其中2#煤层局部可采，现阶段生产主要集中在3#煤层，煤层厚度均值6.09 m，顶底板以砂岩、砂质泥岩等为主，具体岩性参数见表1。矿井开采范围内地质构造发育，在开拓巷道、井筒等掘进期间揭露有多条断层。

表1 3#煤层顶底板岩性参数

5303 综采工作面设计推挤长度1 789.78 m、采面面长296.6 m，根据回采巷道掘进揭露以及物料资料显示，在5303 综采工作面开采期间会揭露F521 断层（H=1.5 m、248°∠55°）、F522 断层（H=1.7m、212°∠63°）等多条断层，不排除开采范围内存在有其他落差较小的隐伏小断层；同时采面底板岩层中发育有多条断层，断层上下两盘交汇处破碎，是良好的导水通道。矿井开采的3#煤层主要隔水层为底板铝质泥岩、泥岩等，隔水层厚度介于14～76.8 m，当隔水层厚度较小且遇到地质构造时，容易导致底板承压水通过裂隙向回采空间涌出，导致采面涌出量增大。为此，需要对断层煤层底板突水影响分析并依据现场情况提出针对性防治水技术措施。

2 采面底板断层突水影响分析

导致采面生产期间底板出现突水因素较多，其中影响较为明显因素包括有底板含水层水压、隔水层厚度、开采影响程度以及地质构造等[8-9]。

2.1 底板断层对含水层水压影响

在5303 综采工作面开采之前，断层处于相对稳定的闭合状态，但是随着煤岩开采影响，在超前支承压力、地应力以及构造应力等综合作用下，断层附近岩体会出现一定程度位移导致断层活化，断层影响范围内部分不导水裂隙在外界因素作用下可能出现一定导水性。底板承压水通过断层裂隙向回采空间涌出，从而导致采面出现异常涌出问题。

2.2 断层对底板隔水层影响

隔水层可阻断底板水向回采空间涌出，3# 煤层底板隔水层主要为铝质泥岩、泥岩等，隔水层总厚度介于14～76.8 m。但是当采面底板存在有断层时会降低底板隔水层有效厚度，从而增大底板承压水向开采空间涌出量。具体底板断层对隔水层有效厚度影响如下页图1 所示。

图1 断层对底板隔水层有效厚度影响示意图

2.3 地质构造影响

在断层发育范围内往往伴生有其他小地质构造，断层会降低3#煤层底板完整性；同时当断层与其他地质构造（如褶曲、陷落柱等）存在水力联系时，会增加底板承压影响范围，进一步增加底板突水风险。

3 底板防治水技术

3.1 采面底板突水系数计算

5303 综采工作面开采范围内3# 煤层底板标高为+302～+335 m，而3# 煤层底板承压水底板标高为+500 m，底板承压水标高较3# 煤层底板高约198 m。采用突水系数公式对5303 综采工作面开采时底板突水系数进行计算：

式中：T 表示突水系数，MPa/m；P 表示底板含水层水头压力，MPa；M 表示底板隔水层有效厚度，m。根据5303 综采工作面现场情况计算得到T=0.073 MPa/m，超过规定的临时突水系数0.06 MPa/m。5303 综采工作面在回采期间面临较大底板突水风险，特别是在底板断层影响区内底板突水风险会显著增加。

3.2 底板注浆加固

通过上述分析得出，在5303 综采工作面回采期间面临底板突水风险，特别是底板断层发育区由于有效隔水层厚度降低，导致底板突水风险更高。现阶段常用的底板突水防治技术包括有降低底板承压水压力（疏排水）、底板隔水层注浆改造（增加隔水层有效厚度），若采用疏排水技术方法则面临疏排水耗时长、费用高等问题；通过底板隔水层注浆改造增大隔水层有效厚度具有治理成本低、防治水效果好等优势，因此文中选择采用注浆方式对底板隔水层进行改造。

在5303 综采工作面回采巷道内采底板施工注浆钻孔，对底板进行注浆改造。注浆钻孔采用型号TXB-1000 钻机施工，注浆设备采用250/40 泥浆泵，注浆材料选用水泥浆。具体采面回采巷道内注浆钻孔布置见图2。在采面回采巷道内共计施工2 569 m 底板注浆钻孔，底板水泥、砂注入量分别为1.6 万t、589.8 t。底板注浆压力控制在3 MPa，钻孔注浆时若浆液渗透量小于50 L/min 且持续20～30 min 时，即可停止该钻孔注浆。5303 综采工作面底板注浆工作共耗时150 d完成。

图2 底板注浆钻孔布置示意图

3.3 防治水效果分析

在对5303 综采工作面底板完成注浆加固后，采面回采期间底板始终保持干燥，在推进至底板断层发育区以及采面断层发育区时，在采动压力作用下底板虽然发育有裂隙，但是仍未有底板承压水涌出情况；通过对底板注浆有效增加底板隔水层厚度，避免底板承压水通过断层导水裂隙或者底板采动裂隙等向回采空间涌出。

4 结论

1）依据5303 综采工作面现场情况对采面底板断层对底板突水影响进行分析，采面回采至底板断层发育区时，在采动压力、地应力及构造应力等综合作用下容易导致断层活化并引起底板裂隙扩张，在底板承压水作用下更容易出现突水问题。

2）采用理论计算公式求得5303 综采工作面回采期间底板突水系数为0.073 MPa/m，底板有一定突水风险。为降低底板突水防治耗时、防治水费用并提高防治水效率，提出采用注浆方式对底板进行加固，提升底板含水层有效厚度。

3）根据现场条件对底板注浆加固钻孔布置方案进行设计，现场应用后通过回采巷道内布置的底板注浆钻孔向底板注入水泥、砂，注入量分别为1.6 万t、589.8 t，采面回采期间底板始终保持干燥，未出现涌出、突水等情况，取得较好防治水效果。