厚松散层薄基岩工作面内斜穿断层注浆加固安全开采研究

雷 煜，王友峰，曹思文，张 强，张 民

（1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.兖矿能源集团股份有限公司 杨村煤矿，山东 兖州 272118）

0 引 言

随着矿井可采储量的减少，开采受松散含水层威胁的浅部煤层已成为矿井延长寿命、挖潜革新的首选目标[1-5]，但上覆松散含水层受采动影响易引起含砂量较高的水砂混合物溃入井下工作面[6-8]，尤其在工作面内覆岩中存在断层时，断层破碎带不仅形成水砂突涌通道，而且断层的存在还导致采动覆岩破坏带高度增加，发生水沙突涌，造成财产损失甚至人员伤亡的严重事故，给矿井的安全生产带来威胁[9-10]。山东兖州煤田普遍分布较厚的第四系松散层，兖矿能源集团股份有限公司杨村煤矿位于兖州煤田西北部，其330 提限开采工作面内桲椤树二号断层斜穿整个工作面，而330 工作面按沿底分层开采，加上剩余顶煤厚度，基岩最薄处煤岩柱高度仅23.6 m，而按底分层综采3.0 m 厚度条件下留设防砂安全煤岩柱的最小垂高应为22.7 m。在厚松散层极薄基岩提限工作面内斜穿断层不利的条件下，为保障工作面开采的安全性，综合该区域水文、地质及构造等条件，分析了斜穿断层对安全提限开采的影响，提出了桲椤树二号断层注浆加固思路，设计了断层注浆加固方案，并在井下现场进行实施及注浆加固效果检验；结合相应安全技术措施，顺利完成了330 工作面的安全开采。

1 概 况

1.1 杨村煤矿330 工作面位置

330 采煤工作面位于3 煤采区北部，西北临T301 工作面，东南临301、303、305、307 工作面采空区，北临矿井边界保护煤柱，南临331 工作面（设计）。形状近似呈梯型，走向长度258～272 m，倾向宽度约182 m，面积约48 544 m2。

1.2 杨村煤矿330 工作面开采条件

（1）第四系下组底部含水层水文地质特征。330 工作面内底部含水层有效厚度13.7～19.8 m，从南到东北呈现逐渐变薄的趋势。根据距离330 工作面西部约190 m 的水文地质孔类比推测，该含水层还有约25 m 高度的水头压力。

（2）煤层上覆基岩厚度。330 工作面3 煤覆岩厚度从东到西逐级变薄，由东的42.6 m 向西逐渐变薄至18.1 m 左右。

（3）工作面构造特征。330 工作面地质条件较复杂，根据巷道实际揭露情况及《3 煤区域三维地震勘探报告》分析，该面发育1 条正断层，为桲椤树二号，走向167°～170°，倾向257°～260°，倾角50°～60°，落差8.0 m，工作面上巷、下巷掘进中均揭露。

1.3 杨村煤矿330 工作面提限开采设计

330 工作面3 煤层设计开采厚度3 m，预计底分层开采条件下最大垮落带高度约16.7 m。按《“三下”开采规范》（2017），保护层厚度6 m。底分层综采3.0 m 厚度条件下330 工作面按防砂安全煤岩柱留设的最小垂高应为16.7+6.0=22.7 m。

330 工作面基岩柱厚度在18.1～42.6 m，3 煤层平均厚度8.5 m，则上覆3 煤层约5.5 m 厚度的作为伪顶考虑，则该开采条件下底分层上覆煤岩柱最小厚度约18.1+5.5=23.6 m。这个厚度大于最小防砂煤岩柱高度（22.7 m）。

2 工作面内斜穿断层对安全提限开采的影响分析

2.1 工作面斜穿断层开采覆岩破坏高度理论计算分析

根据类似条件工作面过断层开采覆岩破坏的实测数据及相关研究表明[11-12]，在工作面穿过断层开采覆岩破坏高度一般是无断层条件下的1.3～1.5倍；按前述理论预计底分层开采3 m 最大垮落带发育高度为16.7 m 进行类比分析可知，330 工作面在斜穿桲椤树二号断层（采高3 m）开采时覆岩垮落带的破坏高度为21.71～25.05 m，其接近或超过工作面内最小煤基岩23.6 m；从理论计算的角度分析认为，当工作面开采斜穿断层时，覆岩垮落带增大，在工作面基岩极薄基岩区覆岩的垮落范围很大程度上会发育至第四系松散层，从而增加了诱发水砂突涌灾害的风险，影响工作面的安全开采。

2.2 工作面斜穿断层开采覆岩破坏特征数值模拟分析

为更准确地获得工作面斜穿断层开采覆岩的破坏特征，根据330 工作面实际地质及开采技术条件，采用FLAC3D 数值模拟软件，建立相关的数值计算模型，然后模拟330 工作面实际开采（采高3 m）覆岩的破坏特征，具体的数值模拟结果如图1所示，基岩厚度为20 m，以拉剪破坏岩体作为垮落带范围。

由图1 分析可知，330 工作面在无断层条件下开采（采高3 m）垮落带的最大发育高度约16 m，导水裂缝已进入松散层底部；当工作面推过断层时，断层面附近拉剪破坏的覆岩范围增加，其垮落岩体已增至松散层底界，模拟结果与理论预计结果基本一致。

图1 覆岩破坏数值计算结果Fig.1 Numerical calculation results of overburden failure

综上分析认为，330 工作面薄基岩受风化影响严重，岩体自身裂隙发育，工作面正常开采时顶板管理难度较大，根据前述330 工作面斜穿桲椤树二号断层开采覆岩破坏的理论计算和数值模拟结果，330 工作面在薄基岩区域，按设计采高3 m 开采斜穿桲椤树断层时覆岩垮落带会进入松散层底部，极易诱发顶板抽冒及水砂突涌灾害，因此，为了保证330 工作面的安全开采，从改善断层附近岩体性质的角度，提出对薄基岩区断层进行注浆加固再开采的思路。

3 断层注浆加固设计

3.1 注浆加固位置

山东省煤炭工业局以鲁煤安管字[2008]71 批复意见，杨村煤矿3 煤采区按留设防砂安全煤岩柱进行管理，煤岩柱大于31.6 m，小于38.6 m 范围内，采高7.7 m，采用网下综放开采。设计初步选择31.6 m 作为治理段划分的界限，在330 工作面内断层位置基岩厚度小于31.6 m 段作为治理段。另外考虑在330 工作面初期开采顶板的冒落形态，桲椤树二号断层加固的东北界限选择在工作面运输顺槽揭露断层位置沿断层面垂向上位置。具体加固段位置如图2 所示，跨度共计105 m。

3.2 钻孔布置

总体布孔的思路为：采用后孔验证前孔的方式，注浆前后断层带取芯检验注浆效果，动态调整注浆设计参数（孔位及注浆材料）。共预设注浆钻孔11 个，在平面上，在断层带注浆加固段钻孔间距10 m；在剖面上，钻孔终孔设计于第四系底界下8 m 位置的断层面位置。注浆孔设计如图2 所示，设计参数见表1。

图2 330 工作面桲椤树二号断层注浆加固钻孔布置Fig.2 Grouting reinforcement drilling layout of Poluoshu No.2 fault in No.330 Face

表1 注浆孔设计参数Table 1 Design parameters of grouting hole

实际施工时先施工5 号、7 号钻孔，钻孔在预设进入断层带前后2.0 m 范围取芯。5 号、7 号孔注浆完成后，施工间隔部位的6 号孔，同样在进入断层带前后2.0 m 范围取芯，通过两侧孔的注浆量，6 号孔与5 号、7 号孔断层带岩心对比，分析浆液是否已扩散至6 号孔位。如果证明6 号孔位浆液扩散加固效果较好，则后续仅完成施工奇数号孔即可；如果6 号孔位无浆液扩散现象，则所有设计钻孔需全部施工。施工完成后，再在间隔部位补打钻孔，通过取芯，检验注浆效果。

4 注浆加固施工过程及加固效果分析

4.1 注浆加固施工过程

杨村煤矿330 工作面桲椤树二号断层注浆加固施工从2019 年9 月20 日进场准备，9 月27 日开孔钻进，至10 月16 日检查孔终孔，实际施工20 d，单孔孔深68～95 m，总钻岩进尺1 005 m，扫孔进尺130 m。

按照5 号孔为中心先两边逐孔间隔施工，最后在1 号、2 号孔之间布置12 号检查孔，6 号、7号孔之间布置13 号检查孔对注浆效果进行检验（图2b）。

该次杨村煤矿330 工作面桲椤树二号断层注浆加固共注入水泥41.7 t，固管消耗水泥3.8 t，合计消耗水泥45.5 t，单孔注浆量2.5～6.0 t，检查孔注浆量0.7 t、0.8 t（图3）。

图3 各孔注浆量统计Fig.3 Grouting quantity statistics of each hole

4.2 断层加固效果分析

4.2.1 钻进过程分析

所有13 个钻孔钻进施工过程中出现卡钻现象的钻孔共4 个，为2、4、7、10 号孔，其中2、4、10 号孔通过取芯确定卡钻处为结构较完整的白色砂岩，且卡钻位置与断层带预测位置差异较大。根据预计断层位置分析，7 号孔卡钻位置应为断层带位置。综上分析，所有13 个钻孔仅有1 个钻孔在断层带位置有卡钻现象，未出现严重塌孔埋钻现象；各孔施工过程中在断层带钻进时无特殊异常反应，分析认为断层破碎带整体宽度较小，且断层带较为密实。

4.2.2 钻孔出水分析

所有13 个钻孔，仅4 号、7 号孔有出水现象，出水量为0.1 m3/h、2.0 m3/h，根据出水深度分析，出水位置应为断层破碎带；整体出水钻孔少、单孔出水量小、出水无明显水压，说明断层带富水性弱、导水性差。

4.2.3 注浆量分析

原假设断层带厚度1.5 m，浆液充填率6%，浆液的结石率取0.6，浆液损失系数为1.2，预计注浆量为水泥156 t，而实际注浆量为41.7 t，仅为预设注浆量的27%。注浆量偏少可能由于断层破碎带厚度或破碎带空隙度小于预设值，断层破碎带厚度小则断层的潜在威胁降低，断层空隙度小则说明断层带密实，断层的威胁同样降低。

4.2.4 检查孔施工分析

12 号和13 号检查孔均无出水及卡钻现象，两孔注浆量为0.8 t、0.7 t，较注浆孔单孔注浆量明显偏小，说明注浆质量整体较好。

4.2.5 检查孔窥视分析

利用两检查孔开展钻孔窥视，12 号、13 号检查孔窥视深度分别为86 m、70 m，两孔孔壁结构整体较稳定，12 号、13 号检查孔孔深71 m、50 m以深段岩层有明显风化裂隙发育，窥视段均无明显的断层破碎带发育，根据岩层对比分析12 号、13号检查孔的断层所处深度预计为85.6 m 及61.5 m位置，与原预计位置较吻合，如图4、图5 所示。

图4 12 号检查孔窥视图片Fig.4 Peeping picture of No.12 inspection hole

图5 13 号检查孔窥视图片Fig.5 Peeping picture of No.13 inspection hole

通过窥视成果分析，330 工作面桲椤树二号断层带发育不明显，厚度较小，断层带充填较为密实，无明显出水现象。

综上从钻孔钻进、钻孔出水、注浆量、检查孔施工及窥视成果综合分析，杨村煤矿330 工作面桲椤树二号断层无明显的断层带发育，断层充填较密实，原生富水、导水性弱；断层注浆加固起到了较好的效果。

5 工作面开采验证

330 工作面于2019 年11 月18 日开始回采，2020 年9 月5 日回采结束，工作面回采过程中无涌水、涌砂现象，尤其是薄基岩区开采穿过桲椤树二号断层时未出现断层活化涌水（砂）情况，历时近11 个月，共安全采出煤量资源44.60 万t，平均回采率达97.98%。

6 结 语

杨村煤矿330 工作面松散层厚，基岩厚度薄，且存在桲椤树二号断层斜穿整个工作面，按沿底分层开采最小煤岩柱高度略大于留设防砂安全煤岩柱的所需最小垂高，为了保障工作面开采的安全性，利用理论预计和数值模拟方法，对工作面斜穿断层开采覆岩破坏高度及工作面开采的安全性进行了分析，提出了断层注浆加固治理实现工作面安全生产的思路，根据所确定的工作面内断层注浆范围，完成了注浆钻孔的布置、注浆过程等注浆加固的方案设计和现场施工，并从钻孔钻进、钻孔出水、注浆量、检查孔施工及窥视成果方面检验了断层注浆加固的效果；结合相应安全技术措施，顺利实现了工作面的安全开采，经济社会效益显著。研究成果对于实现受断裂构造影响下厚松散层极薄基岩工作面的安全开采具有科学的指导和借鉴意义。