掘进巷道过含水断层水害分析及施工工艺＊

时间：2024-07-28

吕兆海闫学忠朱海鱼贾川李立波李阳

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750004）

矿井水灾害是煤矿地质灾害的重要组成部分，它严重影响着煤矿的安全生产。突水预测预报是矿井突水灾害防治研究的一个重要方面，很多学者致力于这方面的研究工作。杨善安详细分析了断层在采空区的位置及要素与突水的关系，得出断层面倾向采空区方向的采空区边界底板断层最容易发生突水事故，尤其是当断层倾角同最大膨胀线相吻合时，突水最容易发生；谭志祥基于岩体极限平衡理论，分析了断层突水的力学机制，得出了突水与否的判别公式；葛亮涛利用P-H 曲线、黎良杰等利用关键层理论对矿井突水发生的条件进行了探讨；吕保民等总结矿井导水通道发生突水防治措施，主要有物探、钻探、留设煤柱、注浆、提前疏放和水位观测等。

1 顶板透水预测分析

水害对矿井的威胁主要表现为煤层顶底板附近的含水层富水、联通地表水体或地下强含水层的煤层构造、充水老窑采空区等几种形式。在采掘前对各种可能引起矿井水害的因素进行准确探测是有效防止矿井突水灾害发生的关键。

1.1 透水灾变理论分析

本着预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采的安全生产原则，加强工作面水害形成机理分析，用含水层储水性能即含水量大小（Water-Bulk）、煤体上覆岩体裂隙扩展高度（Destroyed-Height）以及透水与否（Water-Inrush）3 个参数来表示顶板是否透水以及透水量大小。含水量大小及煤体上覆岩体构造裂隙是突变理论中的两个控制变量，透水与否这个参数是尖点突变理论中的状态变量，上述3个参数坐标（W-B，D-H，W-I）的三维空间给出了一个曲面，如图1所示。

图1 顶板透水突变模型

基于以上假设，顶板是否发生透水是随着含水层含水量大小及煤体上覆岩构造裂隙扩展高度的变化而变化。如果含水层含水量足够小，透水量将随着裂隙高度的不断向上发展而缓慢增长；如果含水量足够大，随着煤体上覆岩层裂隙高度的不断扩展，透水量将出现一个跳跃性增长；当裂隙扩展高度与含水层含水量沿着路径I变化时，顶板将从稳定（不透水）跳跃到不稳定（透水）状态。随着巷道向前掘进，后方岩体在上覆岩层压力作用下构造裂隙闭合，含水层水压减小，渗流率缓慢减弱，在突变模型中为沿分歧点集外运动的渐变过程（路径II）。

1.2 断层突水探测原则

断层突水特征如表1所示，现场遇到下列情况时必须探查断层含（导）水性：

（1）采掘工作面前方或附近有含（导）水断层存在，但具体位置不清或控制程度不够时。

（2）采掘工作面前方或附近预测有断层存在，但其位置和含（导）水性不清，有可能发生突水时。

（3）采掘工作面底板隔水层厚度与实际承受的水压力都处于临界状态（即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值），在掘进工作面前方和采面影响范围之内是否存在断层情况不清，一旦遭遇很可能发生突水时。

（4）断层已经被巷道揭露或穿过，暂时没有出水迹象，但由于隔水层厚度和实际水压力已经接近临界状态，在采动影响下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已经和强含水层导通。

（5）采掘工作面附近构造不明，井巷工程接近或计划穿过的断层浅部不含（导）水，但在深部有可能发生突水时。

2 工程应用

羊场湾井田生产补充地质勘探范围是西部以东庙详查区边界及周家沟于家梁背斜为界，北部以20勘探线为界，东部以石槽村井田边界为界（即长梁山向斜轴），南部以杨家窑正断层为界。南北长10km，东西宽3.2～5km，面积36.32km2。深部补勘区新发现断层16 条，其中逆断层7 条，正断层9条。断层破碎带内煤岩破碎，裂隙发育，分布向深部延伸，裂隙多为砂质、泥质充填，断层导水性较好。掘进下山揭露F201正断层时，多次出现涌水和流砂，掘进头冒落，伴生泥石流灾害，最大涌水量90m3／h，涌出泥砂约5000m3。

表1 断层突水特征

2.1 工作面概况

+980m 回风大巷采用锚网喷、锚索联合支护，半圆拱形断面，巷道净宽5300 mm，净高4350mm，施工净断面积25.4 m2，沿二煤掘进，二煤结构简单，煤厚7.1～9.3 m，平均煤厚8.2m，二煤伪顶为炭质泥岩，直接顶为粉砂岩、细砂岩，老顶为中砂岩、粉砂岩。根据勘探地质资料分析，+980 m 回风大巷在掘进过程中将揭露DF9正断层。

2.2 工作面水害隐患分析

（1）顶板水害分析。顶板水涌出的影响因素不仅与含水层赋存的水体类型、特征、赋存条件有关，还与煤层顶板隔水层的水文地质条件、地层构造有关。施工巷道位于第Ⅲ含水层组的下部，根据勘探资料分析，第Ⅲ含水层组含水丰富，主要以一层煤顶板粗粒砂岩含水为主，该含水层的水可通过节理、裂隙导入巷道。

（2）断层水害分析。DF9正断层落差大，为张性导水断层，在局部或区域侧向拉伸力作用下，张裂程度较大，由于断层带孔隙多、孔隙度大，加之断层两盘富水性较强，常伴有次生裂隙构造，形成断层的裂隙带，与断层破碎带共同构成断层水的储存体和良好通道。当巷道掘进揭露断层，断层破碎带内的水或者断层沟通煤层顶板含水层的水会使矿井涌水量显著增加。

2.3 过导水断层施工工艺

本着有疑必探、先探后掘的原则，在断层前方100m 处打钻探查水文特征。单孔深50.0 m，钻孔依次穿过二层煤、泥岩、粉砂岩、中砂岩、一层煤、粗砂岩。2＃、3＃钻孔施工过程中探查到正断层DF9（导水性好，涌水量20 m3／h）。工作面过断层过程中，采用注博特威加固围岩，坚持先堵水，再加固，后掘进。超前探测钻场布置见图2。

图2 超前探测（断层）钻场布置

（1）超前疏放水。对煤层顶板水进行可控疏放对减小巷道涌水量十分重要，采用疏水降压是顶板水防治的重要工作。当工作面掘至距断层约10m 时，采用坑道地质钻机，在顶板施工2～3个泄压导水孔（孔径ø75 mm），导水孔终孔位置应距巷道顶板20m，孔深应满足导水孔进入断层带5m。

（2）预注浆加固。断层影响区内煤岩体虽具有一定残余强度，但其抵抗围岩变形的能力显著降低，通过提前注射马丽散、博特威等化学材料，改善弱面的力学性能，即提高裂隙的粘结力和内摩擦角，从而固结断层破碎带松散岩层，杜绝溃沙、溃水事故发生，保证断层破碎区顶板安全。渗透半径是确定加固区内注浆孔间距及数量的依据，其取决于注浆压力与时间、裂隙密度、裂隙开度、裂隙迂曲度、浆液的运动黏度、浆液的胶凝时间等，注浆浆液的扩散半径用式（1）计算：

式中：R——浆液扩散半径，cm；

pc——注浆孔内压力，MPa；

p0——受注裂缝内地下水压力，MPa；

T——注浆时间，s；

b——裂缝宽度，cm；

rc——注浆孔半径，cm；

u——浆液黏度，MPa·s。

注浆量的大小取决于注浆压力、时间、煤岩体裂隙的发育程度、破碎状况及渗透性等，还与注浆过程中浆液的跑漏情况有关，每个注浆孔的注浆量可用式（2）进行计算：

式中：Q——单孔注浆量，kg；

A——浆液消耗系数，取1.2～1.5；

L——钻孔长度方向加固区长度，m；

n——岩石的裂隙率，取1%～10%；

B——浆液的充填系数，取0.7～1.0。

将上述数值代入式（2）可得单孔注浆量为

110kg。

根据先支护后注浆的原则，工作面掘至距DF9断层约4m 处沿巷道轮廓线超前施工注浆孔，边注浆边掘进，每次注浆加固范围为5.0m，向前掘进3.0m 进行下一循环注浆。预注浆钻孔工艺布置如图3所示，每循环布置9个孔，孔径32mm，孔深6.0 m，顶孔仰角15°～20°，帮孔外摆15°，孔间距1.4m。

图3 预注浆钻孔工艺布置图

（3）超前架棚维护。采用铺双层网、架设U型钢棚、喷射混凝土联合支护，距断层面10m 时由外向里架设U 型钢棚，每架设三架棚后喷射混凝土支护到掘进头。根据断层段围岩硬度采用镐刨、炮掘或综掘施工，循环进度在0.5～0.8 m，掘进一个循环及时架设U 型钢棚。若煤岩体非常破碎，采用镐刨或风镐施工，边掘进边打设顶锚杆；若煤岩体硬度较大，可缩小循环进度，放小炮掘进。U 型钢棚参数见图4（a）。

图4 架设锚注工艺

（4）全断面锚注加固。采用注浆锚杆实现锚、注合一，对巷道破碎围岩进行而有所增大，相对瓦斯涌出量随着煤炭产量的增大而呈负指数关系减小，同时随着配风量的增大，工作面瓦斯涌出量逐渐增大。

（3）正常回采过程中，直接顶垮落，工作面瓦斯涌出量是其未垮之前的1.33倍，而初次来压后瓦斯涌出量是来压前的1.6倍，此后随工作面推进一定的距离，工作面瓦斯涌出量均会出现周期性增大，其周期与矿山压力的来压步距几乎相等。

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