煤矿断层防水煤柱开采回收技术

肖德成

（鹤矿集团峻德煤矿,黑龙江 鹤岗 154111）

1 引言

我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在部分煤层开采过程中会受到矿井突水的威胁，防治水问题一直是煤矿生产及科研中的一大技术难题。随着矿井向深部延伸，开采煤层所承受的岩溶含水层水压将越来越大，受底板突水的威胁也将更加严重。如果不及时解决受承压水威胁煤层的开采问题，一些矿区将处于逐步减产甚至停产的状态。

2 断层的基本要素及类型

2.1 基本要素

所谓断层是指岩层沿断裂面发生显著位移的断裂构造。为了描述断层的性质、位移和空间形态，给断层的各个部位以一定的名称。如断层面、断层线、断盘、断距、落差等，这些断层的基本组成部分叫断层要素：a.断层面和破碎带。岩层发生相对位移时，总是沿着断裂面进行的，此面称为断层面。断层面可以是直立的，但大多数是倾斜的。规模大的断层，经常不是沿着一个简单的面发生，而往往是沿着一个错动带发生，这个带称为断层破碎带，其宽度从数厘米到数十米不等。断层面多是不平直的曲面，少数情况下是平面。在一个小的范围内可以把断层面看作是平面，也同样用走向、倾向及倾角表示断层面的产状；b.断层线。断层线是断层面在地面上的出露线，也就是断层面与地面的交线。断层线的方向反映断层延伸方向。断层面与某一水平的水平切线的交线亦称断层线。在水平切面图上的断层线表示了断层真正的走向；c.断盘。被断层面分开的岩体叫断盘，其相对上升的岩体叫上升盘相对下降的岩体叫下降盘。如果断层面是倾斜的，根据岩体与断层面的关系，又有上盘位于断层面上方的一盘与下盘位于断层面下方的一盘之分。断层面直立时，就无上、下盘之分；d.断距。断距是断层两盘沿断层面相对移动开的距离。未错开前的某一点，错动后分裂为两点，分别在两个盘上，测量这两点间的实际距离就是真断距或称总断距。总断距在自然界很难确定，在生产上也没有实际意义。断层的断距通常是根据在不同方向的剖面上被错开岩层的距离来表示的。本文以下皆以地层断距表示，所谓地层断距是指垂直于煤岩层走向的剖面上，断层两盘同一煤层面之间的距离。目前我国各生产单位，对断层落差的含义和解释，有不同的看法，到现在还未取得一致意见；e.落差。一条断层，在不同的地段落差不同。就是同一地点，在不同方向上作剖面，表现的断层落差值也不相同。在采煤生产中最有意义的是沿岩层走向剖面上的落差。

2.2 断层分类

根据断层上下盘相对移动的方向，可分为正断层、逆断层和平推断层。正断层是岩层断裂后，其上盘相对下降，下盘相对上升；逆断层是上盘相对上升，下盘相对下降。根据断层面的倾角，又把逆断层分成冲断层断层（倾角大于45°）、逆掩断层（断层倾角为45°-25°之间）和辗掩断层（断层倾角在25°以下）。平推断层是断层两盘沿近于直立的断层面作相对水平移动的断层。根据断层的导水特征，断层又可分为导水断层和不导水断层。根据断层的力学特征，可分为张性断层和压剪断层（即张开型断层和闭合型断层）。

3 断层突水因素分析

3.1 断层突水的内因分析

断层的导水性能与断层本身的性质特征有紧密的联系，具体表现在以下几个方面:a.与断层带附近岩体富水程度有关。b.断层带附近，含水层本身岩性破碎，裂隙发育，常常不同程度富水，为突水的形成提供了有利的物质基础。与断层带隔水层厚度有关。断层带隔水层厚度和抗水强度，随着隔水层厚度增大，其抗水能力亦随之增大。与断层落差、倾角有关。断层落差的作用是既改变了隔水层正常厚度，也改变了采掘工作面、煤系地层内的煤层与含水层具有不同的接触关系。井下中小型断层，多数在平面和垂直方向上“摆动”较大，断层倾角也常有变化。

3.2 断层突水的外因分析

在断层带形成突水的外因素主要有以下几个煤柱尺寸和矿山压力：煤柱尺寸。在矿山压力作用下，所留断层保护煤柱被压碎，承压水通过断层面或断层破裂带突破工作面进入工作面。保留足够宽度的保护煤柱，使之不至于被矿山压力破坏是防止承压水进入工作面的一条有效措施。但这是一条被动的措施，而且还浪费了大量的煤炭资源。矿山压力。煤层底板隔水层中存在着固有裂隙结构面，它们互相交错杂乱无章的分布，破坏了岩体的完整性，使之强度大大降低。煤层开采后，在支承压力及静水压力的作用下原岩裂隙结构面产生不同程度的扩张、延展，导致新裂隙的产生及原岩裂隙的“活化”，可能在底板产生具有连通性的裂隙结构面。若该结构面与五灰含水层相接，承压水便会直接由底板进入工作面，危害生产。五灰含水层上距采区煤层底板距离一定，只要我们能改造五灰含水层不含水或弱含水，这样就可以使有效隔水层厚度增加，实现安全开采。

4 断层带注桨加固

4.1 断层带注桨加固原理

断层带注浆加固实质是通过钻孔向断层带附近岩体内灌注浆液，充填灰岩及其围岩岩溶裂隙，改变含水层的富水性，封堵水源补给通道，堵塞导水裂隙，加固煤层底板隔水层，防止薄层灰岩水突入矿井，实现安全采煤的技术途径。该加固方法的原理主要体现在以下三方面：a.五灰中压入浆液，浆液沿着灰岩岩溶裂隙扩散、结石，最后充填，把灰岩中的水“置换”出来，使之不含水或弱含水；b.浆液在注浆压力作用下，通过破裂带沿着五灰水补给破裂带的通道运移、扩散、结石，堵塞或缩小导水通道，减少五灰水对破裂带的补给量；c.浆液在注浆压力作用下，通过薄灰裂隙沿着导高裂隙运移、扩散、结石，充塞隔水层的导水裂隙，胶结强化隔水层。因此，对五灰岩层注浆能起到改造、封源和加固的作用，不但可以防止五灰水大量地突水，而且可以防止五灰层下的其他含水层突水，从而达到安全采煤的目的。

4.2 注浆工艺

注浆系统。我们利用地面注浆站进行造浆，通过井下注浆管路向井下注浆孔进行注浆，在井上控制注浆压力：a.注浆方式。注浆改造以最大量注浆、最大范围的扩散、最大限度的充填为目的，所以一般采用连续注浆发现巷道跑浆时采用间歇注浆，间歇时间4-8小时；b.泵量要求。根据钻孔揭露的岩溶裂隙发育程度，涌水量大小、终孔位置的水压确定泵压及泵量。当裂隙发育时，采用全泵量:当裂隙发育较差或泵压大于0.5MPa时，用中泵量:最后结束封孔时用小泵量，为40升/分，孔口压力达到水压的2-3倍，并需持续一定时间，一般为20 分钟左右；c.注浆材料。在进行断层带注浆改造时用FCL-C 浆液，但在最后封孔时一定要用水泥单浆液，这样可保证封口强度要求。

4.3 注浆程序

①注浆前先进行放水10-20 分钟，并控制好放水量，将沉积在孔内的岩粉冲出。②对注浆设备、注浆管路进行打压试验，试验的最大压力为最大注浆压力的1.5倍。③造浆:凡是有溶洞的造浓浆液，否则造稀浆液。④注浆:注浆过程中根据进浆情况随时调节泵压、泵量及浆液浓度。一般要连续注浆，发现跑、串浆时可间歇注浆。⑤当达到注浆结束标准时，最后再向孔内压一定的清水，将管路清洗干净，关闭注浆孔水门，8小时后可打开水门，观测孔内是否还有涌水。

5 断层防水煤柱安全回采技术措施

为了确保断层防水煤柱的安全回采，在回采过程中，课题组还采取了以下安全技术措施。

减小工作面来压强度。工作面回采时，我们在工作面开切眼提前打好两排放顶眼，放顶眼斜长2.0-3.0m。垂深不小于1.5m，放顶眼间距1.5m，工作面推出4m 后进行人工放顶，工作面推进过程中，视顶板冒落情况，由课题组人员会同工区领导现场确定放顶范围及方法，但规定任何情况下，工作面走向悬顶范围不得超过10m，通过这些措施，大大减小了工作面初次来压和周期来压阶段的来压的强度，减少了矿压对工作面底板的破坏程度。

加快工作面的推进度。如果运输战线长，提升距离远，为了减少中间运输环节，可在采区运输大巷中间新扩了一个车场，增加了一部电机车，这样运输能力比原来增加了一倍，幅度提高，另外通过加强现场管理，合理安排各工序的作业时间。

工作面来压前，开启检验孔截门工作面初次来压前，对断层带施工的检查孔开启孔口截门，一方面泄水降压，另一方面，避免在矿压的作用下，承压水从工作面底板裂隙薄弱带涌出。

[1]靳德武.我国煤层底板突水问题的研究现状及展望[J].煤炭科学技术，2002.

[2]刘进晓.房柱式开采煤柱上支承压力的研究[J].矿山压力与顶板管理，2005.

[3]王连国.底板突水煤层的突变学特征[J].中国安全科学学报，2001.