开采扰动区断层水患防治＊

刘小明，来兴平，陶冰鑫，李立波，来红祥

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏 银川750010)

0 引 言

矿山地下开挖扰动区(Excavation disturbed zone，EDZ)断层活化失稳与水患预测防治对煤矿安全绿色开采具有科学性、必要性和现实性［1-2］。我国西部地区正在建设的宁东、陕北、黄陇、神东和新疆大型煤炭基地内断层分布广泛，灾害源隐蔽性强;水文地质与开采条件复杂，断层动力学失稳诱发涌水溃沙等链式灾害频发。例如宁东矿区羊场湾矿是神华宁煤集团年产1 500 万t 大型矿井，2009 年8 月11 日，12 采区回风巷揭露DF201正断层(落差32.0 m)时出现大量涌水溃沙，最大涌水量100 m3/h，最大含沙量12.0%，约1 000 m巷道瞬间泥沙淤积，工作面被迫停掘。矿井深部赋存多个落差大于30.0 m 导水断层。同类问题在西部矿区均有存在且严重制约安全生产与采掘接续。国内许多学者在此领域颇有建树。孟召平等分析了正断层附近煤岩物性变化及其对矿压影响［3］;卜万奎等分析了倾角对断层活化及底板突水的影响［4］;曹建涛揭示了断层采动活化诱发链式动力学灾害机理［5］。蔡美峰等提出了安全穿越断层破碎带巷道稳定性和化学注浆加固技术等［6-7］。杨忠民等揭示了复杂特厚富水煤层大采高开采岩层运动局部化特征和采空区煤岩动力失稳机制［8］。另外，考虑“声- 震- 波- 应力- 变形”等物理力学指标预测为揭示多源(元)致灾及灾害链发生机制提供了基础。声发射(Acoustic emission，AE)、地质雷达(Ground penetrating radar，GPR)和热红外(Infrared thermography，IRT)等为开采扰动区破碎岩体动态失稳演化和涌(透)水预测与工程加固调控提供了有效适用性手段［9-12］。

西部矿区煤岩体的物质性、赋存性和结构性是有别于东部矿区的本质性特征。矿区多处于干旱半干旱与高应力区，煤层以侏罗系沉积环境为主，构造环境复杂，煤岩体节理裂隙发育且易风化。本研究以神华宁煤集团宁东大型煤炭基地内羊场湾煤矿为典型工程背景，针对快速穿越开采扰动区导水断层面临的安全施工难题，进行水文地质与开采技术条件调查，运用理论分析和现场应用等方法，成功实施了DF9 断层开采区域水患超前探测与防治，这对类似条件下和后续深部开采过程中快速穿越断层破碎带与安全开采提供了新的借鉴依据。

1 现场地质水文特征

神华宁煤集团宁东矿区羊场湾井田南北长10 km，东西宽3.2 ～5.0 km，面积36.32 km2。断层分布广泛，已探明断层有16 条，逆断层7 条，正断层9 条。12 采区3 条巷道存在9 处落差30.0 m 以上导水断层，其中以DF201 和DF9 断层最为典型(图1)。

图1 开采布局与断层位置关系Fig.1 Mining layout concerning fault location

2009 年8 月11 日，12 采区回风巷初期预测位置提前110 m 揭露了DF201 正断层，初期预计落差25.0 m，实际达32.0 m，断面距为16.0 m，揭露后发生溃水溃沙(图2(a))，初期涌水量达70 ～100 m3/h，涌水中含沙量达7.0% ～12.0%，掘进面发生冒落(图2(b))，冒落岩层均为粉砂岩，约1 000 m 巷道瞬间泥沙淤堵，因主、辅运巷均要穿越DF201 断层，造成工作面被迫停掘。

图2 现场掘进面描述Fig.2 Caving at advance face

另外，矿井深部还有多个落差大于30.0 m 导水断层，12 采区边界回风巷也是开拓13 采区的主要大巷，巷道停掘严重影响采区生产接续。所以对于DF9 断层区域开采扰动叠加诱发突水的预测与评价，提出合理有效的综合防治方案是亟待解决的问题。

2 开采技术条件分析

羊场湾井田内断层区域岩体破碎，裂隙发育，破碎带范围较大，裂隙多为砂质、泥质充填，钻进过程中出现严重漏水现象。DF13 正断层破碎带抽水试验表明，断层导水性好。水2 钻布置于DF1逆断层位置，断裂带岩性较为疏松，破碎带范围大，导水性好。12 采区边界回风巷位于第Ⅲ含水层下部，受采动以及黑疙瘩背斜影响，局部区域顶板有淋水现象。DF201 正断层落差大，为张性导水断层，富水性强，断层破碎带围岩松散，与一层煤顶板直罗组粗粒砂岩含水层导通，裂隙水涌入掘进面，涌水量达80.0 ～100.0 m3/h，伴随涌沙现象。

+980 m 回风巷平均埋深490.5 m，初期采用锚网喷与锚索联合支护工艺方法，半圆拱断面，巷道宽5.9 m，中高4.9 m，施工净断面积25.4 m2.截止2012 年5 月31 日，+980 m 回风大巷掘至412 m 时揭露DF9 正断层(54°，NE60°)，其落差范围8.0 ～23.0 m，导水性强，涌水量约20.0 m3/h. 二号煤层均厚8.2 m，距煤层直接底板0.6 m 处含0.3 m 夹矸。12 采区边界回风巷构造应力集中，受DF9 断层影响，巷道顶板压力大，煤层节理发育(f=3.5)，易风化，易发生片帮和漏顶。实验室测得顶底板岩性特征参数见表1.

表1 顶底板岩石力学参数Tab.1 Parameters on rock mechanics characteristics of roof and floor

3 断层水患超前探放

3.1 钻探设计

为解除+980 回风大巷掘进面水患威胁，基于红外热像的固-液耦合模型实验，参考实验模拟开采扰动区富水断层裂隙发育情况及裂隙水在岩体内运移规律，结合现场实际开采条件等综合因素提出钻探设计方案及优化相关参数。现场设计4 个钻场(图3)，相关参数见表2.钻孔所穿岩层分别为二号煤层、泥岩、粉砂岩、中砂岩、一号煤层和粗砂岩。断层裂隙水压小于1.0 MPa，掘进距离40.0 m，留设10.0 m 钻孔超前距离。

3.2 疏水泄压

图3 现场超前探测布局Fig.3 Layout of the pre-probing water

断层水疏放泄压对掘进工作面顶板稳定性与安全调控至关重要。为解除巷道穿越断层期间断层水压动力学运动对顶板稳定性影响，设计提出了采用泄压疏水孔疏放断层水。基于断层水动力学特性的三维数值计算等综合分析，优化确定了疏水孔最大孔深20.0 m，终孔位置超过断层面3.0 m.采用坑道钻机施工，孔径φ75 mm. 工作面掘至距断层约10.0 m 处，在顶板施工3 个疏水孔(图4(a))，终孔位置距顶板约20.0 m，疏水孔(深)钻入断层带5.0 m.现场疏水持续16 d，疏放总量约1 098 m3(图4(b))。

表2 现场探放钻孔参数Tab.2 Parameters of probing boreholes

图4 现场疏水降压方案Fig.4 Project of field drainage and hydraulic pressure relief

3.3 化学注浆

超前注入马丽散和博特威等化学浆体材料，固-液介质耦合效应显著增强，可有效降低砂质与泥质颗粒向裂隙充填几率，提高裂隙的粘结力和内摩擦角，减少涌沙溃水发生。根据围岩体破碎程度、浆液扩散半径注浆孔内压力和注浆孔半径等，定量分析确定单孔注浆量等参数。工作面掘至距DF9 断层约4.0 m 处沿巷道轮廓线超前施工注浆钻孔，边注边掘。预注孔采用“5 -3 长短孔交叉模式”施工(图5(a))，每次注浆5.0 m，向前掘进3.0 m 后进行下一循环注浆，每个循环布置9个孔(孔径φ32.0 mm，孔深6.0 m，顶孔仰角15°，帮孔外摆15°，孔间距1.4 m)。现场采用先支后注工序(图5(b))。

3.4 超前架棚维护

采用铺多孔聚酯薄膜和双层金属网、架设U型钢棚和喷射混凝土联合支护，距断层面10.0 m时由外向里架设U 型钢棚，每架设3 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炮掘和综掘施工，循环进度为0.5 ～0.8 m，掘进一个循环后及时架设U 型钢棚。

图5 现场注浆描述Fig.5 Field grouting

通过锚网支护使围岩及时形成稳定的支护承载圈，实现主动承载，并保证支护围岩体的稳定性和整体性;通过U 型钢支护对外围的锚网支护体再次支护、加固，调整外围锚网支护的应力重新分布，使U 型钢支护体上的受力均匀分布，阻碍围岩进一步变形，用喷浆支护封闭围岩增强U 型钢整体性、连接性、稳定性，从而提高U 型钢的受力强度。该支护手段可以有效地控制围岩变形和煤层脱落及冒顶事故的发生。

3.5 全断面锚注加固

巷道在掘进过程中受采动活化作用，导致围岩松动，围岩体强度降低，出现明显的裂隙发育碎裂塑性区。采用注浆锚杆实现锚注合一对巷道破碎围岩进行主动加固与支护。碎裂塑性区经过锚注加固后，碎裂结构的围岩被胶结成拱形连续体加固圈。与此同时，注浆锚杆又起到悬吊、挤压等作用，使巷道围岩沿径向挤压的力转化成切向压力，有效减小围岩松动范围，从而使巷道径向应力减小到仅用较小的支护阻力就能使围岩长期处于稳定状态。因此，锚注支护是采用锚杆与注浆相结合，以达到加固围岩、增强围岩体力学性能、控制围岩变形效果，有效延长巷道使用年限，保证采区的正常生产接续。

工作面穿过断层后，巷道布置10 排锚杆(直径φ42.0 mm，长5.0 m)，锚孔排距2.0 m，间距1.0 m，共布置17 个(图6)，其中顶孔和帮孔各11个，底孔6 个，间距1.0 m;巷道顶部布置10 排锚索(直径φ17.8 mm，长8.3 m)排距2.0 m，锚索布置于2 排注浆孔之间，对断层破碎带约20.0 m 范围内进行了全断面注浆加固。

图6 锚索锚杆布置Fig.6 In-situ bolting-anchor layout

4 现场综合防治效果

图7 浆后效果Fig.7 Grouted effectiveness

断层影响区内煤岩体虽具有一定残余强度，其抵抗大变形的能力显著降低。裂隙充填物扩大了导水通道，加剧断层水下渗与突水致灾几率。研究应用了柔性金属网、锚杆和U 型钢棚等多单元组合加固工艺技术，遏制了工作面冒顶和涌水溃沙，快速安全通过了12 采区9 处落差30.0 m 以上的导水断层。现场应用高精度孔内电视系统探查了注浆后岩体加固效果，结果表明:破碎围岩胶接密实性增加，裂隙明显减少，松散岩层聚合性显著增强，有效控制和降低工作面溃沙溃水发生(图7)。通过超前疏水泄压、超前加固、架设U 型钢棚和喷浆等综合控制方法，安全穿越了断层碎裂带。2012 年羊场湾煤矿安全快速通过各类断层15 个。通过注胶加固每处节约巷道维护费用约20 万元，共计节约费用达300 万元;断层综合防治水技术有效提高了巷道掘进效率，每处多掘巷道约100 m，多掘1 m 巷道节约成本约为50 元，间接降低成本约7.5 万元;与此同时开采扰动区断层水患防治技术有效提高了通过破碎断层的可靠性，有效保证过断层时的操作和支护安全性;提高了通过破碎断层的可靠性，有效保证过断层时的操作和支护安全性;为巷道穿越构造带和采煤工作面通过相似条件断层提供借鉴依据。

5 结 论

1)西部大型矿区水文地质与开采技术条件复杂，断层分布广泛，地质灾害源隐蔽性强，断层落差大，开采扰动作用下易诱发工作面涌水溃沙动力学链式灾害。

2)采用了断层水患综合防治技术，成功安全快速穿越了宁东矿区羊场湾煤矿12 采区断层开采区域，保障了采掘接续和安全生产。

3)这为后期深部断层区开采诱发水患及灾害链防控提供了可靠适用方法。

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