综放工作面过褶曲及断层影响区防治水技术研究

高 浩

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司柳湾煤矿，山西 孝义 032303）

引言

断层、褶曲等地质构造是煤炭开采时常见构造类型，采煤工作面在地质构造影响区内回采时面临围岩破碎、变形量大等问题，直接影响即为顶板管理困难、煤壁片帮等[1-2]。同时由于褶曲及断层影响区附近裂隙发育，构造裂隙是较好的导水及储水通道，若采面无计划揭露含水断层或者褶曲时，轻则导致涌水量增大，重则出现安全事故，带来人员伤亡及财产损失[3-5]。厚煤层开采具备产量高、经济效益好等优点，但是煤炭开采时采动压力影响范围广泛，容易活化地质构造，给防治水以及顶板管理等工作带来影响。为此，众多学者对综放工作面过地质构造时构造应力演化特征、活化机理、注浆加固（封堵）技术等进行大量研究并取得较好应用成果[6-8]。文中就在以往研究成果基础上，以山西某矿401101 综放工作面过褶曲及断层影响区为背景，针对性提出防治水技术，实现了煤炭安全高效回采。

1 工程概况

山西某矿设计产能560 万t/a，井田开采面积35.7 km2，开采范围内煤层普遍较厚，复赋存条件较好，水文地质条件中等-简单。401101 综放工作面设计走向、倾向长分别为1 105 m、429 m，回采11#煤层，煤层厚度9.8 m，赋存稳定，为矿井主采煤层。11#煤层开采期间主要涌水水源为上覆砂岩裂隙水含水层，该含水层厚度为125 m～198 m，富水性较弱。采面运输巷及回风巷分别掘进至1 010 m、635 m 处揭露DF29 断层（H=15 m～18 m，65°∠60°），回采巷道揭露断层期间顶板岩体裂隙发育，同时出现少量淋水，断层面内充填有泥岩。同时DF29 断层发育区位于X1 向斜轴部，受向斜构造影响该位置煤层标高较低，容易导致顶板裂隙水富集。

为详细掌握断层以及褶曲分布情况，在采面回采巷道内进行槽波探测，具体探测成果，如图1 所示。为探测DF29 断层富水情况，在采面回采巷道内布置探测钻孔对断层富水区进行探测，共计布置6 个探测钻孔，具体探测钻孔深度以及钻孔涌水量统计结果，如图2 所示。从探测成果看出，探测钻孔涌水量介于0.6 m3/h～3.4 m3/h，断层破碎带内有一定量积水，断层破碎带内充填物以砂质泥岩为主。当采面回采至DF29 断层影响区时由于断层破碎带内有一定积水加之受到X1 向斜影响，此区域煤层底板标高降低，采面在回采期间面临较大的水害威胁同时采面顶板破碎，冒顶风险较高。

图1 采面断层及褶曲分布示意图

图2 探测钻孔深度以及钻孔涌水量统计结果

2 综合防治水技术应用

采面在过褶曲及断层影响区时使用超前疏排、注浆封堵、快速推进以及完善采面排水系统等方式进行综合防治水。

2.1 超前疏排

在采面回采巷道内向DF29 断层影响区内布置超前疏排钻孔，对断层内积水进行疏排，其中采面回风巷、运输巷分别布置8 个钻孔，钻孔终孔间距控制在25 m，实现采面开采范围内全覆盖。布置的超前疏排钻孔终孔均应穿过断层破碎带。布置的超前疏排钻孔累积排放水量约为825 m3。

2.2 断层带超前注浆

断层超前主要包括有注浆封堵破碎带内导水裂隙以及维护采面顶板稳定。注浆钻孔分别布置在回采巷道以及开采面内。

2.2.1 回采巷道内超前注浆

通过超前注浆可实现断层破碎带内导水裂隙封堵并避免采面回采至断层破碎带时出现顶板冒落或支架压架等问题。在回风巷以及运输巷内共计布置17 个注浆钻孔，累积向断层破碎带内注入9.2 t 水泥。

2.2.2 采面内超前注浆

采面内超前注浆主要目的是确保顶板稳定，避免回采过断层影响区时出现冒落或者支架失稳等情况。为实现顶板有效控制，在采面液压顶梁上铺设金属网并在支架前梁中间按照1.75 m 间距施工锚索（规格Φ21.8 mm×7 100 mm、向煤壁方向倾斜60°），通过锚索及金属网提高顶板稳定性。通过采面注浆方式进一步提升顶板岩体稳定性，注浆浆液采用SCPJG 复合材料（浆液包括A、B 两种组分），钻孔开孔距离煤层底板3.5 m、钻孔间隔3.5 m（隔架注浆），具体布置，如图3 所示。钻孔施工均用MQT-130 锚杆钻机，孔深6 000 mm、孔径42 mm、封孔2 000 mm。施工完成后及时向钻孔内注入SCPJG 复合材料。

图3 采面内注浆钻孔布置示意图

2.3 限高开采

根据以往11#煤层回采时顶板垮落带、裂隙带观测结果得出，开采后引起的顶板裂隙带上限约为开采厚度的22.56 倍，若采面过断层期间仍放煤，则DF26断层及开采后顶板裂隙成为较好的导水通道，会增加顶板砂岩裂隙向会回采空间涌出量。为降低采面开采扰动并避免DF26 断层与顶板砂岩裂隙水含水层连通，在DF26 断层影响区内采用限高开采方式。具体限高开采范围内DF26 断层前后75 m 范围内，如图4所示，在限高范围内不放煤，同时将采面推进速度由以往3.2 m/d 提升至6.4 m/d，降低开采扰动影响。

图4 限高开采区范围示意图

2.4 完善采面排水系统

在401101 综放工作面过DF29 断层及X1 向斜影响区之前，即参照预测得到的断层涌水情况改造1# 水仓及2# 水仓。在运输顺槽内1# 水仓扩容至800 m3，水仓内配备2 台排量600 m3/h、2 台排量500 m3/h 水泵，回风巷内布置的2#水仓扩容至600 m3，水仓内配备5 台排量600 m3/h 水泵。1#及2#水仓均通过3 趟管径Φ325 mm 排水管与中央水泵房连接，排水管路理论排水量可达到1 500 m3/h，通过完善的排水系统可明显降低采面过断层及褶曲期间突水风险。

3 应用效果分析

在401101 综放工作面采取综合防治水技术措施后，采面在过DF29 断层及X1 向斜影响区时断层及褶曲影响范围内煤体及顶板岩层始终稳定，回采期间未出现顶板冒落、煤壁片帮或者支架不稳等情况；同时过断层期间顶板淋水始终在20 m3/h 以内，淋水量较小，不会给煤炭正常回采带来制约。通过采取综合性防治水技术，401101 综放工作面得以安全、快速通过DF29 断层及X1 向斜叠加影响区。

4 结语

综放工作面回采时由于煤层厚度较大，开采后矿压显现更为明显、顶板导水裂隙发育高度更大，更容易导致断层等地质构造活化，增大防治水工作难度。401101 综放工作面回采期间会通过DF29 断层及X1向斜叠加影响区，断层具备一定的富水性同时在向斜影响下煤层底板标高较低，防治水及排水难度较大。

依据401101 综放工作面现场情况，提出综合性防治水技术措施，具体举措包括有钻孔超前疏排、注浆封堵、完善采面排水等并通过顶板注浆、限高开采以及适当增加回采速度等方式降低开采采动影响。现场应用后，采面在过DF29 断层及X1 向斜叠加影响区时顶板始终保持稳定，采面淋水量控制在20 m3/h以内，取得较好的防治水效果。