趙建峰

（山西焦煤 西山煤電集團公司，山西 太原 030000）

1 概 況

受煤田水文地質條件復雜環(huán)境影響，長期以來，水害事故嚴重制約我國礦井的正常安全生產。據相關事故調查資料表明，我國發(fā)生的礦井水害事故多數與斷層相關，在斷層及鄰近區(qū)域發(fā)生的底板突水事故占據了很大一部分，因此，開展斷層底板突水機理研究，具有重要意義。地質資料顯示，馬蘭礦18502 工作面回采將揭露F18502-02 正斷層，為避免馬蘭礦18502 工作面開采過程中在斷層構造附近發(fā)生突水事故，對馬蘭礦18502 工作面斷層構造區(qū)域底板突水機理與防治技術進行研究。

馬蘭礦18502 工作面開采8 號煤層，工作面開采煤層平均厚度4.40 m，平均傾角6°，工作面埋深426～483 m，傾斜長251 m，走向長1 193 m，8號煤層直接頂為厚度4.2 m 的灰色粉砂巖（普氏硬度6.7） 和厚度2.2 m 的深灰色L1 泥灰?guī)r（普氏硬度8.4），基本頂為厚度5.82 m 的灰色S2 中粒砂巖（普氏硬度7.6），直接底為厚度1.03 m 的灰黑色粉砂質泥巖（普氏硬度7.1），老底為厚度7.31 m 的灰黑色粉砂巖（普氏硬度6.6）。地質資料顯示，馬蘭礦18502 工作面回采將揭露F18502-02 正斷層，走向14°，傾向104°，傾角為45°。工作面所在區(qū)域奧灰水靜水位標高950—962 m（工作面標高845—903 m），回采區(qū)域屬于全部帶壓，18502工作面回采巷道在掘進期間頂板存在淋水現象，預計18502 工作面最大涌水量50 m3/h。

2 斷層構造區(qū)域底板突水機理

工作面開采導致采場及周圍巖體出現應力重新分布，采空區(qū)底板巖層內形成卸壓區(qū)，采空區(qū)底板巖層受應力集中作用呈壓縮狀態(tài)，當應力程度大于底板巖層的抗壓強度時，底板巖層出現壓裂破壞，產生裂隙，采空區(qū)底板巖層呈分區(qū)域破壞形態(tài)，采空區(qū)中部底板巖層處于減壓狀態(tài)整體呈膨脹破壞，底板出現明顯底鼓現象，在工作面煤壁與采空區(qū)交界區(qū)域，受煤壁支承應力影響，底板巖層呈剪切破壞，采空區(qū)底板巖層區(qū)域劃分如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)底板巖層區(qū)域Fig.1 The floor rock area of goaf

工作面開采至斷層附近時，將擾動斷層發(fā)生活化，斷層上下盤巖層出現相互移動，縮短了煤層底板與底板含水層間的距離，底板承壓水與煤層接觸的可能性更大。同時由于斷層區(qū)域多為巖石碎屑、晶體等物質，整體呈破碎狀態(tài)，巖體強度較低，底板承壓水沿斷層破碎區(qū)域向上導升，當工作面采動產生的底板塑性破壞范圍接近該區(qū)域時，易溝通采動裂隙，形成導水通道，使承壓水涌入工作面，造成突水事故。工作面采動影響后斷層導水示意如圖2 所示。

圖2 工作面采動影響后斷層導水示意圖Fig.2 Diagram of fault conducting water after mining influence of working face

3 斷層構造區(qū)域突水影響分析

為充分了解馬蘭礦18502 工作面開采對斷層構造區(qū)域底板突水的影響，采用FLAC3D 數值模擬軟件，根據模擬得到的不同開采距離對應的應力及塑性區(qū)演化云圖，分析工作面開采對斷層構造區(qū)域工作面突水影響規(guī)律。

圖3 為不同開采距離（40、60、80 m） 對應的應力演化云圖。由圖3 可知，18502 工作面開采后，其頂底板及斷層區(qū)域圍巖體應力重新調整，并產生增壓區(qū)和卸壓區(qū)，增壓區(qū)主要位于工作面前方煤體內，卸壓區(qū)則主要位于采空區(qū)下方巖體，且卸壓區(qū)范圍隨工作面開采距離的增加而擴大，采空區(qū)下方巖體垂直應力呈現倒“八”字形分布。在斷層構造區(qū)域，由于其阻礙了工作面采動支承應力的傳遞，導致工作面和斷層構造之間應力相對集中，在采動支承應力作用下該區(qū)域圍巖體原有裂隙出現二次擴展和延伸，新的裂隙不斷產生，本身強度較低的斷層構造區(qū)域圍巖強度進一步降低，導致底板承壓水沿斷層破碎區(qū)域向上導升，并溝通采動裂隙，形成導水通道，承壓水涌入工作面，造成突水事故。

圖3 不同開采距離對應的應力演化云圖Fig.3 The cloud diagram of stress evolution corresponding to different mining distances

圖4 為不同開采距離（40、60、80 m） 對應的塑性區(qū)演化云圖。由圖4 可知，18502 工作面開采后，采空區(qū)頂底板及斷層區(qū)域圍巖體出現塑性破壞，其中，采空區(qū)頂底板巖體破壞形態(tài)主要呈拉伸破壞，工作面前方及其頂底板巖體破壞形態(tài)主要呈剪切破壞。

圖4 不同開采距離對應的塑性區(qū)演化云圖Fig.4 The cloud diagram of plastic zone evolution corresponding to different mining distances

在斷層區(qū)域圍巖體破壞形態(tài)主要呈剪切破壞，當工作面距斷層構造區(qū)域較遠時，工作面前方塑性破壞范圍在10 m 之內；當工作面距斷層構造區(qū)域較近時，工作面前方塑性破壞范圍大幅度增加。導致工作面前方塑性破壞范圍與斷層構造區(qū)域的塑性破壞范圍相互溝通（工作面距斷層20 m 時），造成工作面前方出現突水。

因此，在馬蘭礦18502 工作面回采過程中，在該斷層構造區(qū)域應留設大于20 m 的防水煤柱，防止底板承壓水沿著斷層破碎區(qū)域及采動裂隙形成的導水通道進入工作面，造成工作面底板突水事故。

4 注漿防治技術及應用

為了解決馬蘭礦18502 工作面的突水隱患，采用底板注漿技術進行突水防治，同時在工作面回采至F18502-02 斷層區(qū)域時留設20 m 的防水煤柱。

18502 工作面傾斜長251 m，走向長1 193 m，底板注漿施工分別在兩順槽進行，回風巷和運輸巷各設計6 個鉆場，鉆場內設計鉆孔3 個，鉆孔深度設計48～82 m，總計布置鉆場12 個、鉆孔36 個，鉆孔總進尺17 800 m，具體布置如圖5 所示。注漿材料采用粉煤灰、水泥，漿液比重為1∶3，注漿壓力設計8 MPa，需漿量7 800 m3。馬蘭礦18502工作面注漿完成后，布置了10 個檢驗鉆孔進行效果檢驗，經檢驗鉆孔出水量為0.2～8 m3/h，表明注漿效果良好，馬蘭礦18502 工作面可進行安全回采。

圖5 工作面底板注漿鉆場布置Fig.5 Layout of grouting drilling field in working face floor

5 結 語

以馬蘭礦18502 工作面回采揭露F18502-02正斷層為工程背景，揭示了斷層構造區(qū)域底板突水機理，分析了工作面開采對斷層構造區(qū)域底板突水的影響規(guī)律，指出工作面前方塑性破壞范圍與斷層構造區(qū)域的塑性破壞范圍相互溝通并形成導水通道，是導致斷層構造區(qū)域底板突水的主要原因?；诖耍O計了馬蘭礦18502 工作面突水注漿防治技術和措施，進行現場應用和效果檢驗，檢驗鉆孔出水量為0.2～8 m3/h，表明突水注漿效果良好，確保了馬蘭礦18502 工作面的安全回采。