一种煤矿工作面过导水断层时预防顶板和底板突水的施工方法

摘要

本发明公开了一种煤矿工作面过导水断层时预防顶板和底板突水的施工方法，其突破现有技术的偏见，大胆地运用先排水降压、后打关键孔，使用注浆锚杆向关键孔内进行锚固注浆、再采用喷射混凝土填平围岩、顶板与底板三者各自周边的凹陷区域的施工方法。即，采用引排关键孔疏水降压、注浆关键孔锚固加固围岩，进而围岩支护，加强断层周围破碎带及煤层顶底板破坏带的力学性能，增加抗渗性能等技术手段，较好地解决了煤矿工作面安全通过导水断层的技术问题。本发明具有安全性、可靠性好，施工方法简单、成本低等特点，具有较好的技术推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下预防突水的施工方法，尤其涉及一种工作面过导水断层时防治 顶底板突水的施工方法。

背景技术

随着煤矿开采深度的不断增加，开采条件、地质条件越来越复杂，工作面回采过程中， 往往会出现过断层回采，这给安全生产带来很大困难，尤其是过断层时，很容易出现煤矿突 水、冒顶、围岩垮落等事故。主要原因在于，断层的存在破坏了底板岩层的完整性，降低了 岩体的强度，又断层破碎带具有良好的导水性和贮水性。

长期以来，本领域的技术人员一直认为：对于高压导水断层来说，只能堵，不能放，如 果放水，会导致断层地质条件更恶劣；工作面过断层时，断层破坏了岩层的完整性，需要挑 顶或卧底，增加工作量；此外，如果过断层时直接支护，将会增加钻孔量，且支护效果不理 想，易发生冒顶、底鼓、突水等事故。

尽管现有技术已经研究出各种煤矿工作面过导水断层的安全防范措施与煤层开采方法， 但是，其安全性方面一直没有较好的解决办法，而且，这些方法的可靠性与成本控制方面也 存在诸多方面的不足。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种施工方法简单、可靠性、安全性好的煤矿工作面过导水断 层时顶底板突水的施工方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种煤矿工作面过导水断层时预防顶板和 底板突水的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对导水断层周边不同距离内的邻接区域进行精细探测，获取相应的地质条件数 据，具体如下：

在工作面开采过程中，当工作面煤壁距离导水断层为140m时，采用三维地震勘探技术 远距离探测断层的三维位置；

距离导水断层为100m时，采用瞬变电磁技术中距离探测断层的空间形态；

距离导水断层为60m时，采用激发极化技术近距离探测断层的富水性；

第二步，当工作面推进至断层防水安全煤柱时，在工作面煤壁对称中心点处，沿水平方 向打引排关键孔，孔径为42mm，孔深直至断层破碎带中，进行引排水降压，直至水压降低 至0.2MPa以下；

上述断层防水安全煤柱的宽度L，按如下计算公式计算得出：

$L=0.5\mathrm{AM}\sqrt{\frac{3P}{K_P}}---\left(1\right)$

上式(1)中：

A为安全系数(经验数据，取值范围为2～5)；

M为煤层厚度；

P为隔水层所承受水压；

K_p为煤层的抗拉强度；

第三步，打注浆关键孔，并锚固注浆加固围岩，方法如下：

在工作面煤壁与底板交线的中点处，打出一个垂直于断层的第一注浆关键孔，孔深直至 断层破碎带；

在工作面煤壁与顶板之间的交线上的中点处，打出一个向上倾斜、与水平面成一定夹角 的第二注浆关键孔，孔深直至断层破碎带；

然后，使用注浆锚杆分别向上述第一注浆关键孔和第二注浆关键孔内进行锚固注浆；

第四步，锚固注浆后，随工作面不断推进至揭露导水断层时，先采用树脂锚杆对工作面 顶板和两侧围岩进行支护，支护完成后；

再采用喷射混凝土填平围岩、顶板与底板三者各自周边的凹陷区域，即完成施工。

上述技术方案直接带来的技术效果是，首先，通过引排关键孔疏水降压；然后，通过注 浆关键孔注浆加固围岩，降低钻孔量，实现远端截流封堵，加强断层周围破碎带及煤层顶底 板破坏带的力学性能，防治突水、冒顶、底鼓等事故，使煤矿工作面安全通过导水断层。

上述技术方案的施工方法，克服了本领域技术人员长期的技术偏见，大胆采用疏水降压 的技术思想，通过先打引排关键孔，进行疏水降压；在此基础上，打注浆关键孔，并进行锚 固注浆，加固；最后用喷射混凝土加固围岩、顶板与底板三者各自周边的凹陷区域，从而实 现煤矿工作面安全通过导水断层。

上述施工方法简单、钻孔量小，由于锚固注浆建立在疏水降压的基础之上，这大幅降低 了注浆的施工难度和施工工作量，并大幅提高了注浆加固效果，从而确保了工作面过导水断 层时顶板和底板不会出现突水事故；

而最后用喷射混凝土加固围岩、顶板与底板三者各自周边的凹陷区域，从而实现煤矿工 作面安全通过导水断层。

上述施工方法在预防工作面过导水断层时顶板和底板突水方面的安全性与可靠性好，而 且可有效消除因为突水事故可能导致的其他次生灾害的发生。

优选为，上述夹角的角度按下式确定：

$\theta =\arctan \frac{h}{L}---\left(2\right)$

上式(2)中：

h为上覆岩层导水裂隙带高度；

L为断层防水安全煤柱的宽度。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，采用上式进行第二注浆关键孔倾斜角度的计算， 并依据该计算结果指导施工，既有利于快速施工和成本控制，又有利于提高工作效率，减少 误操作所致的人力物力的浪费。

进一步优选，上述锚固注浆的注浆压力为0.3～0.8MPa、注浆材料为水泥和水玻璃的混合 浆液、注浆方式为渗透注浆。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，渗透注浆的注浆压力为0.3～0.8MPa，可以保证 注浆的扩散区域足够大；而使用掺加有水玻璃的水泥浆，可以降低水泥浆的水分含量，进一 步保证注浆的扩散区域足够大，并加快水泥浆的凝结固化速度，缩短施工周期，提高施工效 率。

进一步优选，上述喷射混凝土的强度等级为C20。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，实际生产经验表明，喷射混凝土的强度等级选 择C20即可充分满足安全性的要求。

进一步优选，上述喷射混凝土是按如下方法配制的：原料为水泥、沙子、石子和速凝剂， 加水拌和而成；其中，按重量比水泥︰沙︰石子＝1︰2︰2；速凝剂的掺入量为水泥重量的 2～3.5％。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，可以加快混凝土的凝结固化速度，提高施工效 率。

综上所述，本发明克服了现有技术的技术偏见，其相对于现有技术具有安全性与可靠性 好，施工方法简单、效率高、成本低等有益效果。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

以某煤矿为例，在开采过程中，对该煤矿工作面过导水断层时预防顶板和底板突水的施 工方法进行举例说明：

施工方法，包括以下步骤：

第一步，对导水断层周边不同距离内的邻接区域进行精细探测，获取相应的地质条件数 据，具体如下：

1、在工作面开采过程中，当工作面煤壁距离导水断层为140m时，采用三维地震勘探技 术远距离探测断层的三维位置。所获取的信息为：该工作面前方导水正断层延伸方向为近 NNW-SSE，长度1.8km。

2、距离导水断层为100m时，采用瞬变电磁技术中距离探测断层的空间形态。所获取的 信息为：断层落差80-120m；倾向NW，倾角45°。

3、距离导水断层为60m时，采用激发极化技术近距离探测断层的富水性。所获取的信 息为：断层上部是含水层，具有较强富水性，水压2.1MPa。

第二步，按如下计算公式计算得出断层防水安全煤柱的宽度L：

$L=0.5\mathrm{AM}\sqrt{\frac{3P}{K_P}}---\left(1\right)$

根据该煤矿的实际，取安全系数A＝3，煤层厚度M＝2.1m，水压P＝2.1MPa，煤层的抗 拉强度K_p＝0.21MPa。

由(1)式计算出，断层防水安全煤柱的宽度为16.1m。

当工作面推进至距离断层16.1m时，在工作面煤壁对称中心点处，沿水平方向打引排关 键孔，孔径为42mm，孔深穿透断层防水安全煤柱直至进入断层破碎带中，进行引排水降压， 至水压降低至0.2MPa以下；

第三步，打注浆关键孔，并锚固注浆加固围岩，打孔方法如下：

在工作面煤壁与底板交线的中点处，打出一个垂直于断层的第一注浆关键孔，孔深直至 断层破碎带；

在工作面煤壁与顶板之间的交线上的中点处，打出一个向上倾斜、与水平面成一定夹角 的第二注浆关键孔，孔深直至断层破碎带；该夹角的角度大小按下式确定：

$\theta =\arctan \frac{h}{L}---\left(2\right)$

上式(2)中，取该矿的上覆岩层导水裂隙带高度h＝16m，由于断层防水安全煤柱的宽度 L＝16.1m。可以计算出该夹角度数约等于45°。

然后，使用注浆锚杆分别向上述第一注浆关键孔和第二注浆关键孔内进行锚固注浆。具 体操作为：安装好锚头，将注浆锚杆插进注浆关键孔中，锚头上的倒刺立即将锚杆挂住，安 装止浆塞、垫板、螺母，进而通过快速注浆接头将锚杆尾端和连接注浆机连接，将注浆压力 控制在0.6MPa，注浆材料为水泥-水玻璃双浆液，其配比为1:1，注浆方式为渗透注浆。

当双液注浆为110L/min，稳定20～30min后，估计注浆渗透半径达到一定的范围，可满 足提高断层周围的围岩力学强度时，结束注浆。

第四步，锚固注浆后，随工作面不断推进至揭露导水断层时，先采用树脂锚杆对工作面 的顶板和两侧围岩进行支护；支护完成后，再采用喷射混凝土填平围岩、顶板与底板三者各 自周边的凹陷区域，即完成施工。

实际生产过程中，该煤矿工作面过导水断层时，其顶板与底板均为出现突水，也未出现 较为明显的渗漏现象。说明本发明的施工方法，其对煤矿工作面过导水断层时，预防顶板和 底板突水的效果十分明显。

补充说明：

1、根据施工进度、施工周期等方面的具体要求，上述锚固注浆的注浆压力可在0.3～0.8MPa 范围内进行任意选择、注浆材料为水泥和水玻璃的混合浆液、注浆方式为渗透注浆。

2、上述喷射混凝土的强度等级为C20，即可满足施工要求。

3、上述喷射混凝土优选为，按如下方法配制的：原料为水泥、沙子、石子和速凝剂，加 水拌和而成；其中，按重量比水泥︰沙︰石子＝1︰2︰2；速凝剂的掺入量为水泥重量的 2～3.5％。这样的喷射混凝土，一方面，其流动性能良好；另一方面，其凝结固化时间相对较 合理，便于施工。