丁后穩(wěn)

(國家開發(fā)投資公司，北京 100034)

0 引言

新集二礦1煤首采區(qū)位于礦井東區(qū)，南至1煤組與阜鳳下夾片斷層或阜鳳逆沖斷層交界面，北至1煤組底板－650 m水平垂直投影線。根據(jù)1煤層底板地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，分析認(rèn)為:1煤層開采底板灰?guī)r突水類型有斷層突水和底板破壞型突水兩種，通過對(duì)兩種類型突水機(jī)理進(jìn)行研究，提出針對(duì)性防治水措施，為實(shí)現(xiàn)安全開采提供依據(jù)。

1 1煤層開采地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 井田構(gòu)造

新集二礦井田位于淮南復(fù)向斜的謝橋向斜南翼，穎鳳區(qū)阜鳳推覆構(gòu)造的中段，構(gòu)造線方向近東西。井田內(nèi)阜鳳逆沖斷層將外來系統(tǒng)自南向北推覆于原地系統(tǒng)(含煤地層)之上。由于受由南向北強(qiáng)大的壓應(yīng)力作用，形成了以阜鳳逆沖斷層為主體的上疊式推覆構(gòu)造，新集二礦F02推覆構(gòu)造是阜鳳推覆構(gòu)造的一部分，由上盤片麻巖、推覆軟弱構(gòu)造面，下盤寒武系地層組成。

圖1 新集二礦推覆構(gòu)造示意圖

1.2 1煤層地質(zhì)條件

1上煤層厚度0～8.57 m，平均3.67 m，可采范圍內(nèi)煤層厚度變化不大。1煤層厚度0.73～5.81 m，平均 3.31 m，上距 1上煤 0.77～7.70 m，一般1.00 m左右，煤層厚度變化小。太原組地層厚度98.34～144.98 m，平均厚111.09 m，由13層灰?guī)r、含泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，含13層淺灰～深灰色灰?guī)r，灰?guī)r平均總厚63.39 m，占組厚57.06%。各層灰?guī)r中，以、為最厚，1灰距上覆1煤層平均間距僅約18 m，13灰距下伏奧陶系灰?guī)r平均間距約2.7 m。

1.3 1煤首采區(qū)及首采面概況

新集二礦1煤層首采區(qū)位于礦井東部，210108工作面為1煤層首采工作面，位于采區(qū)最下塊段，所采煤層為1上煤層，煤層厚度約3.5m，煤層傾角平距為8°，工作面走向長約1485 m，傾斜長約145 m，面積約172.5萬 m2，可采儲(chǔ)量為 89.6萬t(見圖2)。

圖2 1煤首采面平面布置圖

1.4 水文地質(zhì)條件

2 突水機(jī)理分析

2.1 斷層突水機(jī)理分析

2.1.1 掘進(jìn)溝通斷層突水機(jī)理分析

巷道在掘進(jìn)期間人為揭露斷層，與礦山壓力等無關(guān)或關(guān)系很小，這種斷層突水機(jī)理比較簡單，就是人為的揭露或?qū)▽?dǎo)水?dāng)鄬?。另外斷層自身的含?dǎo)水性也是這種突水機(jī)理的決定因素。巷道掘進(jìn)期間斷層活化突水的可能性相對(duì)較小，在巷道掘進(jìn)期間主要防治水對(duì)策應(yīng)側(cè)重于針對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

2.1.2 回采導(dǎo)致斷層突水機(jī)理分析

工作面回采導(dǎo)致斷層突水簡單來看可分為兩種情況:一是斷層本來就為導(dǎo)水?dāng)鄬?二是斷層本來不導(dǎo)水，但是受到礦山壓力等影響后轉(zhuǎn)化為導(dǎo)水?dāng)鄬?。而?duì)于上述兩種情況，礦山壓力都起到主要的控制作用。對(duì)于非導(dǎo)水?dāng)鄬觼碇v，“活化”是其能否成為導(dǎo)水?dāng)鄬拥年P(guān)鍵。而斷層的活化過程實(shí)際上是工作面回采過程中在礦山壓力的作用下，斷層兩盤沿?cái)鄬用娈a(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生新的斷裂使原斷層得以擴(kuò)展的過程。根據(jù)礦山壓力控制理論，在回采過程中，工作面回采方向上的支承壓力分為三個(gè)階段，在第一階段，即從工作面回采開始至煤壁支承能力改變之前，煤體沒有破壞，彈性壓縮;第二階段，煤層上的支承壓力的分布將分成兩個(gè)區(qū)間:塑性區(qū)和彈性區(qū);第三階段，即從老頂巖梁端部斷裂其至巖梁觸矸為止，支承壓力的分布出現(xiàn)內(nèi)、外應(yīng)力場，在此階段，內(nèi)應(yīng)力場已經(jīng)處于斷層停止活化區(qū)。分析認(rèn)為，工作面回采期間，斷層因活化而產(chǎn)生突水主要集中在支承壓力變化的第一、二階段，而在第三階段尤其在內(nèi)應(yīng)力場范圍內(nèi)斷層突水的可能已經(jīng)大大減小甚至不會(huì)發(fā)生。因此，制定預(yù)防斷層活化而導(dǎo)致突水的防治水對(duì)策應(yīng)側(cè)重于支承壓力變化的第一、二階段。

2.1.3 斷層突水涌水量預(yù)計(jì)

采用施龍青老師的斷層最大突水量預(yù)計(jì)模型進(jìn)行斷層突水量進(jìn)行預(yù)計(jì)(圖3)。

圖中H1為含水層的水位標(biāo)高，H2為底板突水的水柱標(biāo)高，L為突水通道長度，h為承壓水流動(dòng)沿程阻力造成的壓頭損失。此模型中假設(shè)突水通道為圓形，且突水通道內(nèi)壁已達(dá)到了最光滑的程度。

地下水的滲流速度利用達(dá)西定律:

式中:v為滲流速度;

K為滲透系數(shù)，取地面鉆孔滲透系數(shù)平均值0.00483 m/d;

J為水力坡度。

圖3 底板突水模型

根據(jù)新集二礦地面鉆孔抽水資料計(jì)算v=1.787 ×10－4m/d。

判斷地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流還是紊流常用雷諾數(shù)表示:

式中:Re為雷諾數(shù);

ρ為水流密度，取1 Kg/m3;

μ為流體粘度，根據(jù)井下出水鉆孔可知石炭系太原組灰?guī)r水溫平均為40℃，此時(shí)流體粘度為0.6560×10－3N·S/m2;

d為管徑，假設(shè)為0.05 m。

計(jì)算出雷諾數(shù)Re＜2000，可以判斷水流為層流，則預(yù)計(jì)涌水量用下列公式:

式中:g為重力加速度，取9.8 m/S2;

l取1煤底板到石炭系太原組灰?guī)r4灰頂板平均間距40 m;

H1取地面水文觀測孔初始水位標(biāo)高平均值－32.84 m;

H2取1煤首采面巷道最低標(biāo)高－650 m。

計(jì)算出斷層突水最大涌水量為41 m3/h。

2.2 底板破壞突水機(jī)理分析

新集二礦1煤層底板隔水層相對(duì)較薄，工作面回采過程中，底板隔水層無法完全抵消礦山壓力的作用，從而造成底板擾動(dòng)破壞，在破壞帶內(nèi)形成導(dǎo)水通道可能使煤層底板灰?guī)r水水涌入巷道，造成底板突水事故。

2.2.1 工程地質(zhì)物理概念模型的建立

為了簡化網(wǎng)格剖分的工作量，將巖性、力學(xué)性質(zhì)和分布厚度相近或相同的巖層劃歸為一個(gè)層組，煤層的頂?shù)装鍘r層可劃分為12個(gè)層組。研究區(qū)邊界橫向上可視為變形為零的簡支邊界，縱向上可視為無限長，確定縱向變形為零的簡支邊界。在垂向上，頂部邊界視為應(yīng)力邊界(基巖面)，底部邊界為垂向變形為零的簡支邊界，因此取模型長度為400 m，寬度為240 m，高度為250 m。

2.2.2 數(shù)值模型的建立

本次計(jì)算采用三維有限差分計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行，模型大小為xyz方向分別為400 m×250 m×240 m，共剖分單元25800個(gè)，結(jié)點(diǎn)28602個(gè);巖層傾斜角約為10°，工作面斜長為150 m;根據(jù)1煤層組地質(zhì)條件并結(jié)合區(qū)內(nèi)實(shí)際情況，模型中把1上煤和1煤概化為一層，開采煤層厚度分別為3.5m(圖4)和4.5m。所建模型上覆巖層厚度為450 m。力學(xué)參數(shù)根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)和位移反分析結(jié)果選取，參數(shù)值見表1。

圖4 開采煤層厚度為3.5 m時(shí)的計(jì)算模型

2.2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)區(qū)內(nèi)1上煤和1煤的分布特征，分別考慮3.5 m和4.5 m兩種不同煤厚情況下煤層底板采動(dòng)破壞的深度范圍。

1)開采煤層厚度為3.5m、工作面斜長150m條件下，隨著工作面推進(jìn)(步幅10 m)煤層底板采動(dòng)破壞范圍變化趨勢圖(圖5)。

2)開采煤層厚度為4.5m、工作面斜長150m條件下，隨著工作面推進(jìn)(步幅10 m)煤層底板采動(dòng)破壞范圍變化趨勢圖(圖6)。

表1 FLAC3D模型巖體力學(xué)參數(shù)取值表

圖5 煤厚3.5 m情況下煤層底板采動(dòng)破壞范圍變化趨勢

圖6 煤厚4.5 m情況下煤層底板采動(dòng)破壞范圍變化趨勢

2.2.4 底板破壞規(guī)律分析

據(jù)上述兩種情況下煤層底板采動(dòng)破壞范圍變化趨勢分析，可以計(jì)算出煤厚分別為3.5 m和4.5 m時(shí)煤層底板采動(dòng)破壞深度(表2)。通過數(shù)值模擬，煤層底板破壞深度有如下兩點(diǎn)規(guī)律:

1)煤層開采厚度對(duì)煤層底板破壞深度的影響不明顯，在給定物理模型及模擬條件下，采動(dòng)造成的底板最大破壞深度為19.17 m。

2)底板最大破壞深度一般出現(xiàn)在工作面推進(jìn)30～40 m時(shí)，相當(dāng)于老頂初次來壓位置，也是容易發(fā)生底板突水的位置。

2.2.5 底板破壞突水涌水量預(yù)計(jì)

由上述底板破壞規(guī)律可知，底板破壞深度與煤層開采厚度關(guān)系不大，回采期間涌水量預(yù)計(jì)采用弗爾蓋依米爾公式:

表2 煤層開采厚度為3.5 m和4.5 m時(shí)底板破壞范圍數(shù)值計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果如下:

K(m/d) S(m) R(m) Q(m 3/h)0.0 0 5 6 5 6 1 6.7 4 6 3.9 0 2 7 0

3 水害防治對(duì)策

1)鑒于1煤層底板灰?guī)r水為“高水壓、弱富水、難疏干”的特點(diǎn)，采取“疏水降壓和注漿加固”相結(jié)合的超前綜合性水害防治對(duì)策，建立地面注漿站，通過施工地面鉆孔將漿液輸送井下。在首采面中段沿走向方向施工截水巷，利用截水巷施工超前底板灰?guī)r水探測鉆孔以及沿傾向布置的終孔4灰底板順層孔疏水降壓、注漿加固，增加底板有效隔水層厚度。

2)采用瞬變電磁和并行電法兩種物探方法綜合探查掘進(jìn)前方和回采工作面地質(zhì)構(gòu)造及底板灰?guī)r富水性，并利用鉆探對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行探查驗(yàn)證。對(duì)底板富水異常區(qū)域、斷層構(gòu)造異常區(qū)域以及底板采動(dòng)破壞嚴(yán)重區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)注漿加固改造。

3)建立完善工作面排水系統(tǒng)，對(duì)－650 m水平排水系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，增加排水能力。

4)建立1煤開采安全評(píng)價(jià)體系和水害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，制定應(yīng)急預(yù)案，確保安全開采。

4 結(jié)束語

1)新集二礦1煤層開采底板灰?guī)r突水類型主要有斷層構(gòu)造突水和底板采動(dòng)破壞突水兩種，通過對(duì)兩種類型突水機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)性采取“疏水降壓和注漿加固”相結(jié)合的超前綜合性防治水對(duì)策，在技術(shù)上是可行的。

2)通過采用斷層最大突水量預(yù)計(jì)模型和對(duì)工作面開采底板破壞進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)計(jì)斷層突水最大涌水量為41 m3/h，底板破壞突水最大涌水量為270 m3/h。

3)建立地面注漿站系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)底板灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固、改造，并對(duì)斷層構(gòu)造及底板采動(dòng)破壞嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)注漿加固是必要的。

4)工作面開采底板破壞數(shù)值模擬結(jié)果表明，煤層開采厚度對(duì)煤層底板破壞深度的影響不明顯，在給定物理模型及模擬條件下，采動(dòng)造成的底板最大破壞深度為19.17m，底板最大破壞深度一般出現(xiàn)在工作面推進(jìn)30～40 m位置。

［1］施龍青，韓進(jìn).底板突水機(jī)理及預(yù)測預(yù)報(bào)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004

［2］高延法，施龍青，牛學(xué)良，婁華君.底板突水規(guī)律與突水優(yōu)勢面［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999

［3］羅立平，彭蘇萍.承壓水體上開采底板突水災(zāi)害機(jī)理的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005，(4):459－462