陳振芳

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

某礦現(xiàn)主要開(kāi)采太原組21煤，該煤層屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層厚度為1.3～1.7m，煤層平均傾角8°。頂板上覆十二灰?guī)r層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，內(nèi)部充填有方解石，富水性較差，主要為靜貯存方式為主，井下開(kāi)采實(shí)踐表明，在部分區(qū)域十二灰下部頂板會(huì)出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，但涌水量相對(duì)較小，均在3m3/h以下，且會(huì)很快衰減。由物探及鉆探結(jié)果可知，底板下覆十四、十五灰?guī)r裂隙均不發(fā)育，富水性均較弱。整個(gè)本溪組巖層的平均厚度為32m，其主要構(gòu)成巖層有泥巖、粘土巖、中厚層灰?guī)r為主，可作為相對(duì)隔水層。當(dāng)未受到工作面回采動(dòng)壓影響時(shí)，十四、十五灰與奧灰水之間的水力聯(lián)系很小，然而該奧灰?guī)r層厚度大、水壓力高、含水量豐富，為該區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)含水層。煤層底板奧灰水的存在會(huì)對(duì)工作面的安全開(kāi)采產(chǎn)生帶來(lái)隱患，特別是有斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造存在時(shí)，更增加了危險(xiǎn)系數(shù)，因此需對(duì)底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行研究。

2 首采工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 底板破壞深度預(yù)測(cè)

首先對(duì)工作面推進(jìn)導(dǎo)致煤層底板產(chǎn)生破壞的深度進(jìn)行分析研究。根據(jù)該礦工程地質(zhì)條件，底板巖層的內(nèi)摩擦角φ0取38°，內(nèi)聚力C0取3.25MPa，煤層開(kāi)采厚度按1.5m取，煤層平均埋深按最深處750m計(jì)算，21煤的內(nèi)摩擦角φm取25°，內(nèi)聚力Cm取1.4MPa，覆巖容重γ取25kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)n取3。

1）底板破壞深度彈性理論計(jì)算分析，考慮底板在最大受力情況下時(shí)的破壞情況，通過(guò)式（1）可對(duì)底板最大破壞深度進(jìn)行計(jì)算，將上述參數(shù)代入計(jì)算可得：

2）底板破壞深度塑性理論分析，在回采動(dòng)壓影響下，當(dāng)煤層底板所承受的壓力超過(guò)其承載極限強(qiáng)度時(shí)，底板巖體會(huì)發(fā)生塑性破壞，當(dāng)塑性破壞區(qū)域面積增大并相互貫通后，塑性破壞的底板巖體會(huì)向采空區(qū)方向移動(dòng)，形成一個(gè)連續(xù)滑移面，此時(shí)底板破壞深度達(dá)到極限，圍巖變形最為嚴(yán)重，煤層屈服區(qū)的長(zhǎng)度可由式（2）來(lái)計(jì)算：

將上述計(jì)算結(jié)果代入式（3）可最終計(jì)算煤層開(kāi)采后底板最大破壞深度為：

3）數(shù)值模擬底板破壞深度。

以該礦的工程地質(zhì)條件和首采21煤工作面特征建立數(shù)值計(jì)算模型，從而對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中底板破壞深度進(jìn)行預(yù)測(cè)。建立的模型如圖2所示，模型長(zhǎng)為270m、寬為200m、高為115m，煤厚取1.5m，埋深取750m，設(shè)置邊界條件后，在模型上部邊界施加17MPa壓力以代表覆巖容重，煤層下部含水層孔隙水壓力為6.1MPa。

圖1 底板塑性破壞區(qū)分布

圖2 底板破壞深度變化曲線

工作面推進(jìn)后，煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖1所示，工作面推進(jìn)距離與煤層底板破壞深度的關(guān)系如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)L表示工作面推進(jìn)距離，而縱坐標(biāo)h表示煤層底板的破壞深度，由圖可知，工作面推進(jìn)的距離越大，則底板發(fā)生破壞的深度就越深，尤其是開(kāi)切眼處和工作面推進(jìn)所處位置，這兩處底板發(fā)生了嚴(yán)重的變形破壞，當(dāng)工作面向前回采長(zhǎng)度超過(guò)105m后，該破壞深度值逐漸趨于不變，由數(shù)值模擬結(jié)果可知，該礦首采面的底板最大破壞深度約為12m。

彈性計(jì)算方法和塑性計(jì)算方法原理不同，因而導(dǎo)致所計(jì)算的底板破壞深度分別為11.4m和9.2m，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果約為12m，通過(guò)上述理論分析及計(jì)算，并結(jié)合該礦的實(shí)際測(cè)得的底板破壞深度，得出受煤層開(kāi)采影響而導(dǎo)致的煤層底板破壞深度為12m。

2.2 底板承壓水導(dǎo)帶升高度分析

底板承壓水導(dǎo)升帶主要由兩部分構(gòu)成，即：原始導(dǎo)升帶和采動(dòng)導(dǎo)升帶。顧名思義，原始導(dǎo)升帶即煤層開(kāi)采前已形成，若煤層底板有承壓水存在，則其會(huì)沿著底板內(nèi)原來(lái)存在的裂隙上升到一定范圍內(nèi)；而受到工作面回采動(dòng)壓影響，底板原巖應(yīng)力和水流平衡場(chǎng)遭到破壞，在采動(dòng)應(yīng)力和承壓水壓力的共同影響下，原始導(dǎo)升帶會(huì)繼續(xù)上升，從而導(dǎo)致采動(dòng)導(dǎo)升帶的形成。

1）原始導(dǎo)升帶高度的確定。

該值主要由承壓水壓力和底板隔水層隔水能力綜合確定的。通常沙礫巖等巖層強(qiáng)度較高且脆性較好，在壓力作用下更容易產(chǎn)生裂紋，即存在原始導(dǎo)升現(xiàn)象，而泥頁(yè)巖等強(qiáng)度相對(duì)較低，呈現(xiàn)泥化性質(zhì)，在正常情況下無(wú)導(dǎo)升現(xiàn)象。其分布呈現(xiàn)區(qū)域性，一般小于5m，若處于地質(zhì)構(gòu)造帶，導(dǎo)升帶高度也不超過(guò)15m。該礦奧灰水頂面主要成分為泥巖和鋁土巖，正常情況下不易產(chǎn)生裂隙，隔水性相對(duì)較好，因此原始導(dǎo)升帶可按1m選取。

2）采動(dòng)導(dǎo)升帶高度的確定。

底板承壓水采動(dòng)導(dǎo)升帶除與上述兩個(gè)因素有關(guān)外，更多受工作面開(kāi)采工藝及生產(chǎn)方式等影響，通?？刹扇°@探和物探相結(jié)合的手段進(jìn)行探測(cè)，也可結(jié)合理論分析及數(shù)值計(jì)算等方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。該礦21煤開(kāi)采厚度較小，因此工作面回采動(dòng)壓對(duì)煤層底板產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，同時(shí)承壓水上部泥巖和鋁土巖厚度達(dá)到16m，裂紋擴(kuò)展不易，因此綜合考慮采動(dòng)導(dǎo)升帶高度為4m。因此，該礦的底板承壓水導(dǎo)升帶高度綜合確定為5m。

2.3 底板承受極限水壓力計(jì)算

通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬綜合確定動(dòng)壓影響下造成底板破壞最大深度h1約為12m，導(dǎo)升帶高度h3約為5m，煤層底板與奧灰水間的垂直距離約為50m，則可計(jì)算隔水層厚度h2為33m，其余值根據(jù)工作面實(shí)際情況分別進(jìn)行取值，Lx和Ly分別按250m和200m計(jì)，底板巖層容重γ按25kN/m3選取，抗剪強(qiáng)度τ0按8.0MPa取，泊松比μ按0.3取。在不考慮地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，底板所能承受的極限水壓力按式（5）計(jì)算：

2.4 底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

通過(guò)實(shí)測(cè)可知該礦首采工作面承壓水壓力P為6.1MPa，而底板所能承受的極限水壓力Ps為3.0MPa，前者值大于后者，因此21煤首采工作面在開(kāi)采時(shí)，底板有發(fā)生突水的危險(xiǎn)。對(duì)于煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)可選取突水系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該值可由式（6）計(jì)算：

式中：Ts為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層所承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水巖層厚度，m。通常認(rèn)為，底板在受地質(zhì)構(gòu)造破壞段突水系數(shù)未超過(guò)0.006MPa/m，正常開(kāi)采區(qū)域突水系數(shù)未超過(guò)0.1MPa/m，滿足上兩個(gè)條件時(shí)，底板突水威脅性小，可進(jìn)行帶壓開(kāi)采。針對(duì)該礦首采面，突水系數(shù)為：

因此可知，該礦首采工作面進(jìn)行帶壓開(kāi)采時(shí)危險(xiǎn)性極大，這也與前邊的理論分析計(jì)算結(jié)果相互吻合，上述分析都以完整底板為研究對(duì)象，若開(kāi)采過(guò)程中遇到斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，更容易引發(fā)突水事故的發(fā)生。因此在工作面開(kāi)采前一定要做好地質(zhì)勘查工作，提前做好防止底板突水的專項(xiàng)安全技術(shù)措施，以保證工作面實(shí)現(xiàn)安全回采。

3 底板突水防治方法

對(duì)于煤礦井下防治水工程來(lái)說(shuō)，除了要貫徹防治水十六字方針外，同時(shí)要結(jié)合本礦的生產(chǎn)實(shí)踐制定“防、堵、疏、排、截”等綜合防治措施，通常以來(lái)，針對(duì)礦井水害，通常采用如下三種方法：采前疏水降壓、注漿加固底板巖層及選擇合理的開(kāi)采方法。具體對(duì)于該礦而言，煤層下部奧灰水系灰?guī)r水壓力達(dá)到6.1MPa，該巖層不但厚度大，同時(shí)含水量很高，若采取疏水降壓措施，則從經(jīng)濟(jì)及技術(shù)上均不合理，改變?cè)摰V煤炭開(kāi)采方式也不實(shí)際，綜合考慮采用注漿的方法來(lái)對(duì)底板進(jìn)行加固，通過(guò)注漿加固實(shí)現(xiàn)“封堵裂隙、加厚底板”的作用，以防止突水事故的發(fā)生。

4 注漿堵水工程實(shí)踐及應(yīng)用效果分析

注漿材料選用價(jià)格低且膠結(jié)強(qiáng)度高的425#普通硅酸鹽水泥，為保證漿液流動(dòng)性和膠結(jié)強(qiáng)度，將水灰比控制為1.8～1.2：1，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按水源壓力的1.5～2.0倍選取。根據(jù)該礦以前的注漿加固實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，漿液擴(kuò)散半徑30m計(jì)，同時(shí)為了防止工作面兩側(cè)發(fā)生突水，注漿孔終孔位置超過(guò)兩條回采巷道50m，每條巷道布置16個(gè)注漿鉆場(chǎng)，除了位于工作面端頭的鉆場(chǎng)需布置8個(gè)鉆孔外，其余均布置4個(gè)鉆孔即可。鉆孔布置如如圖3和圖4所示。

圖3 注漿鉆孔俯視圖

圖4 注漿鉆孔剖面圖

5 結(jié) 論

通過(guò)底板注漿加固工程，將底板巖層中的裂隙封閉，相當(dāng)于增加了底板隔水層的有效厚度，使底板抵抗突水的能力得到加強(qiáng)，減少了礦井降排水費(fèi)用，使礦井突水問(wèn)題得到很好地解決，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效回采。該項(xiàng)工程不僅為礦井帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)了地下水資源，為同類礦井承壓水下煤炭資源的高效開(kāi)采利用提供了一定借鑒意義。