姚 宏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037000）

引言

同煤某礦主要含煤地層是太原組和大同組，410 盤區(qū)81022 工作面是井田內(nèi)可采煤層，可采長度為730 m，工作面中部及北部的煤層厚度為1.83 m，南部煤層厚度為1.27 m，埋藏深度為340 m，煤層變異系數(shù)為28.60%，中部含有1 層～3 層細(xì)砂巖夾石，受底板裂隙水的威脅，出現(xiàn)突水事故，影響安全生產(chǎn)，為防止出現(xiàn)底板突水，對煤層底板裂隙的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)水文概況

81022 工作面煤層厚度為7.6 m，煤層傾角為2°，直接頂是中砂巖，煤層厚度為2 m，直接底是細(xì)砂巖，煤層厚度為1 m，在工作面掘進(jìn)期間，底板裂隙發(fā)育，含水層主要是奧灰水裂隙含水層組，單位涌水量為0.851 L/s·m，底板隔水層為55 m，煤層構(gòu)造簡單，僅發(fā)育一些寬緩褶皺，掘進(jìn)期間共揭露斷層27條，1 m 以上的斷層10 條，影響范圍達(dá)350m，斷層呈帶狀分布，附近伴有節(jié)理，有較好的透水性，在過斷層時(shí)，會出現(xiàn)活化，造成導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，引發(fā)突水事故[1]。

2 底板裂隙突水評價(jià)研究

2.1 底板裂隙突水?dāng)?shù)值模擬

同煤某礦81022 工作面傾向長度為180 m，中細(xì)砂巖煤層厚度為42 m，海相泥巖煤層厚度為10 m，底板斷層發(fā)育，給模型上方施加巖石自身重應(yīng)力以及太灰孔隙水壓力，模型示意圖如圖1 所示。

圖1 工程模型示意圖（m）

根據(jù)礦井的地質(zhì)概況，綜合考慮巖石的物理力學(xué)特性，運(yùn)用三維有限差分算法，采用FLAC3D 軟件建立力學(xué)過程數(shù)值模擬模型[2]，建立沿走向長度300 m，傾向?qū)挾?40 m，高度240 m 的模型，共劃分87 480個(gè)單元，93 940 個(gè)結(jié)點(diǎn)，對模型的側(cè)面進(jìn)行水平約束，底面進(jìn)行垂直約束，上面施加垂直載荷，現(xiàn)場取得巖石力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表1 所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 底板裂隙突水分析

煤層底板裂隙發(fā)育，在上覆采動作用影響下，形成導(dǎo)水通道，從而引發(fā)底板裂隙突水[3]，在采動過程中，工作面周圍引起應(yīng)力集中，采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)張應(yīng)力，底板導(dǎo)通裂隙沒有出現(xiàn)張應(yīng)力集中。在開采長度90 m，距離切眼45 m，沿煤層傾斜方向的切面剪應(yīng)力增量，可以看出，在裂隙發(fā)育地帶，剪應(yīng)力的增量達(dá)到最大值，垂直位移也較大，且裂隙左側(cè)的位移向左，裂隙右側(cè)的位移向右，在垂直應(yīng)力和太灰孔隙壓力的作用下，使裂隙擴(kuò)張，使不導(dǎo)水的裂隙也出現(xiàn)導(dǎo)水危險(xiǎn)，使導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通性增強(qiáng)，越靠近工作面，擴(kuò)張?jiān)絽柡Α?/p>

建立裂隙模型，在裂隙旁設(shè)置22 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)全程監(jiān)測該點(diǎn)在X 方向的位移，即可得到該層裂隙擴(kuò)張寬度，從第216 頁圖2 可以看出，裂隙上方擴(kuò)張比較嚴(yán)重，擴(kuò)張寬度約0.028 m，隨著監(jiān)測層向下，裂隙擴(kuò)張寬度逐漸變小。

圖2 監(jiān)測層裂隙擴(kuò)張寬度

3 應(yīng)用分析

3.1 防治方案

采用底板注漿對工作面進(jìn)行注漿支護(hù)[4]，為了使?jié){液分布均勻，封堵導(dǎo)水裂隙，將底板分為采動破壞層、加固層和改造層，通過打鉆孔對改造層進(jìn)行注漿，形成加固層，確保底板采動破壞層穩(wěn)固，注漿加固支護(hù)圖如圖3 所示。具體的，采用網(wǎng)格法布置鉆孔，在工作面運(yùn)輸順槽共布置16 個(gè)鉆場，在回風(fēng)順槽共布置14 個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場上下間隔33 m，左右間隔58 m，布置鉆孔200 個(gè)，選用水泥和粉煤灰作為注漿材料，注漿壓力為15 MPa，注漿漿液擴(kuò)散半徑為25m，鉆孔直徑為75 mm，在每個(gè)鉆孔上安裝二級套管，共施工注漿加固鉆孔3 153 m。

圖3 底板注漿示意圖

3.2 效果驗(yàn)證

對注漿加固后的鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，在工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷交叉布置5 個(gè)驗(yàn)證鉆孔，鉆孔深度為45 m，檢驗(yàn)鉆孔的涌水量，可以看出，1#鉆孔的涌水量為1.7 m3/h，2#鉆孔的涌水量為3.3 m3/h，3#鉆孔的涌水量為3.5 m3/h，4#鉆孔的涌水量4.1 m3/h，5#鉆孔的涌水量為6.9 m3/h，可見，檢驗(yàn)鉆孔的最大涌水量為6.9 m3/h，每個(gè)鉆孔的涌水量都小于10 m3/h，使用底板注漿加固技術(shù)可以加強(qiáng)底板的隔水性能，提高回采的安全性。

4 結(jié)論

為防止同煤某礦410 盤區(qū)81022 工作面底板裂隙突水，對底板裂隙突水進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)，采用FLAC3D軟件建立力學(xué)過程數(shù)值模擬模型，結(jié)果如下：

1）裂隙上方擴(kuò)張比較嚴(yán)重，擴(kuò)張寬度約0.028 m，隨著監(jiān)測層向下，裂隙擴(kuò)張寬度逐漸變小。

2）鉆孔的最大涌水量為6.9 m3/h，每個(gè)鉆孔的涌水量都小于10 m3/h，使用底板注漿加固技術(shù)可以加強(qiáng)底板的隔水性能，提高回采的安全性。