馮 旭

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 工作面概況

經(jīng)坊煤業(yè)3-807 工作面位于八采區(qū)準(zhǔn)備巷道南翼，北鄰三條準(zhǔn)備大巷，南靠井田邊界，西為規(guī)劃的3-806 工作面，東為實體煤。工作面開采山西組3#煤層，均厚6.3 m，蓋山厚度554～615 m，受底板灰?guī)r承壓水威脅，需進(jìn)行安全論證和治理。

2 工作面充水因素分析

2.1 頂板水害

山西組3#煤層頂板含三層砂巖（K2、K3、K4），砂巖含水層組單位涌水量0.065 7～1.734 L/s·m，滲透系數(shù)為0.147 7～6.92 m/d，屬HCO3-Cl-Na·Ca 型水。頂板水源以3#煤頂板K2砂巖裂隙水為主，K2灰?guī)r裂隙含水層富水性弱。巷道掘進(jìn)期間，遇到頂板局部淋水量較大的區(qū)域已疏放，因此頂板砂巖裂隙水對于工作面回采影響不大。

2.2 底板水害

石炭系太原組上段L11～L8灰?guī)r滲透系數(shù)0.52～1.54 m/d，單位涌水量0.097～0.287 L/s·m，巖溶裂隙較為發(fā)育，屬于富水性中等的含水層。L11灰?guī)r含水層與山西組3#煤層平均間距為43.64 m，L10灰?guī)r與3#煤層間距為58.63 m，L8灰?guī)r與3#煤層間距為75.85 m。太原組灰?guī)r巖溶裂隙水是山西組3#煤層開采期間底板的主要間接充水水源，煤層底板靜水壓力3.5～3.7 MPa，突水系數(shù)Ts=P/M，3-807 工作面底板L11、L10、L8灰?guī)r含水層突水系數(shù)分別為0.085 MPa/m、0.063 MPa/m、0.049 MPa/m，突水系數(shù)均小于0.1 MPa/m，表明正常塊段不存在底板突水的可能性。3-807 工作面范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造見表1，受構(gòu)造影響，部分區(qū)域L11、L10灰?guī)r含水層的突水系數(shù)可能大于臨界突水系數(shù)，底板存在較大的突水危險性，因此需要采取合理的底板加固措施，方可保障工作面的安全生產(chǎn)。

表1 3-807 地質(zhì)構(gòu)造情況表

3 底板注漿加固模擬研究

為探究3-807 工作面回采期間底板巖層破壞區(qū)的發(fā)育規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測注漿前后底板破壞帶發(fā)育深度的變化，采用FLAC3D軟件建立工作面開挖模型。結(jié)合以往數(shù)值模擬研究案例表明[1]，數(shù)值模擬結(jié)果的精確性與模型物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確與否密切相關(guān)，參考3-807 工作面附近的地質(zhì)鉆孔確定巖層的巖性、厚度等參數(shù)，構(gòu)建工作面開采數(shù)值模型，由煤層底板至上覆巖層共構(gòu)建13 層巖層，煤巖體的破壞遵循莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。最終建立走向長300 m、傾斜方向長280 m、高度130 m 的數(shù)值模型，工作面傾斜長度120 m，模型兩側(cè)各保留40 m 的煤柱，工作面共推進(jìn)180 m。數(shù)值模型邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 數(shù)值模型邊界條件及三維模型示意圖

模擬研究時，工作面開挖步距設(shè)定為10 m，對底板注漿改造進(jìn)行模擬時，參考李召峰等人的研究成果[2-3]，注漿材料為425 硅酸鹽水泥，養(yǎng)護(hù)28 d條件下加固系數(shù)為2.01，據(jù)此對注漿后底板巖層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到工作面回采180 m 條件下底板注漿前后頂?shù)装鍘r層塑性區(qū)分布規(guī)律如圖2（a）、（b），底板破壞深度隨著工作面開挖距離的變化曲線如圖2（c）、（d）。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)圖2 所示結(jié)果分析可知，隨著工作面回采距離的增大，底板破壞深度持續(xù)增大。工作面回采距離達(dá)到120 m 及以上時，底板采動破壞深度最大達(dá)到27 m。在此情況下，太原組L11灰?guī)r含水層與工作面間有效隔水層厚度僅剩17 m，灰?guī)r水壓3.7 MPa，突水系數(shù)達(dá)到0.218 MPa/m，遠(yuǎn)超出突水系數(shù)臨界值，底板存在極大的突水危險性，說明底板注漿加固的必要性。底板注漿改造后，工作面開挖距離達(dá)到50 m 時，底板破壞深度達(dá)到峰值，底板采動破壞最大深度為10 m，考慮灰?guī)r水壓為3.5～3.7 MPa，突水系數(shù)臨界值0.06 MPa/m，底板隔水層厚度應(yīng)不小于61.67 m，注漿加固巖層厚度最少為71.67 m，因此應(yīng)將注漿終孔層位布置在L8灰?guī)r內(nèi)，此時L8上部巖層均成為隔水層的一部分，隔水層平均厚度達(dá)到75.85 m，預(yù)計可保證3-807 工作面的安全回采作業(yè)。

4 3-807 工作面底板注漿改造

4.1 底板注漿改造措施

結(jié)合3-807 工作面水文地質(zhì)及開采技術(shù)條件，設(shè)計在工作面兩側(cè)順槽及堵水措施巷內(nèi)布置若干個鉆場，向底板巖層內(nèi)施工注漿鉆孔進(jìn)行底板改造。注漿的終孔層位為太原組L8灰?guī)r，注漿鉆孔垂直深度平均值為75.85 m，設(shè)計鉆孔傾角多為30°～45°，鉆孔長度125～175 m，采用ZDY3200S（MKD-5S）全液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔的施工。鉆孔結(jié)構(gòu)詳見圖3（a），共設(shè)計13 個鉆場，注漿鉆孔布設(shè)平面示意圖如圖3（b）。

圖3 3-807 工作面注漿鉆孔示意圖

注漿材料為425 硅酸鹽水泥添加水玻璃溶液，水灰比1.6，注漿終壓5～6 MPa。在進(jìn)行3-807 工作面底板鉆孔施工期間，當(dāng)遇到涌水量增大的情況時，停止鉆進(jìn)，開始注入漿液至設(shè)計壓力。若注入大量漿液但是注漿壓力達(dá)不到設(shè)計值時，采取間歇性注漿方法，注漿完成后再繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔鉆進(jìn)至設(shè)計層位后，出水量大于5 m3/h 時，連接管路進(jìn)行注漿，當(dāng)出水量小于5 m3/h 時，進(jìn)行封孔作業(yè)。底板鉆孔注漿施工具體流程如圖4。

圖4 底板注漿工藝流程

4.2 改造效果分析

為檢驗底板注漿改造效果，記錄各鉆孔的實際進(jìn)尺和注漿量，并在各個鉆場注漿完成后施工檢驗鉆孔，檢驗鉆孔的涌水情況見表2。鉆孔揭露灰?guī)r含水層時涌水量普遍較大，實際施工的132 個注漿鉆孔僅有4 個鉆孔在鉆進(jìn)期間出水量較小，其余128個鉆孔在鉆進(jìn)過程中均出現(xiàn)涌水量大于5 m3/h 的情況，表明底板灰?guī)r裂隙較為發(fā)育、富水性較強(qiáng)；在各鉆場共施工43 個檢驗鉆孔，僅4 個鉆孔出現(xiàn)少量出水的情況，出水鉆孔占比僅為9.3%。由此說明，底板灰?guī)r含水層內(nèi)裂隙得到有效封堵，L8灰?guī)r與工作面間巖層均成為良好的隔水層，可實現(xiàn)3-807 工作面的帶壓開采。

表2 底板注漿鉆孔及檢驗鉆孔施工情況統(tǒng)計

5 結(jié)論

以經(jīng)坊煤業(yè)3-807工作面水文地質(zhì)資料為依據(jù)，通過分析研究表明，工作面頂板砂巖含水層無水害威脅，工作面下方太原組溶洞裂隙承壓含水層存在較大的突水危險性，需采取合理有效的加固措施方可保障工作面的生產(chǎn)安全。通過數(shù)值模擬研究表明，正常情況下3-807 工作面回采底板破壞深度為27 m，注漿改造提高底板巖層的完整性和有效隔水層厚度，將注漿終孔層位布置在L8灰?guī)r內(nèi)，可使底板隔水層厚度達(dá)到要求。對3-807 工作面底板注漿改造后，檢驗鉆孔出水比例僅為9.3%，鉆孔出水比例較注漿改造前顯著減小，底板灰?guī)r含水層內(nèi)裂隙得到有效封堵，底板注漿改造效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面的帶壓安全開采。