焦作礦區(qū)底板注漿加固工作面富水性分區(qū)及加固效果分析

許延春，陳勝然，柳 杰，李衛(wèi)民，王煥忠

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

焦作礦區(qū)是全國(guó)著名的大水礦區(qū)之一，歷史上曾發(fā)生過(guò)上千次突水，其中3000m3/h 以上的突水15 次，6000m3/h 以上的突水7 次，最大一次突水量為19200m3/h。發(fā)生突水淹井事故17 次，淹采區(qū)14 次，經(jīng)濟(jì)損失慘重［1－2］。焦作礦區(qū)為此于1999年引進(jìn)煤層底板注漿改造技術(shù)，至今已在多個(gè)工作面成功應(yīng)用，解放了近100Mt 煤炭資源，安全回采了超過(guò)40Mt 煤炭，工作面突水次數(shù)、突水強(qiáng)度大大降低［3－5］，但仍有經(jīng)過(guò)底板注漿改造的工作面發(fā)生了8 次突水事故，焦作礦區(qū)對(duì)8 個(gè)發(fā)生突水的底板注漿加固工作面，進(jìn)行了富水區(qū)劃分。首次將底板注漿加固體概化為圓柱體，從而直觀認(rèn)識(shí)其空間分布特征，進(jìn)而研究底板注漿改造防治工作面的突水機(jī)理。

1 焦作礦區(qū)水文地質(zhì)特征

焦作煤田位于太行山復(fù)背斜隆起帶南東翼，受區(qū)域構(gòu)造的控制，地層走向60°，傾向SE，傾角8～12°［6］。本區(qū)主采煤層為山西組二1 煤。二1 煤層底板含水層主要由八灰、二灰和奧灰組成，其中L8灰?guī)r水為主要充水水源，距二1 煤18～40m，厚度為8m 左右，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)，水壓為6.3～7.09MPa，突水系數(shù)為0.23～0.27MPa/m。二灰(L2)上距二1 煤70～90m，距下伏奧灰一般為20m，層厚12m，水壓也達(dá)到了7.09MPa。奧陶系(中統(tǒng)O2)馬家溝組灰?guī)r含水層為煤層底板主要含水層，厚400～450m，為強(qiáng)富水性含水層［7］。由于工作面突水危險(xiǎn)性大，因此采用底板注漿加固的方法防治底板突水。

2 工作面底板富水性的劃分及分析

根據(jù)各底板注漿鉆孔的出水量把工作面底板富水性分3 類(lèi):富水區(qū)(鉆孔涌水量≥10m3/h)、中等富水區(qū)(5m3/h ＜鉆孔涌水量＜10m3/h)和弱富水區(qū)(鉆孔涌水量≤5m3/h)。對(duì)工作面富水性的劃分有助于直觀地分析判斷工作面推進(jìn)方向上各個(gè)位置的富水情況，從而更好地研究富水性與工作面突水的關(guān)系。

2.1 劃分原則

(1)先劃工作面的富水區(qū)，影響半徑為15m，即鉆孔出水點(diǎn)附近15m 內(nèi)均劃為富水區(qū);再劃中等富水區(qū)，影響半徑10m，剩余部分為弱富水區(qū)。

(2)當(dāng)工作面同一走向上同時(shí)出現(xiàn)大于10m3/h、小于10m3/h 及小于5m3/h 的出水點(diǎn)中的2 種或3 種時(shí)，按較大值出水點(diǎn)劃分。

2.2 工作面富水區(qū)特征

分別以趙固一礦和趙固11111 工作面和古漢山15071 工作面為例，來(lái)描述工作面的富水性特征，先根據(jù)鉆孔資料劃分出富水區(qū)和中等富水區(qū)，剩余部分則為弱富水區(qū)。

(1)趙固一礦11111 工作面距開(kāi)切眼0～50m，90～175m，420～480m，530～595m 等4 個(gè)區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)，距開(kāi)切眼70～90m，190～270m，300～370m，510～530m，665～685m 等5 個(gè)區(qū)域?yàn)橹械雀凰畢^(qū)，剩余部分為弱富水區(qū)。該工作面突水發(fā)生在軌道巷與回撤通道交叉口東幫巷道，詳見(jiàn)圖1。

圖1 趙固一礦11111 工作面底板富水區(qū)域劃分

(2)古漢山礦15071 工作面距開(kāi)切眼15～145m，160～235m，285～315m，340～445m，465～755m，770～805m，835～1005m，1030～1090m等8 個(gè)區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)，距開(kāi)切眼315～340m，805～835m 這2 個(gè)區(qū)域?yàn)橹械雀凰畢^(qū)，剩余部分為弱富水區(qū)。工作面推進(jìn)468m 時(shí)，在工作面切眼向上78m 附近發(fā)生突水，詳見(jiàn)圖2。

各突水工作面富水性特征及突水點(diǎn)與富水區(qū)的關(guān)系如表1 所示。

根據(jù)表1 可知:

圖2 古漢山15071 工作面底板富水區(qū)域劃分

表1 各突水工作面富水性特征及突水點(diǎn)位置

(1)12 個(gè)突水點(diǎn)中有9 個(gè)位于富水區(qū)，1 個(gè)位于中等富水區(qū)，2 個(gè)位于弱富水區(qū)，說(shuō)明大部分工作面突水發(fā)生在富水區(qū)。這部分區(qū)域巖體裂隙發(fā)育且充水。

(2)有2 個(gè)突水點(diǎn)位于弱富水區(qū)，這部分突水區(qū)域底板有較好的隔水性，有些原生裂隙發(fā)育的區(qū)域垂向并未與L8灰以及下部灰?guī)r含水層導(dǎo)通，水平方向連通性差，因此形成高阻異常區(qū)［8］。其突水原因可能是由于泥類(lèi)巖厚度較大，底板巖體強(qiáng)度較低，在高地壓、高水壓的作用下，工作面采空區(qū)底鼓及水平位移量大，使底板泥巖裂隙的連通性大幅增加，原生裂縫帶與含水層導(dǎo)通，導(dǎo)致突水。

(3)根據(jù)富水區(qū)比例對(duì)各礦工作面突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行排序，由高到底依次為古漢山礦，演馬莊礦，九里山礦和趙固一礦。

3 底板注漿加固的空間分布與剪切破壞區(qū)關(guān)系及對(duì)突水的影響

3.1 注漿加固范圍參數(shù)的確定

本文首次將底板注漿加固體概化為圓柱體，從而直觀地認(rèn)識(shí)底板注漿對(duì)底板破壞區(qū)及不同富水區(qū)的加固效果，進(jìn)而研究底板注漿改造防治工作面的突水的機(jī)理。

根據(jù)8 個(gè)底板注漿改造工作面的實(shí)際注漿量，鉆孔長(zhǎng)度和底板巖性裂隙率等參數(shù)，按圓柱體計(jì)算各個(gè)注漿鉆孔的加固半徑。在平面投影為長(zhǎng)方形填充區(qū)域。鉆孔長(zhǎng)度為(L－15)m，即孔深減去15m套管長(zhǎng)。其漿液加固半徑為:

式中，R 為漿液加固半徑，m;V 為黏土水泥漿總體積，m3;L 為鉆孔深度，m;φ 為非泥類(lèi)巖的充填裂隙率［9］，取0.1 (泥類(lèi)裂隙不能充填，不適用此公式);h1為煤層底板結(jié)構(gòu)中非泥巖類(lèi)厚度之和;h2為煤層底板結(jié)構(gòu)中泥巖類(lèi)厚度之和。

因泥巖段注漿量少，漿液主要在砂巖、粉砂巖、石灰?guī)r等非泥巖中擴(kuò)散，因此注漿有效長(zhǎng)度取

3.2 剪切破壞帶的計(jì)算

圖3 中塑性區(qū)的形成及發(fā)展過(guò)程可以解釋采動(dòng)影響下煤層底板破壞的原因及范圍，其中I 為膨脹區(qū)，II 為壓縮區(qū)。采動(dòng)引起的底板巖體破壞嚴(yán)重的區(qū)域位于2 個(gè)剪切面(即圖3 中ab，ac)之間，因此確定b，c 兩點(diǎn)到工作面煤壁的水平距離非常重要。其確定方法如下［10］:

圖3 極限狀態(tài)下底板中塑性破壞區(qū)的范圍

式中，L 為煤層塑性區(qū)寬度，m;Dmax為底板最大破壞深度，m;n 為最大應(yīng)力集中系數(shù)，取1.6;m為煤層開(kāi)采厚度，m;H 為開(kāi)采深度，m;γ 為巖體容重，取9.8×2600×10－3kN/m3;Cm為黏聚力，取1.05MPa;φ 為內(nèi)摩擦角，取28°;;φ0為底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角，取37°。

所以點(diǎn)b 到工作面的水平距離x1=ab×cos∠baa'。

底板巖體最大破壞深度距工作面的水平距離L2=Dmaxtanφ0。

近似認(rèn)為c 點(diǎn)距工作面的水平距離x2=(L1+L2)/2。

根據(jù)8 個(gè)工作面的實(shí)測(cè)資料及計(jì)算得出各參數(shù)如表2 所示。

表2 剪切破壞帶計(jì)算相關(guān)參數(shù)及結(jié)果

3.3 注漿加固體分布特征及分析

以趙固一礦11111 工作面為例，探究8 個(gè)突水工作面的底板注漿加固特征，各突水工作面的注漿效果見(jiàn)表3。

如圖4 所示，趙固一礦11111 工作面注漿加固區(qū)域面積占剪切破壞區(qū)面積的71%。突水點(diǎn)位于弱富水區(qū)，且無(wú)斷層，突水點(diǎn)附近注漿加固效果一般，突水點(diǎn)局部被注漿加固區(qū)域覆蓋。

表3 突水點(diǎn)位置與開(kāi)采條件的關(guān)系

注漿加固空間三維效果如圖5?？梢?jiàn)幾個(gè)較大出水鉆孔的注漿量均較大，注漿量最大的鉆孔注漿量達(dá)到了9189.5m3，原因是該鉆孔附近裂隙比較發(fā)育。富水區(qū)加固效果較好。

4 突水原因分析

8 個(gè)發(fā)生突水事故的底板注漿改造工作面各突水因素匯總?cè)绫?。

圖4 趙固一礦11111 工作面底板注漿加固及剪切破壞區(qū)

圖5 趙固一礦11111 工作面底板注漿加固范圍立體示意

(1)從破壞帶的分布范圍可以看出，注漿加固區(qū)域并未完全覆蓋破壞帶，在采動(dòng)影響下，可能導(dǎo)通形成突水。通過(guò)突水點(diǎn)與注漿加固擴(kuò)散區(qū)域的關(guān)系可以看出，在平面區(qū)域內(nèi)幾乎所有突水點(diǎn)都已經(jīng)被注漿區(qū)域覆蓋，但仍然發(fā)生了突水?？赡芘c注漿加固工程量不足、技術(shù)不成熟、斷層活化和采動(dòng)的影響有關(guān)。

(2)4 次發(fā)生在基本頂初次來(lái)壓期間的突水，均位于斷層附近，且均在富水區(qū)域。這說(shuō)明工作面底板突水不是由單一原因造成的，而是受富水性、斷層帶、基本頂來(lái)壓等因素的影響。當(dāng)3 個(gè)因素共同存在時(shí)，工作面突水可能性最大。根據(jù)已有資料，焦作礦區(qū)基本頂初次來(lái)壓距開(kāi)切眼距離為40～60m，因此要對(duì)基本頂初次來(lái)壓位置附近有斷層影響的工作面相應(yīng)位置進(jìn)行特殊處理。

5 結(jié)論

(1)采用對(duì)底板注漿加固體圓柱形概述的方法，認(rèn)識(shí)了注漿加固體的空間分布特征。直接反映了注漿加固對(duì)底板破壞危險(xiǎn)區(qū)域的加固覆蓋效果，表明了底板加固與突水點(diǎn)的關(guān)系，對(duì)注漿加固工程有指導(dǎo)意義。

(2)工作面底板突水主要發(fā)生在富水區(qū)，盡管這些區(qū)域已注漿加固，但仍發(fā)生突水，說(shuō)明注漿加固工程仍需完善。

(3)突水點(diǎn)大多位于風(fēng)道和工作面交接不遠(yuǎn)處、斷層帶、基本頂來(lái)壓等處，說(shuō)明底板突水除與工作面富水性有關(guān)，還受斷層帶、基本頂來(lái)壓等多個(gè)因素影響。應(yīng)對(duì)上述幾個(gè)因素中兩個(gè)或多個(gè)同時(shí)存在的特殊區(qū)域給予足夠重視，加大注漿加固力度。

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