深部開(kāi)采煤層底板突水控制技術(shù)研究

焦 義

(大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省大同市，037032)

?

深部開(kāi)采煤層底板突水控制技術(shù)研究

焦 義

(大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省大同市，037032)

結(jié)合王莊煤礦水文地質(zhì)條件，分析了工作面底板突水的主要影響因素，采用塑性力學(xué)理論計(jì)算了1201工作面的底板破壞深度；利用FALC3D對(duì)工作面布置在斷層上盤和下盤兩種情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，得出了兩種情況下圍巖破壞場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上提出且實(shí)施了預(yù)加固斷層防治突水的治理措施，取得良好效果。

深部開(kāi)采 底板突水 底板破壞深度 數(shù)值模擬 斷層上盤 斷層下盤 治理措施

由于我國(guó)大部分礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，因此，礦井突水事故是我國(guó)井工煤礦常見(jiàn)的重大事故之一，一直以來(lái)，礦井水害防治技術(shù)是各大礦業(yè)集團(tuán)公司及相關(guān)科研單位研究的重要領(lǐng)域。

目前，我國(guó)大多數(shù)煤炭企業(yè)根據(jù)自身的實(shí)際水文地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)煤礦防治水工作進(jìn)行不斷的摸索，建立起一套行之有效的防治水體系。但是隨著礦井開(kāi)采深度的增加，在深部開(kāi)采過(guò)程中，面臨高水壓、地壓等復(fù)雜水文地質(zhì)條件，以往積累的防治水體系已經(jīng)不能滿足礦井實(shí)際防治水的需要。目前國(guó)內(nèi)外礦井對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下底板突水，尤其是采動(dòng)影響下斷層附近底板突水防治尚沒(méi)有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，故對(duì)采動(dòng)影響下斷層附近底板突水特征及治理措施的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，亦可為煤礦類似條件下的水害治理工作提供借鑒。

1 工作面底板突水理論分析

1.1 工程概況

山西省王莊煤礦1201工作面位于一盤區(qū)上山中部，采面切眼東南180 m是F18斷層，在膠運(yùn)巷掘進(jìn)至120 m、460 m、509 m時(shí)分別揭露F105、F107、F109斷層，3條斷層都為正斷層，主采二1煤層，煤層平均厚度為6.16 m。煤層節(jié)理、層理發(fā)育，局部含有薄層夾矸，性脆，煤的硬度為0.98～1.8。直接底為灰黑色泥巖，富含植物根部化石，遇水膨脹，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，厚度為3.3 m；老底為深灰色L9灰?guī)r，局部方解石脈發(fā)育，致密，塊狀，厚度為2.05 m。

根據(jù)1201工作面實(shí)際水文地質(zhì)條件，影響其突水的主要因素為底板承壓水、隔水層(即工作面底板巖層性質(zhì))、地質(zhì)構(gòu)造、工作面開(kāi)采空間采煤方法及地應(yīng)力。

1.2 工作面底板破裂深度

采用土力學(xué)中地基學(xué)的方法計(jì)算工作面回采引起的工作面底板破裂深度。地基中的極限平衡如圖1所示，根據(jù)塑性理論，地基中的極限平衡區(qū)主要分為I、II、III 3個(gè)區(qū)。受回采過(guò)程中支承壓力影響導(dǎo)致的底板破壞深度如圖2所示，圖中D表示破壞深度。

圖1 地基中的極限平衡

圖2 支承壓力形成的底板破壞深度

經(jīng)過(guò)計(jì)算推導(dǎo)，煤層塑性區(qū)的寬度：

(1)

式中：L——煤層塑性區(qū)寬度，m；

n——最大應(yīng)力集中系數(shù)；

H——開(kāi)采深度，m；

γ——巖體容重，kg/m3；

Cm——內(nèi)聚力，MPa；

m——煤層開(kāi)采厚度，m；

φ——內(nèi)摩擦角，(°)。

底板最大破壞深度：

(2)

底板最大深度的位置：

(3)

式中：φ0——底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)巖石物理試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)煤巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，得出煤的內(nèi)摩擦角φ=28°，n=1.6，Cm=1.05MPa，m=3.6 m，H=690m代入式(1)，得L=10.47 m。將φ0=37°及相關(guān)數(shù)值代入式(2)和式(3)，得Dmax=21.83 m，l=16.45 m。因此，工作面正?；夭蓵r(shí)，當(dāng)其長(zhǎng)度為180 m時(shí)，工作面底板的最大破壞深度在21.83 m左右，位置距離工作面端頭16.45 m。受礦山壓力的影響，底板破壞深度范圍以內(nèi)的巖層處于粘彈性狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)裂隙貫通，導(dǎo)水性很強(qiáng)，完全失去了隔水能力，因此，要求底板隔水層的厚度在工作面最大破壞深度以下的位置才能保證工作面不會(huì)發(fā)生底板突水事故。

2 采動(dòng)影響下斷層突水的數(shù)值計(jì)算分析

2.1 數(shù)值模型建立

為模擬1201工作面在采煤過(guò)程中存在導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)，工作面底板圍巖破壞場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)分布規(guī)律情況，選取膠運(yùn)巷509 m處揭露F109斷層，以該斷層為中心建立模型。建立模型長(zhǎng)度465 m，傾向?qū)挾葹?00 m，模型高為180 m，模型如圖3所示。選取了3個(gè)特征點(diǎn)分別為：斷層上部id=3，(45 0 80)；斷層中部id=5，(0 0 0)；斷層下部id=4，(1 0 20)。

圖3 模型平面圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 工作面布置在斷層下盤

假設(shè)工作面布置在斷層下盤、留設(shè)煤柱30 m和工作面開(kāi)挖到斷層時(shí)，選擇在距模型右邊界90 m處開(kāi)切眼，模擬斷層周邊滲流場(chǎng)與塑性破壞場(chǎng)的耦合、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及斷層突水的一般規(guī)律。

(1)圍巖破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合。工作面布置在下盤時(shí)區(qū)域圍巖破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合分布情況如圖4所示。由圖4可知，工作面區(qū)域內(nèi)的孔隙水壓力場(chǎng)與工作面內(nèi)斷層特征整體一致；由于區(qū)域內(nèi)斷層的橫斷面積較大，在同樣的水力條件下，孔隙水滲透區(qū)域遠(yuǎn)大于工作面內(nèi)的其它導(dǎo)水構(gòu)造，由于孔隙水壓力沿?cái)鄬酉蚱渲苓厰U(kuò)散，且壓力不斷降低，在某個(gè)臨界面降至零，把該臨界面視為滲流場(chǎng)的臨時(shí)邊界；隨著工作面的開(kāi)挖，由于底板非常大，滲流場(chǎng)波及范圍亦很大；工作面開(kāi)挖時(shí)，工作面底板近處水壓力小于1 MPa，會(huì)發(fā)生一定程度的滲水；隨著保護(hù)煤柱留設(shè)距離減小到30 m以內(nèi)，突水危險(xiǎn)性不斷增大。

圖4 工作面布置在下盤時(shí)區(qū)域圍巖破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合分布

(2)應(yīng)力場(chǎng)分析。工作面布置在下盤時(shí)區(qū)域圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示。由圖5可知，與含水灰?guī)r導(dǎo)通的導(dǎo)水?dāng)鄬幼陨淼乃畨毫鶟B透到圍巖應(yīng)力場(chǎng)中，與圍巖應(yīng)力場(chǎng)耦合在一起；在斷層水壓力和圍巖應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用下，圍巖發(fā)生塑性破壞、水壓致裂和滲流等不同形式的耦合破壞；當(dāng)保護(hù)煤柱減小到30 m以內(nèi)時(shí)，工作面發(fā)生滲水乃至突水等災(zāi)害。

2.2.2 工作面布置在斷層上盤

假設(shè)工作面布置在斷層上盤、留設(shè)煤柱30 m、工作面開(kāi)挖到斷層時(shí)，選擇在距模型右邊界90 m處開(kāi)切眼，模擬斷層周邊滲流場(chǎng)與塑性破壞場(chǎng)的耦合、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及斷層突水的一般規(guī)律。

(1)圍巖破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合。工作面布置在上盤時(shí)區(qū)域圍巖破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合分布如圖6所示。

圖5 工作面布置在下盤時(shí)區(qū)域圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

由圖6可知，導(dǎo)水?dāng)鄬涌紫端畨毫?chǎng)分布與工作面布置于下盤時(shí)分布一致；沿著斷層上下盤形成一定的滲流場(chǎng)；斷層的橫斷面積非常大，在相同水力條件下，滲透區(qū)域遠(yuǎn)大于其它特殊的導(dǎo)水構(gòu)造；孔隙水壓力由斷層向四周擴(kuò)散，并不斷減小，在某個(gè)臨界面變?yōu)榱?，將此臨界面視為滲流場(chǎng)的臨時(shí)邊界；當(dāng)工作面距離滲流場(chǎng)較遠(yuǎn)，采動(dòng)影響不會(huì)波及斷層周邊滲流場(chǎng)；工作面破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合分析與斷層下盤開(kāi)采時(shí)原理基本一致；隨著工作面的開(kāi)挖，工作面前方圍巖塑性破壞區(qū)不斷前移，與斷層周邊的滲透區(qū)域不斷接近；圍巖破壞場(chǎng)與斷層周邊滲流場(chǎng)從原始的相對(duì)無(wú)聯(lián)系狀態(tài)，漸漸發(fā)展為相互聯(lián)系，相互貫通；由于底板面積非常大，滲流場(chǎng)波及范圍亦很大；隨著工作面開(kāi)挖，工作面底板近處水壓力小于1 MPa，會(huì)發(fā)生一定程度的滲水；隨著保護(hù)煤柱留設(shè)距離減小到30 m以內(nèi)，突水危險(xiǎn)性不斷增大。

(2)應(yīng)力場(chǎng)分析。工作面布置在上盤時(shí)區(qū)域圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布如圖7所示。由圖7可知，與布置于工作面下盤相比較，工作面開(kāi)采時(shí)，造成斷層活化，因而產(chǎn)生的斷層應(yīng)力集中相比較下盤開(kāi)采要大；破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合距離更大，應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)范圍亦較大。

圖7 工作面布置在上盤時(shí)區(qū)域圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

2.2.3 斷層上、下盤受采動(dòng)影響位移量對(duì)比分析

斷層上、下盤特征點(diǎn)位移變化如圖8所示，圖8中橫坐標(biāo)1、2、3分別代表斷層上部、中部、下部3個(gè)位置，縱坐標(biāo)指3個(gè)部位的位移量。由圖8可知，無(wú)論選擇在斷層上盤開(kāi)挖還是斷層下盤開(kāi)挖，斷層上、中、下3個(gè)特征點(diǎn)的位移以斷層上部為大，往下位移相繼減??；斷層上盤位移整體高于斷層下盤。比較上下盤工作面上、中、下3個(gè)特征點(diǎn)位移，上盤3個(gè)特點(diǎn)較下盤3個(gè)特征點(diǎn)分別增大了1.072、1.72、1.4?？梢钥闯鰯鄬由媳P在開(kāi)采過(guò)程中底板位移量較大，斷層上盤承受的垂向應(yīng)力較斷層下盤要大。通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)圖5和圖7做對(duì)比，可以看出斷層上盤開(kāi)采時(shí)最大集中應(yīng)力約為下盤開(kāi)采的1.5倍。

圖8 斷層上、下盤特征點(diǎn)位移

3 治理措施

結(jié)合1201工作面實(shí)際地質(zhì)條件及以上對(duì)底板破壞深度、斷層對(duì)底板突水的數(shù)值模擬分析結(jié)果，為防止突水事故的發(fā)生，1201工作面布置在斷層下盤，并提出采用底板鉆孔注漿的方式對(duì)F105、F107、F109斷層進(jìn)行預(yù)加固。

在1201工作面膠運(yùn)巷距離切眼509.4 m處上幫5#鉆場(chǎng)內(nèi)施工5-1、5-2、5-3鉆孔，在膠運(yùn)巷距離切眼461.4 m處下幫4#鉆場(chǎng)內(nèi)施工4-1、4-2、4-3鉆孔，鉆孔終孔深度控制在L8灰?guī)r底板下垂距15 m，鉆進(jìn)過(guò)程中，如果有水就進(jìn)行注漿改造，如果無(wú)水則封孔，如以上鉆孔不能滿足要求，可根據(jù)鉆孔揭露的水文地質(zhì)資料適當(dāng)增加鉆孔，增加鉆孔以工程聯(lián)系單的形式通知施工單位。

(1)注漿材料。本次注漿采用電廠粉煤灰，以40%摻量的水泥-粉煤灰為基材，加入很少量的三乙醇胺、CaCl2和減水劑。該材料3 d和7 d后的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了4.25 MPa和11.40 MPa，且漿體在水灰質(zhì)量比1：1的情況下具有較好的流動(dòng)性，可注性能優(yōu)異，滿足底板改造、注漿堵水的要求。通過(guò)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得出復(fù)合早強(qiáng)劑的配方為三乙醇胺0.05%，CaCl221%，減水劑FDN-8000 0.25%。

(2)注漿效果。工作面底板未經(jīng)注漿加固前，工作面正常涌水量為200 m3/h左右，最大涌水量為300 m3/h，很難保證工作面安全回采。工作面底板鉆孔注漿改造后實(shí)際正常涌水量為28.5 m3/h，最大涌水量為38 m3/h，水量小降低了原煤水份，提高了煤質(zhì)，增加了發(fā)熱量；工作面涌水量減小提高了工作面的回采速度，保證了工作面安全回采。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析1201工作面的水文地質(zhì)條件，得到了影響底板突水的主要因素，利用塑性力學(xué)理論對(duì)1201工作面的底板破壞深度進(jìn)行計(jì)算得到其破壞深度在21.83 m。

(2)以F109斷層為模擬斷層、1201工作面為模擬工作面，利用FALC3D對(duì)采動(dòng)斷層活動(dòng)突水進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬了工作面分別布置在斷層上盤和下盤兩種情況，得出了兩種情況下圍巖破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)分布規(guī)律、應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和位移場(chǎng)分布規(guī)律，且工作面布置在斷層下盤時(shí)3個(gè)特征點(diǎn)位移小于上盤。

(3)對(duì)工作面內(nèi)的F105、F107、F109 3條斷層進(jìn)行預(yù)加固，改造后實(shí)際正常涌水量為28.5 m3/h，最大涌水量為38 m3/h，保證了工作面安全回采。

[1] 武強(qiáng)，李周堯.礦井水災(zāi)防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2002

[2] 卜昌森. 礦井?dāng)嗔褬?gòu)造定量評(píng)價(jià)研究[J].中國(guó)煤炭,2012(11)

[3] 武強(qiáng)，董書寧，張志龍.礦井水害防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007

[4] 錢鳴高，茅獻(xiàn)彪，繆協(xié)興.采場(chǎng)覆巖中關(guān)鍵層上載荷的變化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，1998(2)

[5] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

(責(zé)任編輯 張艷華)

Research on control technology of water inrush from coal seam floor for deep mining

Jiao Yi

(Wangcun Coal Mining Co., Ltd., Datong Mining Group, Datong, Shanxi 037032, China)

Combined with hydrologic condition of Wangzhuang Mine, this paper analyzed main influential factors of water inrush from work face coal seam floor, calculated failure depth of 1201 work face floor by plastic mechanics theory; the numerical simulation software FLAC3D was used to analyze distribution laws of surrounding rock failure field, seepage field, stress field and displacement field when work face was located at hanging wall or footwall of faults. Based on simulation results, it was proposed to take fault water inrush control pre-reinforcement and achieved positive effects.

deep mining, floor water inrush, floor failure depth, numerical simulation, hanging wall, footwall, control measures

焦義. 深部開(kāi)采煤層底板突水控制技術(shù)研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(3)：109-112，133. Jiao Yi. Research on control technology of water inrush from coal seam floor for deep mining[J]. China Coal, 2017，43(3)：109-112，133.

TD745.2

A

焦義(1967-)，男，漢族，山西省渾源縣人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司副董事長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事煤礦技術(shù)與安全管理工作。