承壓水下工作面底板突水機理及注漿加固技術(shù)研究

陳振芳

（霍州煤電集團有限責(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，井下開采實踐表明，在部分區(qū)域十二灰下部頂板會出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，但涌水量相對較小，均在3m3/h以下，且會很快衰減。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，可作為相對隔水層。當未受到工作面回采動壓影響時，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)的強含水層。煤層底板奧灰水的存在會對工作面的安全開采產(chǎn)生帶來隱患，特別是有斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造存在時，更增加了危險系數(shù)，因此需對底板突水危險性進行研究。

2 首采工作面底板突水危險性評價

2.1 底板破壞深度預(yù)測

首先對工作面推進導(dǎo)致煤層底板產(chǎn)生破壞的深度進行分析研究。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，煤層開采厚度按1.5m取，煤層平均埋深按最深處750m計算，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算分析，考慮底板在最大受力情況下時的破壞情況，通過式（1）可對底板最大破壞深度進行計算，將上述參數(shù)代入計算可得：

2）底板破壞深度塑性理論分析，在回采動壓影響下，當煤層底板所承受的壓力超過其承載極限強度時，底板巖體會發(fā)生塑性破壞，當塑性破壞區(qū)域面積增大并相互貫通后，塑性破壞的底板巖體會向采空區(qū)方向移動，形成一個連續(xù)滑移面，此時底板破壞深度達到極限，圍巖變形最為嚴重，煤層屈服區(qū)的長度可由式（2）來計算：

將上述計算結(jié)果代入式（3）可最終計算煤層開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)值計算模型，從而對煤層開采過程中底板破壞深度進行預(yù)測。建立的模型如圖2所示，模型長為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

工作面推進后，煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖1所示，工作面推進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L表示工作面推進距離，而縱坐標h表示煤層底板的破壞深度，由圖可知，工作面推進的距離越大，則底板發(fā)生破壞的深度就越深，尤其是開切眼處和工作面推進所處位置，這兩處底板發(fā)生了嚴重的變形破壞，當工作面向前回采長度超過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。

彈性計算方法和塑性計算方法原理不同，因而導(dǎo)致所計算的底板破壞深度分別為11.4m和9.2m，數(shù)值模擬計算結(jié)果約為12m，通過上述理論分析及計算，并結(jié)合該礦的實際測得的底板破壞深度，得出受煤層開采影響而導(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)升帶和采動導(dǎo)升帶。顧名思義，原始導(dǎo)升帶即煤層開采前已形成，若煤層底板有承壓水存在，則其會沿著底板內(nèi)原來存在的裂隙上升到一定范圍內(nèi)；而受到工作面回采動壓影響，底板原巖應(yīng)力和水流平衡場遭到破壞，在采動應(yīng)力和承壓水壓力的共同影響下，原始導(dǎo)升帶會繼續(xù)上升，從而導(dǎo)致采動導(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，而泥頁巖等強度相對較低，呈現(xiàn)泥化性質(zhì)，在正常情況下無導(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，隔水性相對較好，因此原始導(dǎo)升帶可按1m選取。

2）采動導(dǎo)升帶高度的確定。

底板承壓水采動導(dǎo)升帶除與上述兩個因素有關(guān)外，更多受工作面開采工藝及生產(chǎn)方式等影響，通?？刹扇°@探和物探相結(jié)合的手段進行探測，也可結(jié)合理論分析及數(shù)值計算等方法進行預(yù)測。該礦21煤開采厚度較小，因此工作面回采動壓對煤層底板產(chǎn)生的擾動較小，同時承壓水上部泥巖和鋁土巖厚度達到16m，裂紋擴展不易，因此綜合考慮采動導(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算

通過理論計算和數(shù)值模擬綜合確定動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，則可計算隔水層厚度h2為33m，其余值根據(jù)工作面實際情況分別進行取值，Lx和Ly分別按250m和200m計，底板巖層容重γ按25kN/m3選取，抗剪強度τ0按8.0MPa取，泊松比μ按0.3取。在不考慮地質(zhì)構(gòu)造時，底板所能承受的極限水壓力按式（5）計算：

2.4 底板突水危險性評價

通過實測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煤首采工作面在開采時，底板有發(fā)生突水的危險。對于煤層底板突水危險性進行評價可選取突水系數(shù)作為評價指標，該值可由式（6）計算：

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。通常認為，底板在受地質(zhì)構(gòu)造破壞段突水系數(shù)未超過0.006MPa/m，正常開采區(qū)域突水系數(shù)未超過0.1MPa/m，滿足上兩個條件時，底板突水威脅性小，可進行帶壓開采。針對該礦首采面，突水系數(shù)為：

因此可知，該礦首采工作面進行帶壓開采時危險性極大，這也與前邊的理論分析計算結(jié)果相互吻合，上述分析都以完整底板為研究對象，若開采過程中遇到斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時，更容易引發(fā)突水事故的發(fā)生。因此在工作面開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安全技術(shù)措施，以保證工作面實現(xiàn)安全回采。

3 底板突水防治方法

對于煤礦井下防治水工程來說，除了要貫徹防治水十六字方針外，同時要結(jié)合本礦的生產(chǎn)實踐制定“防、堵、疏、排、截”等綜合防治措施，通常以來，針對礦井水害，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采方法。具體對于該礦而言，煤層下部奧灰水系灰?guī)r水壓力達到6.1MPa，該巖層不但厚度大，同時含水量很高，若采取疏水降壓措施，則從經(jīng)濟及技術(shù)上均不合理，改變該礦煤炭開采方式也不實際，綜合考慮采用注漿的方法來對底板進行加固，通過注漿加固實現(xiàn)“封堵裂隙、加厚底板”的作用，以防止突水事故的發(fā)生。

4 注漿堵水工程實踐及應(yīng)用效果分析

注漿材料選用價格低且膠結(jié)強度高的425#普通硅酸鹽水泥，為保證漿液流動性和膠結(jié)強度，將水灰比控制為1.8～1.2：1，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場情況按水源壓力的1.5～2.0倍選取。根據(jù)該礦以前的注漿加固實踐經(jīng)驗，漿液擴散半徑30m計，同時為了防止工作面兩側(cè)發(fā)生突水，注漿孔終孔位置超過兩條回采巷道50m，每條巷道布置16個注漿鉆場，除了位于工作面端頭的鉆場需布置8個鉆孔外，其余均布置4個鉆孔即可。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

通過底板注漿加固工程，將底板巖層中的裂隙封閉，相當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，減少了礦井降排水費用，使礦井突水問題得到很好地解決，實現(xiàn)了工作面安全高效回采。該項工程不僅為礦井帶來了經(jīng)濟效益，同時保護了地下水資源，為同類礦井承壓水下煤炭資源的高效開采利用提供了一定借鑒意義。