龐龐塔礦9-301工作面底板突水危險性分析及防治

陳為盛

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司 龐龐塔礦，山西 臨縣 033200)

龐龐塔礦隸屬霍州煤電集團，位于山西省臨縣境內(nèi)，該礦9#煤層3采區(qū)9-301工作面長度為110 m，煤厚為11.8 m，煤層平均傾角為24°，傾向為東西方向，煤層直接頂?shù)装宸謩e為5～7 m的泥質(zhì)灰?guī)r和1～2 m的泥巖，頂板裂隙發(fā)育程度低，底板遇水無膨脹軟化現(xiàn)象。底板含水層為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組，單位涌水量為0.851 L/s·m，而底板距含水層的距離即隔水層為55 m，巖性為泥巖類，隔水性能較好。但9-301工作面內(nèi)存在斷層構(gòu)造，在掘進過程中揭露9條，尤其是位于9-3011巷27#前17 m的F393正斷層對回采影響較大，該斷層傾向190°，傾角75°，落差4 m. 斷層在回采的影響下可能會活化形成導水裂隙帶引發(fā)突水。因此，需要對工作面回采進行相關(guān)計算模擬，保證工作面的安全回采。

1 突水危險性分析

1.1 突水系數(shù)計算

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料可知，3采區(qū)奧灰水位在+800～+825 m，而工作面標高在+703～+851 m，由此可以看出該工作面部分區(qū)域在奧灰水位之下，水壓最大為1.77 MPa. 9#煤層與奧灰水之間隔水層厚度約為55 m，根據(jù)2018版《煤礦防治水細則》中突水系數(shù)計算公式T=P/M，式中P代表奧灰水壓，M代表隔水層厚度，計算得到該工作面突水系數(shù)為0.032 MPa/m.

2018版《煤礦防治水細則》規(guī)定：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m，可以帶壓開采。由此可以得出該工作面為帶壓開采，但不能確定斷層對回采期間影響情況，為此需對該工作面進行數(shù)值模擬。

1.2 數(shù)值模擬

為了探究9-301工作面開采過程中底板突水危險性以及可能發(fā)生的底板破壞情況，采用FLAC3D軟件進行開采模擬。模擬采用本構(gòu)模型，采用空間三維直角坐標系，上下左右邊界均施加自由約束，上部載荷為15 MPa，底部水壓采用實際水壓1.77 MPa，模型整體尺寸為300 m×200 m×110 m，斷層所在坐標為X=120 m，建立模型見圖1,相關(guān)力學參數(shù)見表1.

圖1 模型圖

表1 模型力學參數(shù)表

1.3 計算設(shè)置及結(jié)果分析

該次模擬主要是對回采期間工作面巷道垂直方向受力情況進行分析，得出斷層對回采的影響。模擬過程初次開挖為20 m，隨后每隔30 m進行記錄。斷層對巷道的影響大小用底板垂直應(yīng)力大小進行評判，該方法是通過有限元計算得出每一點應(yīng)力大小，并根據(jù)其狀態(tài)判斷該處是否發(fā)生破壞。為了得出其應(yīng)力分布規(guī)律，選擇在巷道頂板上方30 m和底板下方30 m之間布置測點，對應(yīng)力進行記錄。

開挖前模型進行迭代模擬，不同開挖步距垂直應(yīng)力圖見圖2，從圖2可以看出：煤層剛開始推進時對巖層的擾動較大，在斷層附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，豎向應(yīng)力最大值為15.8 MPa. 當工作面推進20 m時，推進兩端豎向應(yīng)力為9～13 MPa，在斷層面上有較大的應(yīng)力集中，產(chǎn)生導水裂隙，形成薄弱面。推進50 m時，巖層應(yīng)力趨于穩(wěn)定，推進兩端豎向應(yīng)力為12～14.6 MPa；推進80 m時，巖層應(yīng)力穩(wěn)定，推進兩端豎向應(yīng)力為14～17.4 MPa；推進110 m時，推進兩端豎向應(yīng)力為15～18 MPa. 由此可見，隨著開采的逐步推進，豎向應(yīng)力最大值始終位于已采煤層的兩端，且距離斷層越近豎向應(yīng)力越大。

圖2 不同開挖步距垂直應(yīng)力圖

1.4 采動后位移分析

該次模擬從采動后巷道位移變化情況進行分析，記錄不同開挖步距下巷道位移變化情況，得出位移變化云圖，見圖3.

圖3 巷道底板破壞位移云圖

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，煤層開采后巖體受到采動礦壓發(fā)生剪切破壞，原巖應(yīng)力被破壞；推進20 m后，底板塑性破壞深度達到4.7 m，底板位移變化量為1.83 cm，表明此階段回采產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度較低；在推進50 m之后，底板破壞深度增長迅速，表明此階段內(nèi)應(yīng)力集中化程度迅速提高，破壞深度達到了13.4 m；在推進80 m后，底板破壞深度增長速度變緩，但其破壞深度也增長至19.6 m；在推進110 m后，底板破壞深度增長至峰值為23.2 m，從上述數(shù)據(jù)可以看出底板在回采及斷層帶影響下產(chǎn)生裂隙，最大深度為23.21 m，對工作面安全回采造成了影響。

模擬結(jié)果表明，在工作面掘進過程中，逐漸靠近斷層，巷道垂直應(yīng)力的增大，應(yīng)力區(qū)域也隨著開采的進行而擴大，整個過程中9301工作面內(nèi)垂直應(yīng)力波動較大，且工作面前方應(yīng)力不斷集中；工作面回采以及斷層的存在導致底板產(chǎn)生裂隙帶，當回采至110 m附近時，距離斷層最近，底板破壞范圍達到峰值。因此，在工作面開采的過程當中，要加強煤層底板的抗壓強度，避免底板破壞范圍增大。

2 防治方案選擇

2.1 底板注漿

通常防治水治理措施有疏水降壓和對底板進行改造，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件以及相關(guān)經(jīng)驗可知，對底板奧灰水進行疏水降壓在經(jīng)濟和技術(shù)上難以實現(xiàn)，采用底板注漿方案對該工作面進行注漿支護，底板可以分為底板破壞層、加固層以及改造層，通過打鉆孔對改造層進行注漿，并形成加固層，最終保證底板破壞層的穩(wěn)定，底板注漿加固支護圖見圖4.

圖4 底板注漿示意圖

2.2 工程實踐

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)工作面推進過程中底板破壞深度在110 m左右達到峰值23.21 m，為了保障注漿的有效性，注漿終孔層位設(shè)置在煤層底板下方30 m即鋁土質(zhì)泥巖層位。對9-301工作面進行注漿改造，為使注漿漿液在改造區(qū)內(nèi)均勻分布，對導水裂隙進行有效封堵，鉆孔布置采用網(wǎng)格法。在該工作面運輸順槽布置16個鉆場，回風順槽布置了14個鉆場，左右間距為58 m，上下間距為33 m，共計30個，最終布置鉆孔為210個，注漿壓力為15 MPa，注漿材料選用水泥和粉煤灰，根據(jù)模擬結(jié)果，確定注漿漿液擴散半徑為25～30 m，注漿鉆孔d75 mm，每個鉆孔下布置二級套管，終孔在鋁土質(zhì)泥巖層位，底板隔水層注漿加固共施工鉆孔3 153 m，共注水泥漿2 000余t，粉煤灰等3 000余t，鉆孔布置見圖5，其中工作面底板柱狀圖見圖6.

圖5 底板注漿加固鉆孔布置示意圖

圖6 工作面底板柱狀圖

2.3 鉆探驗證

施工完成后采用鉆探進行驗證，交叉布置在9-301工作面風巷以及運輸巷，共布置5個45 m深的驗證鉆孔，檢驗期間對涌水量進行了統(tǒng)計，1#檢驗鉆孔涌水量1.7 m3/h，2#檢驗鉆孔涌水量3.3 m3/h，3#檢驗鉆孔涌水量3.5 m3/h，4#檢驗鉆孔涌水量4.1 m3/h，5#檢驗鉆孔涌水量6.9 m3/h.

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，檢驗鉆孔最大涌水量為6.9 m3/h，各個鉆孔涌水量均小于10 m3/h，說明底板注漿加固可以有效地加強底板隔水性能，保證安全回采。

3 總 結(jié)

1) 龐龐塔礦9-301工作面采區(qū)奧灰水水位標高+800～+825 m，工作面最低標高為+703 m，經(jīng)計算得出其突水系數(shù)為0.032 MPa/m，為帶壓開采。

2) 模擬結(jié)果表明，工作面回采導致了底板應(yīng)力的不斷增大，且工作面前方應(yīng)力不斷集中，造成了前方底板的破壞，當回采至110 m附近時，距離斷層最近，底板塑性破壞深度達到峰值。

3) 采用底板注漿加固方案，底板隔水層注漿加固共施工鉆孔3 153 m，經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)各個驗證鉆孔涌水量均小于10 m3/h，保證了工作面的安全回采。