矸石充填法在防治煤層底板突水中的應(yīng)用

蘇 亮

（同煤集團(tuán)地質(zhì)勘測(cè)處防治水科，山西 大同 037001）

焦家寨煤礦自建井以來(lái)，受古窯積水以及各含水層的影響，在對(duì)煤層開(kāi)采時(shí)，由于古窯位置以及范圍的不好確定，導(dǎo)致探放水工作量很大，如果不能及時(shí)將積水排出， 工作面與含水層形成導(dǎo)水通道，會(huì)引發(fā)突水事故[1]。 隨著開(kāi)采深度的不斷增加，煤層環(huán)境的惡化、水文地質(zhì)情況的變化以及裂隙水導(dǎo)水通道等都加劇了底板突水的危險(xiǎn)。 因此，要對(duì)底板突水進(jìn)行提前預(yù)防，以保障回采的安全性。

1 水文地質(zhì)概況

1.1 水文概況

焦家寨煤礦現(xiàn)開(kāi)采的5#煤層，直接含水層主要來(lái)自裂隙導(dǎo)水，單位涌水量在0.005 54～0.042 1 L/s·m，含水層的富水性各不相同，在煤層采空后，塌陷裂隙和地表水溝通， 煤層的間接含水層的水源主要來(lái)自?shī)W灰?guī)r層裂隙含水層。 奧灰?guī)r層的水位標(biāo)高是+1 148～+1 224 m，在靜止時(shí)的水位是+1 162.82 m，目前開(kāi)采的煤層水平標(biāo)高是+1 010 m。 奧灰頂面距離5#煤層的平均厚度是48.78 m，奧灰?guī)r層裂隙水的水壓高，涌水量大，當(dāng)構(gòu)造破壞了頂部隔水層的隔水性能后，使隔水層的隔水能力減弱，容易造成煤層底板出水，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大的威脅，礦區(qū)的水文情況較為復(fù)雜。

1.2 地質(zhì)概況

焦家寨煤礦煤層走向是東北向， 傾向是西北向，煤層傾角10°。 其中2#煤層的直接頂是砂質(zhì)頁(yè)巖， 底板是深灰色中細(xì)砂巖， 煤層厚度4.10～8.30 m，平均厚度5.71 m。5#煤層距2#煤層的層間距10.94～42.92 m，5#煤層厚度5.10～22.15 m，平均厚度12.34 m； 直接頂是灰黑色砂巖， 裂隙發(fā)育，破碎嚴(yán)重，局部有化石碎片；頂板的垮落步距是4～5 m，抗壓強(qiáng)度是38.3 MPa，容易冒落。 5#煤層底板是中粒砂巖，呈膠結(jié)狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度是38.0 MPa，在構(gòu)造應(yīng)力下，容易出現(xiàn)彎曲變形，使底板凹凸不平[2]。

2 底板突水情況

2.1 突水因素分析

造成煤層底板突水的主要因素有來(lái)自構(gòu)造和采動(dòng)兩個(gè)方面的裂隙導(dǎo)水[3]。

針對(duì)構(gòu)造裂隙導(dǎo)水，礦區(qū)內(nèi)落差大于3 m 的大中型斷層約67 條，多是高角度的正斷層，斷層帶多用泥巖充填且斷裂面具有隔水的作用，一般導(dǎo)水性比較差。 例如，本礦區(qū)的F 斷層，落差是30.90 m，斷層帶寬是5.7 m，斷層兩側(cè)的水位差是75.91 m，認(rèn)為在礦區(qū)內(nèi)該斷層相對(duì)是隔水的。 落差小于3 m的小斷層約260 條，多是層間斷層，且部分?jǐn)鄬优c含水層相連接，使斷層帶具有導(dǎo)水性。

針對(duì)采動(dòng)裂隙導(dǎo)水，5#煤層在回采后， 頂板的冒落裂隙與2#煤層的裂隙連通， 且裂隙帶均導(dǎo)水，使裂隙水沿冒落帶裂隙流入采空區(qū)中。 根據(jù)焦家寨煤礦的水文地質(zhì)條件以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采煤時(shí)對(duì)煤層底板的破壞深度達(dá)12 m，5#煤層開(kāi)采時(shí)裂隙貫通使得涌水通道發(fā)育愈發(fā)容易，在超前壓力的作用下，底板產(chǎn)生裂隙約2.3 m，奧灰承壓水沿裂隙在隔水層內(nèi)形成潛水帶，底板破裂后會(huì)出現(xiàn)突水事故。

2.2 突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，突水系數(shù)可以表示為：

式中：TS為突水系數(shù)，P 為隔水層的水壓，M 為隔水層的厚度，CP為開(kāi)采對(duì)隔水層的破壞厚度， 本次試驗(yàn)選擇12 m。

隔水層的水壓一般與工作面的斜長(zhǎng)、開(kāi)采深度以及底板巖性有關(guān)，隔水層的厚度就是自然狀態(tài)下巖柱的等效厚度。 底板受構(gòu)造破壞的突水系數(shù)一般要求要小于0.06，正常塊段的突水系數(shù)一般要小于0.15。 根據(jù)礦區(qū)的相關(guān)鉆孔資料，計(jì)算出開(kāi)采煤層的突水系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)采煤層突水系數(shù)

根據(jù)突水系數(shù)表，得到5#煤層的底板突水系數(shù)等值線見(jiàn)圖1。

圖1 5#煤層底板突水系數(shù)等值線

從圖中可以看出，開(kāi)采的5#煤層西北部分底板突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，是開(kāi)采的危險(xiǎn)區(qū)域，危險(xiǎn)程度較高， 且+1 010 水平已達(dá)到臨界突水的邊界，出現(xiàn)底板突水的可能性極大，而且在復(fù)雜構(gòu)造及裂隙發(fā)育的地方也會(huì)出現(xiàn)底板突水，威脅到礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

3 矸石充填技術(shù)

3.1 矸石充填工藝

在進(jìn)行回采時(shí)，奧灰?guī)r層裂隙水受采動(dòng)影響沿?cái)嗔褬?gòu)造進(jìn)入采動(dòng)空間，造成底板突水，采用矸石充填技術(shù)解決承壓水上開(kāi)采問(wèn)題，有效控制底板破壞程度，降低導(dǎo)水裂隙帶的高度，使含水層不受破壞，以此來(lái)預(yù)防底板突水事故。 矸石充填的具體工藝如下：

（1）對(duì)5#煤層回采過(guò)程中，在工作面的上順槽距回風(fēng)巷10 m 設(shè)置矸石倉(cāng)， 充填順序是矸石倉(cāng)—溜矸道運(yùn)輸機(jī)—吊掛皮帶機(jī)—運(yùn)矸溜子—拋?lái)菲C(jī)—工作面溜槽自溜進(jìn)行充填。

（2）采用自下而上的壘砌方式，以煤層的夾矸和冒落的矸石為填充物，在壘砌時(shí)，要搭配大小矸石，確保充填嚴(yán)實(shí)沒(méi)有間隙；充填帶的間距小于底板垮落步距，沿著工作面的走向每隔4 m 布置矸石充填帶。 在工作面的中部選擇預(yù)制的鋼筋水泥砌塊進(jìn)行填充，確保頂板在走向和傾向方向上都不會(huì)出現(xiàn)裂縫。 填充帶的寬度一般是采高的2 倍，確定矸石充填帶的寬度為6 m；在傾角大于10°時(shí)，在充填帶的下方每隔0.5 m 安放止動(dòng)木柱，防止倒塌。

（3）將充矸溜槽鋪設(shè)在空排支柱內(nèi)，溜槽與溜槽之間用鐵絲固定，溜槽的底部用梯子抬高，便于拋?lái)纷鳂I(yè)，梯子長(zhǎng)度要大于3 m，將出矸口固定在空排支柱的手把上，防止梯子被砸歪。

（4）在溜矸的過(guò)程中，如果出現(xiàn)溜槽脫節(jié)現(xiàn)象，要立刻停止機(jī)器運(yùn)行，關(guān)閉拋?lái)菲У拈_(kāi)關(guān)，在脫節(jié)點(diǎn)上設(shè)置擋矸卡，用板皮封閉擋卡，并將脫節(jié)的溜槽重新連接。

對(duì)焦家寨煤礦設(shè)計(jì)的矸石充填系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 矸石充填工作面布置

3.2 應(yīng)用效果分析

使用矸石充填技術(shù)可以很好地解決工作面安全回采問(wèn)題。 矸石的輸送比較方便，矸石充填帶也比較容易成型，可以最大程度保護(hù)底板不受破壞，且充填材料是就地選取，以煤矸石作為骨架，配有鋼筋水泥進(jìn)行內(nèi)部充填，既保證充填體的強(qiáng)度，也很好地解決了矸石的排放。 對(duì)該礦實(shí)施矸石充填技術(shù)，充填施工見(jiàn)圖3， 經(jīng)測(cè)量頂?shù)装宓囊平考s384 mm/m，頂板的下沉量約247 mm/m， 減少了回采時(shí)對(duì)工作面底板造成的破壞，降低了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)對(duì)成本進(jìn)行核算，計(jì)算出每噸煤可節(jié)約開(kāi)采成本6.5 元/ 噸，大大降低了開(kāi)采的成本， 減少了處理排水的工作量。 經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，認(rèn)為矸石充填技術(shù)是可行的。

圖3 矸石充填施工

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)焦家寨煤礦5#煤層在回采過(guò)程中出現(xiàn)的底板突水問(wèn)題，采用矸石充填技術(shù)，得到結(jié)果如下：

1）5#煤層礦區(qū)內(nèi)落差小于3 m 的260 條小斷層與含水層相連接，頂板的冒落裂隙與2#煤層的裂隙連通， 使裂隙水沿冒落帶裂隙流入采空區(qū)中，對(duì)煤層底板的破壞深度達(dá)12 m， 底板產(chǎn)生裂隙高度約2.3 m，奧灰水沿裂隙形成潛水帶，造成突水事故。

2）5#煤層的底板突水系數(shù)在西北部分大于0.06 MPa/m，是開(kāi)采的危險(xiǎn)區(qū)域。

3）采用矸石充填開(kāi)采技術(shù)后，頂?shù)装宓囊平考s384 mm/m，頂板的下沉量約247 mm/m，減少了回采時(shí)對(duì)工作面底板造成的破壞，降低了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)， 同時(shí)每噸煤可節(jié)約開(kāi)采成本6.5 元/ 噸，降低了開(kāi)采的成本，減少了處理排水的工作量。