帶壓開(kāi)采工作面長(zhǎng)度對(duì)底板破壞深度的影響研究

郭 泉

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032300）

引言

我國(guó)很多煤礦資源分布在奧陶紀(jì)灰?guī)r或者是寒武系灰?guī)r地層條件下，整個(gè)地層結(jié)構(gòu)厚度較大，裂隙巖溶發(fā)育程度較高富水性能更好，同時(shí)水體補(bǔ)給更加充沛，水體壓力相對(duì)較高。在煤礦井下作業(yè)過(guò)程中，礦井的底板位置突水事故，經(jīng)常出現(xiàn)煤礦開(kāi)采工作完成之后，煤層底部的巖層原始的應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破壞和影響，并且在采空區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中情況。圍巖巷道底板位置的受力作用，會(huì)造成底板巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的裂縫情況，如果裂縫問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)張會(huì)造成隔水能力下降。

1 開(kāi)采工作面情況

某煤礦始建于20 世紀(jì)50 年代初，現(xiàn)核定煤礦開(kāi)采能力為330 萬(wàn)t/a，該煤礦開(kāi)采工作面二疊系下統(tǒng)山西組二煤斷層厚度平均在2 m 以上，每層傾角平均超過(guò)11°，整個(gè)煤礦開(kāi)采工作面橫向走向長(zhǎng)度為756 m，傾斜寬度大小為155 m，煤礦開(kāi)采深度超過(guò)1 000 m。該煤礦開(kāi)采工作面在工作過(guò)程中，承受寒武系灰?guī)r水體的最大壓力超過(guò)2.5 MPa，同時(shí)中間的隔水層作為砂質(zhì)泥巖層，防治工作面煤層底板的位置產(chǎn)生比較嚴(yán)重的脫水情況。因此，需要針對(duì)煤礦開(kāi)采工作面長(zhǎng)度，對(duì)于煤礦巷道底板破壞深度所產(chǎn)生的影響問(wèn)題進(jìn)行分析，有效保證整個(gè)煤礦開(kāi)采工作面的工作安全性和穩(wěn)定性。

2 煤礦巷道底板突水預(yù)測(cè)分析

根據(jù)該煤礦工作面地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件情況，對(duì)煤層底板位置的基礎(chǔ)受力情況，以及橫豎向應(yīng)力分布規(guī)律和傳播特點(diǎn)進(jìn)行深入研究和分析，并且有效結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，對(duì)巖體受力強(qiáng)度大小進(jìn)行計(jì)算和分析。

2.1 工作面底板巖體破壞深度分析

基于巷道底板破壞塑性理論，該煤礦開(kāi)采工作面底板位置區(qū)域，巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)成相對(duì)比較復(fù)雜，同時(shí)在受力結(jié)構(gòu)形式上多樣化，底板位置的基礎(chǔ)支撐壓力超過(guò)極限值條件下，巖體結(jié)構(gòu)當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)塑形變形問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)形成塑性受力區(qū)。當(dāng)支撐壓力達(dá)到部分巖體結(jié)構(gòu)完全破壞的最大荷載條件下，支撐壓力作用區(qū)域周?chē)膸r體塑性受力區(qū)域會(huì)逐漸形成集中受力區(qū)域，進(jìn)而造成采空區(qū)域底板位置會(huì)產(chǎn)生突起情況，已經(jīng)產(chǎn)生的塑性變形巖體會(huì)直接朝著采空區(qū)域方向進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而會(huì)形成一種連續(xù)性的滑動(dòng)面，此時(shí)滑動(dòng)面的底板位置巖體結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力影響程度最大[1]。

在煤礦開(kāi)采工作過(guò)程中，煤層底板位置的巖體結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生底部凸起情況，可以通過(guò)使用塑性區(qū)域受力發(fā)展過(guò)程來(lái)進(jìn)行解釋。在煤層開(kāi)采工作完成后采空區(qū)域的底板巖體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的支撐壓力作用，當(dāng)支撐壓力作用區(qū)域的受力，巖體應(yīng)力值超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)所形成的塑性變形量也會(huì)有所上升。因?yàn)?，開(kāi)采工作面當(dāng)中的巖體垂直方向上會(huì)受到一定的壓縮和影響，同時(shí)在水平方向上也會(huì)產(chǎn)生比較明顯的膨脹情況，膨脹的巖體會(huì)直接擠壓過(guò)渡區(qū)域，同時(shí)將用力直接傳輸?shù)郊形恢眠^(guò)渡區(qū)域的巖體條件，在受到外力強(qiáng)大作用條件下，整體的受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)有所下降，通過(guò)外部巖體結(jié)構(gòu)所形成的主動(dòng)區(qū)傳遞受力作用，在過(guò)渡區(qū)域和被動(dòng)區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)，會(huì)不斷朝著采空區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行膨脹。

2.2 正常開(kāi)采底板出水性預(yù)測(cè)工作分析

根據(jù)前期提供出的水文地質(zhì)資料情況，該開(kāi)采工作面寒武系灰?guī)r地質(zhì)條件部分水體承壓達(dá)到2.3 MPa 以上，同時(shí)基礎(chǔ)隔水層圍巖厚度為55 m，因?yàn)椴蓜?dòng)破壞問(wèn)題所造成的底板最大破壞深度超過(guò)11.5 m，因此底板的有效隔水層厚度大小為44.5 m。通過(guò)計(jì)算分析得出，本次開(kāi)采工作面底板位置隔水層，所能承受的最大突水極限壓力大小為3.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基礎(chǔ)含水層的水體承受壓力，因此在正常的綜采工作條件下，煤層的底板位置不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的出水情況，但是在斷裂構(gòu)造帶或者是寒武系灰?guī)r水高水頭的共同壓力作用條件下，底板位置的灰?guī)r水很有可能會(huì)直接經(jīng)過(guò)破碎帶，或者是隔水層比較薄的位置涌入大量的地下水，進(jìn)而會(huì)造成比較嚴(yán)重的脫水情況，對(duì)此本次煤礦開(kāi)采工作面，在正式回采工作之前需要采取必要的突水防治處理工作方法[2]，突水預(yù)測(cè)分析，如圖1 所示。

圖1 突水預(yù)測(cè)分析

2.3 底板突水防治工作策略

根據(jù)上述分析可以看出，煤礦綜采工作面承壓含水層的上部煤層底板位置出水會(huì)受到底板含水層的供水壓力、地質(zhì)構(gòu)造以及煤礦開(kāi)采工作面等多方面因素所產(chǎn)生的影響，因此在降低底板含水層的水體壓力，以及采動(dòng)工作對(duì)于底板的隔水層影響程度相對(duì)較大，因此可以采取以下幾種方式來(lái)進(jìn)行控制。

2.4 提高區(qū)域灰?guī)r水體疏放力度

在針對(duì)灰?guī)r水區(qū)域治理工作過(guò)程中，主要使用的是疏水將加控制工作方法，通過(guò)對(duì)煤層內(nèi)部的水體進(jìn)行大量疏散，保證水位控制在安全位置，并且對(duì)水體壓力進(jìn)行有效調(diào)整，保證處于安全的水體壓力以下，要保證突水系數(shù)控制在0.06 以下，有效保證整個(gè)開(kāi)采工作面的工作安全性和穩(wěn)定性。底板位置的含水層承受水體壓力過(guò)高，是造成底板含水層水體壓力提升的重要影響因素，水壓越高則含水層的導(dǎo)生破壞程度也就越大，因此在豎向底板含水層水體壓力過(guò)程中，可以對(duì)突水系數(shù)大小進(jìn)行有效控制，避免采動(dòng)工作過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的裂隙帶，造成底板水陳升高，防止產(chǎn)生比較嚴(yán)重的脫水問(wèn)題[3]。

可以通過(guò)采取物探方法和鉆探驗(yàn)證對(duì)局部位置進(jìn)行有效治理，除了可以進(jìn)行疏水降壓工作以外還需要保證先進(jìn)行物探工作，同時(shí)通過(guò)鉆探有效驗(yàn)證局部位置的治理工作效果。在本次煤礦開(kāi)采工作面實(shí)現(xiàn)完全貫通之后，通過(guò)使用順便電磁物探工作方法，對(duì)整個(gè)工作面的底板灰?guī)r富水情況進(jìn)行分析，同時(shí)還需要對(duì)探測(cè)區(qū)域的富水異常情況進(jìn)行鉆探和驗(yàn)證，對(duì)此本次物探工作過(guò)程中，相關(guān)工作人員對(duì)于該工作面展開(kāi)了順便電磁探測(cè)分析工作，總共設(shè)置出150 個(gè)物探點(diǎn)位，并且在回風(fēng)巷道當(dāng)中設(shè)置222 個(gè)物探點(diǎn)位，每一個(gè)物探點(diǎn)位可以探測(cè)2 個(gè)～3 個(gè)方向。

2.5 注漿加固改造底板位置隔水層的巖性條件

底板位置的隔水層強(qiáng)度大小和圍巖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)造，是影響底板突水問(wèn)題的重要影響因素，因此需要對(duì)底板位置的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面注漿加固處理，保證加固煤層底板構(gòu)成破碎帶區(qū)域，有效提高底板隔水層的厚度，同時(shí)降低礦壓和含水層的基礎(chǔ)壓力，避免對(duì)底板的隔水層圍巖結(jié)構(gòu)形成嚴(yán)重的破壞和影響。要保證綜采工作面開(kāi)采過(guò)程中，周?chē)牡V體壓力破壞程度與底板裂隙之間以及承壓水壓破壞裂隙之間不會(huì)形成直接連通，與此同時(shí)，通過(guò)采取注漿加固處理工的方法，可以進(jìn)一步填充底板基礎(chǔ)巖體結(jié)構(gòu)當(dāng)中產(chǎn)生的裂隙，以此來(lái)有效控制采動(dòng)水體壓力，對(duì)底板巖層結(jié)構(gòu)所形成的影響，避免出現(xiàn)更加嚴(yán)重的擴(kuò)展效應(yīng)，有效降低采動(dòng)工作過(guò)程中基礎(chǔ)巖層的破壞深度，避免水壓過(guò)高造成破壞性問(wèn)題[4]。

2.6 完善工作面的防排水系統(tǒng)和地質(zhì)巡查工作

根據(jù)該煤礦開(kāi)采工作面最大用水量大小進(jìn)行計(jì)算和分析，開(kāi)采工作單位通過(guò)在進(jìn)風(fēng)箱的位置設(shè)置出兩臺(tái)水泵，并且單臺(tái)水泵的排水能力控制在60 m3/h，同時(shí)使用4 寸的排水管，直接鋪設(shè)在回風(fēng)巷道的進(jìn)水口泵位置。在回采工作過(guò)程中必須要進(jìn)行加強(qiáng)回采區(qū)域水文地質(zhì)條件的周期性巡查工作，特別是針對(duì)工作面通過(guò)物探富水異常區(qū)域，以及斷裂構(gòu)造比較復(fù)雜的區(qū)域需要進(jìn)行更加詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查工作，如果發(fā)現(xiàn)其中出現(xiàn)比較嚴(yán)重的脫水問(wèn)題或者是已經(jīng)產(chǎn)生突水征兆，比如底板位置凸起、底板滲水等情況需要及時(shí)停止作業(yè)，采取相應(yīng)的控制措施來(lái)加以解決，有效保證回采工作面的工作安全性和穩(wěn)定性[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

在底板帶壓開(kāi)采的工作條件下，煤層的底板區(qū)域破壞性問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步加劇，因此必須要準(zhǔn)確的測(cè)定出煤礦開(kāi)采工作面底板采動(dòng)的破壞程度，是保證承壓水上采煤工作順利開(kāi)展的重要問(wèn)題之一。