馬蘭礦復(fù)雜構(gòu)造下工作面綜合防治水技術(shù)

胡美琳

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 概況

1.1 工作面情況

馬蘭礦18502 工作面主采8 號煤層，為石炭系太原組煤層，煤層傾角1°～21°，煤層厚度3.70～4.80 m，平均4.40 m，屬穩(wěn)定可采厚煤層，含1 層穩(wěn)定夾矸，厚度0.10～0.26 m，平均厚度0.15 m，普氏硬度1.5。煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 The structure of coal seam roof and floor

續(xù)表

18502 工作面位于南五下組煤采區(qū)左翼，工作面埋深426～483 m，走向長度1 192 m，傾向長度251 m。工作面北距18310 采空區(qū)97～146 m，南側(cè)實體間隔24.7 m 為18504 采空區(qū)，東側(cè)最小間距208.2 m（上部46 m 左右） 為南八南九膠帶機(jī)運(yùn)輸大巷，西側(cè)為實體煤。

1.2 水文地質(zhì)條件

（1） 含水層水。

直接頂L1 泥灰?guī)r（厚2.20 m） 及煤層上部17.77 m 左右的K2 灰?guī)r（厚2.68 m） 均為承壓裂隙巖溶含水層，局部含水豐富，工作面在回采過程中預(yù)計有滴水現(xiàn)象，遇構(gòu)造及裂隙發(fā)育頂板淋滴水增大，預(yù)計正常涌水量2～3 m3/h，最大涌水量15 m3/h?；夭善陂g頂板含水層水淋滴水隨回采出煤時帶走，對回采無影響。

（2） 奧灰水。

工作面所在區(qū)域奧灰水靜水位標(biāo)高950—962 m，工作面標(biāo)高845—903 m，回采段全部帶壓，8煤底板至奧灰頂界面間距78～82 m。

（3） 采空水。

工作面本煤層周邊分布有2 個采空區(qū)，分別為18310、18504 采空區(qū)，工作面上部2 號煤分布4個采空區(qū)，分別為12502、12108、12504、12506采空區(qū)。因采空區(qū)內(nèi)無補(bǔ)給水源，且采空區(qū)形成時間較長，老空區(qū)頂?shù)装逡阎睾蠅簩?，無蓄水條件，采空區(qū)內(nèi)未富存大量采空積水，因此回采不受采空積水影響。

1.3 工作面周邊構(gòu)造

根據(jù)鄰近工程、物探控制及巷道實際揭露，工作面共發(fā)育28 條斷層，落差0.2～3.5 m，其中F02、F07、F23、F24 斷層為巷道揭露并經(jīng)槽波、鉆探驗證控制，落差較大，在工作面內(nèi)延伸長度較長，對回采影響較大；其它斷層落差較小，對回采影響中等至較小。

陷落柱情況見表2。S91 陷落柱為2 號煤工程揭露控制，位于工作面內(nèi)部；根據(jù)鉆探資料分析，X2 三維勘探陷落柱范圍未見異常情況，分析為小型隱伏構(gòu)造發(fā)育影響所致。據(jù)該區(qū)鄰近工作面揭露情況分析，該區(qū)域陷落柱發(fā)育，回采中可能會有新的隱伏小型陷落柱揭露。

表2 陷落柱情況Table 2 The situation of collapse column

2 水文地質(zhì)勘查

2.1 奧灰含水層富水性探查

為分析奧灰含水層的水文地質(zhì)特征，通過在煤層底板開設(shè)水文觀測孔對其進(jìn)行長期觀測，得出奧灰含水層的單位涌水量為4.47～5.65 L/(s·m)，富水性較強(qiáng)。

采用瞬變電磁法對煤層底板奧灰含水層進(jìn)行綜合探查，得出南五下組煤采區(qū)的低電阻異常區(qū)主要分布在北部、西北部和東南部，且異常信號較強(qiáng)，分布范圍較大，反映出奧灰水的富水性較強(qiáng)且富水范圍較大。

2.2 構(gòu)造導(dǎo)水性探查

在采區(qū)內(nèi)選取一條同時穿過Fx1、F26 和DF3斷層的測線，采用大地音頻電磁法，探查構(gòu)造的導(dǎo)水性，探測結(jié)果如圖1所示。

圖1 斷層導(dǎo)水性探查剖面圖Fig.1 The profile of fault water conductivity exploration

由圖1可以看出，F(xiàn)26 斷層及DF3 斷層附近的視電阻率等值線起伏較大，分布不均勻，并且兩斷層處的8 號煤層與奧灰含水層之間響應(yīng)特征較為明顯，由此推斷F26 和DF3 斷層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性，而Fx1 斷層附近的視電阻率等值線分布均勻且平緩，推測其導(dǎo)水性相對較弱。

根據(jù)綜合探查結(jié)果，結(jié)合采區(qū)內(nèi)已查明構(gòu)造的導(dǎo)水性分析，綜合推斷出導(dǎo)水性較強(qiáng)的斷層有F07、F11、F15、F20、F26、DF3 級DF5，不具導(dǎo)水條件的斷層為F02、F24 及DF6，其余斷層及陷落柱S91、X2 的導(dǎo)水性較弱。

3 底板破壞規(guī)律模擬分析

3.1 建立模型

采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件并考慮流固耦合作用分析煤層底板的破壞規(guī)律，依據(jù)18502 工作面的實際賦存條件建立模型，模型尺寸長×寬×高=400 m×200 m×100 m，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加9.6 MPa 的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對模型兩側(cè)和底部進(jìn)行約束，奧灰含水層的四周及底板設(shè)定為水頭邊界，并根據(jù)水壓的垂直梯度生成孔隙水壓力，模擬流固耦合作用。煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表3，并以此進(jìn)行賦參。

表3 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical mechanics parameters of coal rock

3.2 模擬結(jié)果分析

煤層底板在采動應(yīng)力及奧灰承壓水的流固耦合作用下發(fā)生破壞，模擬中依據(jù)塑性破壞的底界面來確定煤層底板的破壞深度。模擬中每40 m 進(jìn)行循環(huán)開挖，共開挖360 m，底板破壞深度隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，工作面推進(jìn)初期，底板破壞深度持續(xù)增大，基本呈線性趨勢，工作面推進(jìn)至240 m后，底板的破壞深度不再變化，最大破壞深度為22 m。

圖2 煤層底板破壞情況Fig.2 The situation of coal seam floor damage

4 工作面突水分析及防治水措施

4.1 工作面突水性分析

由于18502 工作面為帶壓開采，且開采范圍內(nèi)存在多個構(gòu)造發(fā)育，為保證工作面的安全回采，需對其進(jìn)行突水危險性分析。

（1） 數(shù)值模擬得出18502 工作面底板最大破壞深度為22 m，奧灰隔水層的厚度為78～82 m，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》 中突水系數(shù)進(jìn)行評價，18502 工作面的突水性系數(shù)為0.025～0.043 MPa/m，接近于帶壓開采突水臨界值0.06 MPa/m，有一定的突水危險性。

（2） 工作面開采范圍內(nèi)存在10 個斷層，其中F07、F11、F15 斷層的導(dǎo)水性較強(qiáng)，受煤層頂板含水層影響，在斷層破壞帶附近的頂板裂隙發(fā)育處會有含水現(xiàn)象，揭露時涌水可能增大，對回采有一定影響。

4.2 工作面防治水措施

（1） 為防止斷層帶導(dǎo)水威脅工作面的安全生產(chǎn)，應(yīng)根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》留設(shè)構(gòu)造隔水煤柱，設(shè)計隔水煤柱寬度時，按照最危險的情況考慮，突水性系數(shù)取0.06 MPa/m，結(jié)合采區(qū)實際條件最終確定斷層隔水煤柱寬度為50 m。

（2） 由于奧灰含水層具有一定的突水危險性，因此考慮采用底板注漿加固隔水層的方式，保證工作面安全帶壓開采。注漿施工時，注漿孔采用三角形布置，并呈放射狀展開，孔深不低于15 m，孔間距不大于30 m，在富水異常區(qū)及斷層構(gòu)造處應(yīng)適當(dāng)加密注漿孔，保證工作面安全回采。

5 結(jié)論

（1） 通過綜合物探技術(shù)，對南五下組煤采區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行了勘查，發(fā)現(xiàn)奧灰含水層的富水性較強(qiáng)且范圍較大，采區(qū)內(nèi)存在7 條導(dǎo)水性較強(qiáng)的斷層。

（2） 通過流固耦合數(shù)值模擬得出18502 工作面帶壓開采時的底板最大破壞深度為22 m，結(jié)合突水系數(shù)評價，表明奧灰含水層有一定的突水危險性。

（3） 基于采區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，提出了設(shè)置斷層隔水煤柱及底板注漿加固的綜合防治水措施，保證了工作面安全帶壓開采。