西卓煤礦首采工作面底板水害超前區(qū)域治理分析

薛小勇，南晶晶，胡曉亮，王興明

（1.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安）

引言

承壓水上采煤底板突水是我國礦井主要的水文工程地質問題，嚴重影響煤礦的安全生產，有效遏制礦井突水事故的發(fā)生，一直是煤礦工業(yè)急需解決的難題[1]。由于大部分埋深淺的煤炭資源已經接近枯竭，導致煤炭開采深度逐年增加，煤礦底板突水問題變得愈發(fā)嚴重[2]。

2011 年，中煤科工西安研究院（集團）有限公司首次將水平定向鉆技術引入到煤層底板水害超前注漿治理中[3]。超前區(qū)域治理理念在邯邢、兩淮、黃河北等煤田煤層底板水害治理中大面積推廣應用，并迅速發(fā)展到斷層、陷落柱等導水構造治理，形成了集超前區(qū)域探查與面狀治理于一體的煤層底板水害超前區(qū)域治理技術[4-7]。但在工程實踐中，普遍面臨水平定向鉆孔漿液運移規(guī)律不明、鉆遇隱伏導水通道判識與治理難度高等問題[8]。

因此，筆者以西卓煤礦為研究背景，針對1509 工作面受底板水害威脅嚴重的問題，分別采用經驗公式法和數(shù)值模擬法對采場底板破壞深度進行計算分析，確定了以K2下含水層為目標層位進行底板水害超前區(qū)域治理。研究方法為渭北地區(qū)煤層底板水害治理提供了新參考。

1 工程概況

西卓煤礦位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田澄合礦區(qū)中深部，礦井設計主采煤層為4 號煤、5 號煤，其中4 號煤平均厚度為1.32 m，5 號煤平均厚度為4.90 m，煤層平均埋深550 m，礦井設計可采儲量為187.69 Mt。首盤區(qū)5 號煤的回采方法為一次采全高，全部垮落法管理頂板。礦井水文地質類型為“復雜”型。1509工作面位于井田西南部，為5 煤首采工作面，工作面煤層底板標高為+168～+191 m，傾角0°～8°。

2 采場底板破壞深度分析

采場底板由于受到工作面回采過程中采動的影響而發(fā)生一定范圍的變形破壞，使得底板有效隔水帶厚度減小，當承壓水壓力過大時，采場底板承壓導升帶與破壞帶相連容易引發(fā)礦井突水事故[10]。因此，準確預測承壓水上采場底板最大破壞深度是預防煤礦底板突水的一個重要環(huán)節(jié)。

2.1 經驗公式預測底板破壞深度

澄合礦區(qū)內礦井針對煤層底板破壞深度開展了大量的實測工作，總結出了澄合礦區(qū)底板破壞深度計算經驗公式[9]。

式中：H- 煤層埋深，m；Lx- 工作面傾向長度，m；α- 煤層傾角，°。

根據(jù)西卓煤礦1509 工作面礦壓規(guī)律、圍巖特性等條件。取相關力學參數(shù)：煤層埋深H=550 m；工作面傾向長度Lx=240 m；煤層傾角α=3°。將以上各參數(shù)代入到公式中可以得到西卓煤礦1509 工作面底板破壞深度為17.94 m。

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 模型建立 FLAC3D軟件在計算分析過程中使得所建模型的每個網格單元在給定的邊界條件下遵循規(guī)定的線性或非線性本構關系模型。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對西卓煤礦1509 工作面底板破壞特征進行數(shù)值計算分析。模型設計為300 m(X 軸)×100 m(Y 軸)×120 m(Z 軸)，采用Mohr-Coulomb 模型，開啟大應變模式。模型上表面采用應力邊界條件，上表面按上覆巖層的自重計算，施加相對應的垂直應力12.65 MPa，水平應力13.92 MPa。煤層頂?shù)装鍘r性及力學參數(shù)以井田勘探孔數(shù)據(jù)為準。

2.2.2 結果分析 隨著工作面的推進，原巖應力平衡狀態(tài)被打破，底板發(fā)生塑性破壞變形。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件可以分析得到西卓煤礦1509 工作面回采過程中采場底板巖體破壞特征。

根據(jù)數(shù)值模擬結果分析，數(shù)值模擬得到采場底板在靠近工作面邊緣彈塑性交界處破壞深度最大，達到16.8 m，破壞形式主要為剪切破壞。位于采空區(qū)卸壓區(qū)段，采場底板破壞深度較小，破壞形式主要為剪切破壞及拉伸破壞。

綜上分析可得，通過經驗公式計算的西卓煤礦1509 工作面底板破壞深度為17.94 m；通過數(shù)值模擬計算的結果為16.8 m。兩者結果比較接近，絕對誤差為1.14 m，相對誤差為6.35%。因此，為了安全起見，取底板破壞深度為17.94 m。

3 底板水害超前區(qū)域治理分析

3.1 治理必要性分析

西卓煤礦1509 工作面主要受底板K2和奧灰含水層的威脅。K2灰?guī)r含水層發(fā)育較穩(wěn)定，一般厚度8 m，分K2上層和K2下層。煤層底板距離K2含水層頂面一般為17～19 m。K2含水層裂隙發(fā)育，富水性較強，接受下部強富水奧灰垂向和側向補給，且上層位于底板破壞深度范圍內，為工作面直接充水水源，對工作面回采威脅較大。通過對底板K2下含水層進行注漿改造，探查含水層裂隙及垂向導水通道，注漿加固底板隔水層薄弱帶，切斷奧灰垂向補給，實現(xiàn)工作面的安全回采。

3.2 鉆探工程

3.2.1 鉆孔布設 本次采用梳狀和扇骨狀布孔為主，總體布設3 個孔組，孔間距設計為60 m，底板水害超前區(qū)域治理鉆孔布設平面如圖1 所示。

圖1 區(qū)域鉆孔布設平面圖

3.2.2 鉆探工藝 地面定向鉆孔結構為：一開孔徑φ311.15 mm，一開套管為φ244.5×8.94 mm，進入基巖層10 m 后一開完鉆。二開孔徑φ215.9 mm，二開套管為φ177.8×8.04 mm，二開完鉆要求進入目標K2下含水層頂面以下2 m。三開孔徑為φ152.4 mm，裸眼完鉆。

在施工過程中，通過巖屑、鉆時、鉆井液錄井，對整個鉆進過程實時監(jiān)按，通過多源信息對比，對鉆孔軌跡進行及時調整，有效保障鉆孔穿層率。

3.3 注漿工程

3.3.1 注漿工藝 注漿采用分段下行式注漿法，連續(xù)與間歇相結合。鉆進過程中當漏失量大于5 m3/h 時或者在不漏失的情況下鉆進200 m，立即起鉆注漿。本次選用純水泥漿液注漿，漿液比重取1.1～1.5，鉆遇大型導水通道時，可根據(jù)情況增加粉煤灰或灌注骨料。

3.3.2 注漿壓力 不同注漿壓力直接反映地層中裂隙發(fā)育情況，西卓煤礦1509 首采工作面底板薄層灰?guī)r注漿鉆孔終孔孔壓設計10～12 MPa。本次選取D1主孔第六次注漿數(shù)據(jù)（圖2）進行分析。

圖2 區(qū)域治理D1 主孔第六次注漿曲線圖

通過分析可以看出，在整體注漿過程中，注漿孔口“起壓”后，注漿鉆孔壓力呈現(xiàn)“階梯式”遞增趨勢，先后經歷“微壓充填- 低壓擴散- 中壓加固- 高壓劈裂”4 個階段。

（1） 微壓充填階段。注漿孔口壓力為0，注漿目的層發(fā)育較大原始裂隙，地層可注性極強，漿液主要對含水層的天然裂隙進行充填加固。

（2） 低壓擴散階段。注漿孔口壓力閾值為0～4 MPa，注漿目的層原始裂隙發(fā)育良好或裂隙已經部分充填，地層可注性較好。隨著壓力不斷提升，原地層裂隙再次擴展，漿液的擴散距離逐漸增大，對灰?guī)r含水層進行注漿加固或改造。

（3） 中壓加固階段。注漿孔口壓力閾值為4～8 MPa，注漿目的層原始發(fā)育裂隙基本充填，地層可注性一般，并且隨著注漿孔口壓力的持續(xù)上升，灰?guī)r含水層進一步被加固，改造形成隔水層。

（4） 高壓劈裂階段。注漿孔口壓力大于8 MPa，注漿目的層裂隙完全充填，灰?guī)r含水層內發(fā)生劈裂，并形成新的充填裂縫。隨著壓力上升，充填變得密實，原始裂隙和劈裂作用形成的新裂隙已經達到較充分的擴散和充填。

3.4 區(qū)域治理結果分析

西卓煤礦1509 工作面底板水害超前區(qū)域治理工程D1、D2、D8 孔組累計鉆探進尺19 971.98 m；累計注漿量24 799.05 t。

D1 孔組共發(fā)生漏失12 次，注漿24 次，累計注水泥9 418 t，其中含粉煤灰22 t，平均單米注漿量1.74 t。D2孔組共發(fā)生漏失6 次，注漿30 次，注水泥5 561 t，其中含粉煤灰155 t，平均單米注漿量0.81 t。D8 孔組共發(fā)生漏失15 次，注漿47 次，注水泥9 997.05 t，其中含粉煤灰40.05 t，平均單米注漿量1.85 t。

4 治理效果檢驗

根據(jù)《煤礦防治水細則》要求，西卓煤礦1509 工作面采前開展了兩次音頻電透視探測。音頻探測結果圈定出2 個探測異常區(qū)，1 號異常區(qū)在底板下17～25 m 深度有發(fā)育，推測為底板K2灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育相對富水所致；2 號異常區(qū)在底板48 m 以下深度有發(fā)育，呈條帶狀分布在工作面內部，推測為底板奧灰?guī)r溶裂隙發(fā)育并富水所致。根據(jù)音頻電透視探測結果，對富水異常區(qū)進行了鉆探驗證和補充治理。累計完成鉆孔21 個，鉆探進尺2 139 m，注水泥151.95 t。

綜上，西卓煤礦1509 工作面通過地面定向鉆探技術實現(xiàn)了底板水害超前區(qū)域治理，并在工作面回采前同時采用物探、鉆探方法進行了效果驗證，達到了《煤礦防治水細則》要求。

5 結論

（1） 筆者分別采用經驗公式預測法和數(shù)值模擬計算法對西卓煤礦1509 工作面底板破壞深度進行分析。兩者結果比較接近，絕對誤差為1.14 m，相對誤差為6.35%。為安全起見，取底板破壞深度為17.94 m。（2） 通過對礦井地質及水文地質進行分析，并結合底板破壞深度，確定底板水害超前區(qū)域治理目的層位為含水層。底板水害超前區(qū)域治理工程總體布設3 個孔組，累計鉆探進尺19 971.98 m，注漿量24

799.05 t。在整體注漿過程中，注漿孔口壓力呈現(xiàn)“階梯式”遞增趨勢，先后經歷“微壓充填- 低壓擴散- 中壓加固- 高壓劈裂”4 個階段。（3） 西卓煤礦1509 工作面通過地面定向鉆探技術實現(xiàn)了底板水害超前區(qū)域治理，并在工作面回采前同時采用物探、鉆探方法進行了效果驗證，達到了《煤礦防治水細則》要求，工作面可以進行安全回采。