帶壓開采煤層底板破壞深度及承壓水防治研究

古 君 張 衡

（駐馬店市吳桂橋煤礦集團有限公司）

我國主要的聚煤期及含煤地層眾多，造成煤炭資源賦存環(huán)境多變和水文地質(zhì)條件復(fù)雜［1］。長期以來，我國眾多煤炭科技工作者對底板突水問題進行了系統(tǒng)性的研究。代表性成果有突水系數(shù)法［2］、下三帶理論［3］、原位張裂理論［4］、薄板理論［5］和底板關(guān)鍵層理論［6］等。這些成果從不同角度研究了底板突水，對煤礦底板突水防治起到了積極的指導(dǎo)作用。

在承壓水上采煤，由于受采掘的各種外力（放炮、機械開挖、應(yīng)力釋放的張力）及承壓水的作用，改變了工作面附近煤巖體的原巖應(yīng)力場，這將導(dǎo)致煤巖層中裂隙開度的變化，從而引起煤巖體滲透性質(zhì)的變化。承壓含水層上部采煤的關(guān)鍵問題之一，是確定采動礦壓所引起的底板巖層破壞深度。

華北型的石炭二疊紀(jì)煤田煤系底部奧陶系及太原群巖溶含水層富水性強，水壓高，隔水層薄，水害事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全。本文以某煤礦帶壓開采工作面為背景，基于具體的開采技術(shù)條件，通過理論研究分析，掌握受采動影響的煤層底板破壞深度，并提出針對性的底板加固注漿的防治技術(shù)措施，實現(xiàn)承壓水上安全開采。

1 工作面開采條件

1.1 煤層及頂?shù)装鍘r層

某煤礦13203F 工作面位于礦井南翼132 采區(qū)，工作面東部為13203 采空區(qū)，南部為13205F 泄水巷，北部為11207 采空區(qū)。井下標(biāo)高為-345～-316 m，對應(yīng)地表標(biāo)高為+72.0～+72.4 m。工作面主采煤層為二22煤層，煤層傾角為6°～11°，煤層厚度為2.5～5.5 m、平均煤厚3.5 m，工作面為單斜構(gòu)造，煤層南高北低，直接頂為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，塊狀，含植物化石和黃鐵礦結(jié)核，平均厚度為6.4 m；基本頂為中粒砂巖，深灰色，塊狀，含較多的植物化石和煤屑，平均厚度為8.5 m；直接底為泥巖（局部正長斑巖侵入），灰色，塊狀，中間夾有鋁質(zhì)泥巖，厚度為3.9～5.3 m，老底為塊狀正長斑巖，厚度為2.4～4.5 m。根據(jù)該區(qū)地質(zhì)資料，工作面下巷向前128 m 處為DF2斷層尖滅端，該斷層由三維地震勘探控制，走向323°，傾角70°，落差10.0 m。

二22煤層平均地溫23 ℃，無沖擊地壓，相對瓦斯涌出量為0.63 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.22 m3/min，煤層具有爆炸危險性，自燃發(fā)火等級屬Ⅲ類，不易自燃。

1.2 水文地質(zhì)情況

影響13203F 工作面開采的主要含水層有二22煤層頂板砂巖裂隙含水層、煤層底板石炭系太原組灰?guī)r承壓含水層和奧陶系灰?guī)r承壓含水層。

砂巖裂隙含水層為煤層頂板直接充水含水層，由砂質(zhì)泥巖組成，平均厚度6.39 m，裂隙不發(fā)育，該含水層普遍富水性較弱。太原組灰?guī)r一般致密完整，裂隙不發(fā)育，且常被方解石脈充填，平均厚45.06 m，屬富水性中等的巖溶裂隙承壓水。工作面太原組灰?guī)r共發(fā)育2～6 層，其中主要為2 層，上層為L6 灰?guī)r含水層，該含水層厚10.6～11.77 m，平均11.2 m，上距二22煤底14.99～24.95 m。下層為L4 灰?guī)r含水層，該含水層厚6.8～11.1m，平均10.26 m，上距二22煤 底36.5～64.9 m。奧陶系灰?guī)r承壓含水層，奧陶系灰?guī)r厚約230 m，二22煤層底板至奧灰頂部厚度為60 m，該含水層局部巖溶裂隙發(fā)育，富水性不均一，屬富水性強的巖溶孔隙承壓水。

1.3 開采技術(shù)

工作面走向長度199 m，傾向長度109 m。采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。爆破落煤，當(dāng)工作面煤層松軟時，采用風(fēng)鎬落煤，設(shè)計采高3.0 m，循環(huán)進度0.7 m。工作面共安裝104 架ZH2000/20/30Z 型整體頂梁懸移液壓支架支護頂板，機頭安裝4架ZH2000/20/30Z（F）型端頭支架，機尾安裝3 架ZH2000/20/30Z（F）型端頭支架，端頭支架距上、下巷巷道超過0.3 m 時采用單體柱配合π 型梁對頂板進行支護。最大控頂距3.65 m，最小控頂距2.95 m，放頂步距0.7 m。

2 工作面底板突水危險性評價

2.1 底板突水系數(shù)

《煤礦防治水細則》（2018）中突水系數(shù)的計算公式為［7］

式中，T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水巖層底面實際承受的水壓值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

根據(jù)國內(nèi)已有的防治水經(jīng)驗，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不大于0.1 MPa/m。

近3 a來，L6灰、L4灰、奧灰含水層觀測水位最高值分別為-231、-171、-31 m，L6灰、L4灰、奧灰含水層距離二22煤層底板最小值分別為15、36.5、66 m，工作面底板標(biāo)高取最低值取-345 m，則工作面底板隔水層承受的實際水頭值分別為L6 灰1.31 MPa，L4 灰2.14 MPa、奧灰3.77 MPa。利用式（1）計算突水系數(shù)結(jié)果如表1所示。

由于13203F 工作面底板范圍內(nèi)存在構(gòu)造破壞帶，根據(jù)計算結(jié)果，L6 灰含水層的突水系數(shù)超過臨界值0.06 MPa/m，L4 灰含水層的突水系數(shù)接近臨界值，2個含水層都具有底板突水危險性。

2.2 工作面開采底板破壞深度

2.2.1 規(guī)程經(jīng)驗計算

原《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中，礦山壓力作用下工作面底板采動破壞h深度可按統(tǒng)計式（2）計算［8］：

式中，H為工作面內(nèi)的煤層埋藏深度，m；α為煤層傾角，（°）；L為壁式工作面的斜長，m。

13203F 工作面煤層最大埋藏深度H為417.4 m，煤層最大傾角α為11°；工作面斜長L為109 m。根據(jù)式（2），計算13203F 工作面底板最大破壞深度為12.78 m。

2.2.2 底板破壞的塑性解

工作面底板下一定范圍內(nèi)的巖體，當(dāng)作用在其上的支承壓力達到或超過其臨界強度值時，巖體中將產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)；當(dāng)支承壓力達到導(dǎo)致部分巖體完全破壞的最大載荷時，支承壓力作用區(qū)域周圍的巖體塑性區(qū)將連成一片，致使采空區(qū)內(nèi)底板隆起，已發(fā)生塑性變形的巖體向采空區(qū)內(nèi)移動，并且形成一個連續(xù)的滑移面。此時底板巖體遭受的采動破壞最嚴(yán)重。

根據(jù)底板破壞的塑性解理論［5］，底板巖體最大破壞深度為h1：

式中，xa為超前支承壓力產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；φ0為底板巖石的平均內(nèi)摩擦角，（°）。

超前支承壓力產(chǎn)生的塑性區(qū)長度xa可根據(jù)極限平衡理論，利用式（4）計算［9］：

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m；m為煤層采厚，m；φ為煤層面間內(nèi)摩擦角，（°）；c為層面間黏聚力，MPa；Px為支架對煤壁的支護力，MPa。

支承壓力的峰值與煤層及其頂板的極限強度有關(guān)，二22煤層的平均極限強度為6.8 MPa，直接頂為砂質(zhì)泥巖的平均極限強度為21.8 MPa，取應(yīng)力集中系數(shù)為2.1，支承壓力的峰值為21.8 MPa。巖層平均容重γ=25 kN/m3，煤層埋深H=417.4 m，煤層面間內(nèi)摩擦角φ=24°，層面間黏聚力c=0.3 MPa，煤層采厚m=3 m，底板巖層的平均內(nèi)摩擦角為40°，根據(jù)式（4）計算塑性區(qū)寬度xa為3.76 m。根據(jù)式（3）計算底板巖層最大破壞深度為h1為17.65 m。

3 工作面底板突水治理

3.1 方案選擇

L6 灰?guī)r含水層上距二22煤底14.99～24.95 m，L4灰?guī)r含水層上距二22煤底36.5～64.9 m。工作面在僅考慮底板礦壓破壞帶深度的情況下，工作面亦可與L6 灰?guī)r含水層導(dǎo)通，存在極大的底板突水風(fēng)險。同時，由于煤礦地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，當(dāng)工作面存在未查明的隱伏斷層時，隱伏斷層可能導(dǎo)通煤層底板含水層（L6灰?guī)r水，L4灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水），通過隱伏斷層煤層底板含水層之間也可能發(fā)生水力聯(lián)系，互相補給，增加治理難度。

在煤礦生產(chǎn)過程中，一方面要認(rèn)真開展水害預(yù)測預(yù)報及隱患排查工作，加強對斷層的探測觀察與收集分析，遇斷裂構(gòu)造時，應(yīng)當(dāng)測定其產(chǎn)狀、斷距、斷層帶寬度，觀測斷裂帶充填物成分、膠結(jié)程度及導(dǎo)水性等；做好巷道突水的預(yù)防措施，保證安全生產(chǎn)。更重要的是煤礦企業(yè)應(yīng)落實防治水的主體責(zé)任，防治水工作應(yīng)由過程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理的轉(zhuǎn)變。根據(jù)礦井實際，采取地面區(qū)域治理、井下注漿加固底板或者改造含水層、疏水降壓、充填開采等防治水措施，消除水害威脅。

L6 灰?guī)r水和L4 灰?guī)r含水層的補給水源充沛，不具備疏水降壓和帷幕注漿的條件。結(jié)合礦井實際，采用局部底板注漿的方法對13203F工作面底板灰?guī)r含水層進行注漿加固，在評估注漿工程治理效果達標(biāo)后，工作面方可進行開采。

3.2 注漿方案設(shè)計

L6灰和L4灰全層全覆蓋式加固，改造后單孔出水量為10 m3/h以下。鉆孔注漿擴散半徑為30 m，均勻布孔，改造范圍覆蓋工作面以及工作面外30 m 的范圍。加固層位至L4灰含水層底部，鉆孔終孔深度為二22煤層底板以下50 m。鉆孔平面上呈圓周布置。根據(jù)鉆探情況，施工中適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鉆孔個數(shù)和施工參數(shù)。

底板注漿加固工程設(shè)計4 個鉆場、39 個鉆孔，鉆孔總工程量為3 519 m，預(yù)計注漿量2 000 t 左右。篇幅所限，僅給出3 號鉆場鉆孔設(shè)計方案，鉆孔平面設(shè)計圖見圖1，施工參數(shù)見表2。

3.3 設(shè)備及材料

固管注漿選用42.5#袋裝水泥、45°Bé 水玻璃、鋸末、麻繩等；常規(guī)注漿選用32.5#水泥、45°Bé 水玻璃、黃土、鋸末等。

注漿孔使用ZDY4000S 型鉆機，采用φ133 mm 鉆頭開孔，開孔15 m 左右下φ127 mm 一級套管（下入穩(wěn)固巖層），固管耐壓試驗壓力不低于4 MPa，穩(wěn)壓時間不低于30 min；一級管固管試壓合格后，采用φ113 mm 鉆頭掃孔鉆進，鉆進至過一級套管10 m 后下φ108 mm 二級套管，固管耐壓試驗壓力不低于6 MPa，穩(wěn)壓時間不低于30 min；二級管固管試壓合格后，安裝閘閥，然后采用φ92 mm 鉆頭無芯鉆至設(shè)計終孔位置。

地面選用SGB6-10 型注漿泵，將水泥漿從攪拌池中抽出，沿井上和井下注漿管路，到達井下注漿孔。采用分孔序含水層全層連續(xù)注漿的方式，直至達到終孔壓力為止。若注漿過程中出現(xiàn)跑漿，串漿等情況時，可采用間歇式注漿方式，間歇時間至少為24 h。按照注漿質(zhì)量的要求，注漿終壓應(yīng)大于含水層靜水壓力的1.5～2 倍。達到最大允許壓力，進漿量小于50 L/min，注漿壓力達到受注點靜水壓的1.5～2 倍，可結(jié)束本段注漿。

3.4 注漿質(zhì)量檢查

注漿改造質(zhì)量檢查采用鉆探檢查、物探檢查和鉆孔測斜。

鉆探檢查：根據(jù)鉆孔出水情況及吃漿量大小適當(dāng)補打檢查孔，檢查孔位置一般選取在單孔水量較大或單孔吃漿量較大的鉆孔附近，檢查孔水量以小于10 m3/h為合格。

物探檢查：利用TEMHZ75+TEMJF50型瞬變電磁儀對工作面加固后的底板區(qū)域進行效果驗證，驗證結(jié)果以工作面底板覆蓋范圍內(nèi)無低阻異常區(qū)為合格。

鉆孔測斜：根據(jù)底板注漿鉆孔測斜率不小于總加固孔的10%的原則，對工作面每個鉆場內(nèi)底板注漿加固孔最后施工完畢的鉆孔進行測斜。

底板注漿改造工程完成后，2022 年7 月，13203F工作面開始回采，2023 年2 月，工作面達到設(shè)計停采線，開采結(jié)束。通過底板注漿改造，13203F 實現(xiàn)了承壓水上安全開采。

4 結(jié)論

（1）開采受底板承壓水威脅的煤層時，應(yīng)開展底板突水危險性的評估。L6 灰?guī)r含水層的突水系數(shù)超過臨界值0.06 MPa/m，L4 灰?guī)r含水層的突水系數(shù)接近臨界值。規(guī)程及理論計算工作面底板最大破壞深度為12.78～17.65 m。L6 灰?guī)r含水層上距二22煤底最近為14.99 m，L4 灰?guī)r含水層上距二22煤底最近為36.5 m。2個含水層都具有底板突水的危險性。

（2）煤礦企業(yè)應(yīng)落實防治水的主體責(zé)任，防治水工作應(yīng)由過程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理的轉(zhuǎn)變。由于灰?guī)r含水層的補給水源充沛，采用工作面局部底板注漿加固的方法對底板灰?guī)r含水層進行治理。

（3）工作面局部底板注漿加固改造隔水層后，采用物探與鉆探相結(jié)合的方法評估注漿工程治理效果，治理達標(biāo)。13203F 工作面實現(xiàn)了承壓水上安全開采。