煤層底板隱伏陷落柱突水預(yù)測(cè)及采前注漿加固評(píng)價(jià)*

謝志鋼，劉啟蒙，柴輝嬋，琚棋定，李競(jìng)贏，饒家健

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤系地層巖溶陷落柱(以下簡(jiǎn)稱陷落柱)其埋藏具有隱蔽性，突水災(zāi)害的發(fā)生往往具有突發(fā)性和強(qiáng)大的破壞性[1-2]，自20世紀(jì)60年代，我國(guó)開灤范各莊、邢臺(tái)東龐、神華駱駝山煤礦、淮北桃園煤礦等相繼發(fā)生了多次陷落柱突水事故，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到陷落柱突水的嚴(yán)重性。淮南煤田地處華北板塊南緣受印支、燕山以及喜山構(gòu)造旋回的影響，地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r含水層具有富水性強(qiáng)但不均一、水壓大等特性[3]，當(dāng)淮南A組煤底板發(fā)育有巖溶陷落柱并溝通強(qiáng)底板含水層就會(huì)嚴(yán)重威脅到A組煤的采掘進(jìn)程。

目前陷落柱的探明精度較小，一般在25%～50%之間，礦區(qū)對(duì)于疑似陷落柱的治理辦法往往以預(yù)防和綜合治理為主，治理方法主要有留設(shè)防水煤柱和對(duì)陷落柱內(nèi)部的注漿改造。針對(duì)陷落柱突水問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于陷落柱突水模式及力學(xué)機(jī)理做了大量的基礎(chǔ)理論研究[4-13]：許進(jìn)鵬[11]用極限平衡原理研究了柱體活化導(dǎo)水的判據(jù)；尹尚先、武強(qiáng)等[14-15]提出厚壁桶理論，解釋了陷落柱采動(dòng)活化導(dǎo)突水的機(jī)理，并給出了活化破壞判據(jù)，為陷落柱突水防治工作奠定了理論基礎(chǔ)。

本文利用礦井實(shí)例對(duì)采動(dòng)過程中底板圍巖破壞溝通隱伏陷落柱導(dǎo)水模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析其突水模式，預(yù)測(cè)張集礦突水點(diǎn)位置，給出采前注漿關(guān)鍵部位，并對(duì)注漿效果進(jìn)行模擬分析。經(jīng)過工程實(shí)踐，結(jié)果表明，分支孔及主孔C311灰無水，封堵效果良好，實(shí)現(xiàn)了超前治理過程，避免了張集礦突水事故的發(fā)生。

1 研究區(qū)概況

張集礦西三1煤采區(qū)-600 m太灰疏水巷定向長(zhǎng)鉆孔11#孔，鉆孔沿1煤底板的C33下灰?guī)r施工，出水點(diǎn)位置，如圖1(b)所示，與煤層底板垂直距離為45 m，拔鉆后穩(wěn)定水量220 m3/h，水溫40.5°，關(guān)孔后穩(wěn)定水壓5.9 MPa。出水水源經(jīng)常規(guī)水質(zhì)化驗(yàn)為奧灰水。結(jié)合礦區(qū)綜合物探顯示(見圖2)，西三采區(qū)地震反射異常區(qū)解釋為疑似陷落柱，陷落柱端蓋與11#孔出水位置一致。

圖1 陷落柱平剖面示意Fig.1 Schematic diagram for plane and profile of collapse column

圖2 地震反射異常區(qū)剖面Fig.2 Profile of seismic reflection anomaly area

該出水隱患將影響1612A，1613A工作面采掘活動(dòng)。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)分析可知，1613A工作面底板粉砂巖結(jié)構(gòu)完整屬于有效隔水層組，各層灰?guī)r中，以C311層為最厚，平均厚度13.62 m；C33上，C33下層次之，平均厚度分別為7.13，8.06 m；C32，C312層灰?guī)r賦存不穩(wěn)定。C39～C310層灰?guī)r間距13.80～15.50 m，平均14.63 m，厚度較大且賦存穩(wěn)定，為C3Ⅱ與C3Ⅲ組灰?guī)r間的區(qū)域性隔水層。據(jù)揭露太灰全層的鉆孔抽水試驗(yàn)資料，原始水位標(biāo)高25.18～27.055 m，單位涌水量q=0.017 4～1.764 l/(s·m)，含水由弱到強(qiáng)。

2 首采工作面采前突水危險(xiǎn)性分析

張集礦1613A工作面為張集礦西三1煤采區(qū)首采工作面，底板垂向?qū)ǖ栏呕Ｐ腿鐖D1所示，結(jié)合圖2物探剖面圖，可以看出陷落柱位于煤層下方45 m位置處，發(fā)育位置在C3Ⅰ組灰?guī)r底部并且其根部延伸至奧陶系灰?guī)r當(dāng)中，陷落柱端蓋呈橢圓狀，短軸直徑35 m，長(zhǎng)軸直徑53 m，整體呈長(zhǎng)柱狀。

工作面斜長(zhǎng)為150 m，陷落柱頂蓋距離煤層45 m，厚度較大，不能滿足厚度與寬度之比小于1/7～1/5的要求，此時(shí)應(yīng)當(dāng)利用剪切破壞理論分析陷落柱突水的力學(xué)機(jī)制[14]，假定該處自重應(yīng)力與巖體埋藏深度呈線性關(guān)系，則地應(yīng)力的水平分量σ0可以由上覆巖體和關(guān)鍵層厚度來確定：

(1)

h1=0.700 7+0.107 9L

(2)

式中：θ為內(nèi)摩擦角，(°)；c為黏聚力，Pa；a為陷落柱半徑，m；h為關(guān)鍵層厚度，m；ν為側(cè)壓系數(shù)；Q為礦山壓力，Pa；H0為工作面頂板垂深，m；h1為底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度，m；L為壁式工作面斜長(zhǎng)，m；γg為隔水層巖體質(zhì)量體積，kg·m-3；γd為頂板巖體質(zhì)量體積，kg·m-3。

由式(1)可知，圓柱形陷落柱帽蓋剪切破壞時(shí)的臨界水壓值與底板厚度的關(guān)系呈二次拋物線方程。工作面地面標(biāo)高為22.2～22.9 m，工作面標(biāo)高為-397.9～-510 m，工作面埋深為427～532 m。

通過式(2)計(jì)算得，底板破壞深度為1.07 m，有效隔水層厚度h為18.93 m。陷落柱半徑a取15 m，上覆巖體平均重度γd=23 kN/m3，底板泥巖的平均重度為γg=20 kN/m3，側(cè)壓系數(shù)ν取0.33，取底板泥巖經(jīng)驗(yàn)黏聚力為0.6 MPa，內(nèi)摩擦角為33°，由于開挖切眼引起的礦山壓力為卸壓區(qū)，Q值取3.67 MPa。將上述經(jīng)驗(yàn)值代入式(1)得水壓力的極限值為4.7 MPa，其值遠(yuǎn)小于工作面的水壓值5.32 MPa。該陷落柱發(fā)生突水危險(xiǎn)性很大。

3 巖溶陷落柱活化數(shù)值模擬

3.1 模型建立

1613A工作面底板垂向通道概化數(shù)值模型如圖3(a)所示，其長(zhǎng)(y方向)×寬(x方向)×高(z方向)分別為400 m×400 m×400 m，巖層傾角近似12°，傾向?yàn)閤軸負(fù)方向。其中，設(shè)計(jì)采面總長(zhǎng)度200 m，每次采寬20 m，主采煤層高6 m，一次采全高。存在陷落柱時(shí)，其頂面距煤層底板45 m，陷落柱橫截面為40 m×40 m如圖3(b)所示，陷落柱灰?guī)r段網(wǎng)格單元密度加大。用FLAC3D模擬采面推進(jìn)過程，計(jì)算采用莫爾—庫倫材料本構(gòu)模型。

模型頂部施加上覆巖層自重應(yīng)力12.75 MPa，底部和四周邊界位移固定，奧灰?guī)r溶水設(shè)置為8 MPa孔隙水壓力。煤層～奧灰含水層可根據(jù)厚度、巖性和力學(xué)性質(zhì)的不同劃分成20層。簡(jiǎn)化網(wǎng)格，將巖性相近，力學(xué)參數(shù)相當(dāng)?shù)膸r層劃歸為1個(gè)層組，合并后為8個(gè)層組，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。陷落柱參數(shù)取圍巖參數(shù)的10%。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters of rock mass

3.2 模擬結(jié)果

在計(jì)算得到模型原初始應(yīng)力的基礎(chǔ)上，開始對(duì)1613A工作面進(jìn)行模擬開挖，開挖平面從陷落柱上方穿過，從而獲得不同推進(jìn)條件下底板巖層的最大主應(yīng)力、垂直應(yīng)力及塑性破壞變化情況。其中，圖4為圍巖塑性破壞云圖；圖5為圍巖應(yīng)力變化云圖。

根據(jù)圖4和圖5所示，開采前，如圖4(a)所示，圍巖彈塑性變形區(qū)主要集中在陷落柱端蓋表現(xiàn)為彈性變形階段，此時(shí)應(yīng)力，如圖5(a)所示，主要集中在陷落柱壁上，集中應(yīng)力達(dá)到16 MPa。陷落柱內(nèi)部應(yīng)力較小在6～9 MPa左右，是天然低應(yīng)力區(qū)。

圖4 圍巖塑性破壞云圖Fig.4 Cloud map for plastic failure of surrounding rock

回采到80 m處，如圖4(e)所示，陷落柱端蓋出現(xiàn)剪切破壞但并未與煤層底板塑性破壞溝通；當(dāng)回采至100 m處，如圖4(f)所示，掘進(jìn)頂端位于陷落柱正上方，此時(shí)陷落柱端蓋與筒壁處都有明顯剪切破壞，煤層底板破壞繼續(xù)向下延伸并與陷落柱溝通。從圖5(b)可以看出，煤層底板應(yīng)力發(fā)展與陷落柱圍巖應(yīng)力開始接觸影響，煤層底板應(yīng)力向下消散的過程中與陷落柱圍巖應(yīng)力相互耦合。圖5(c)顯示可以看出，耦合發(fā)生后陷落柱內(nèi)部集中應(yīng)力中在5～9 MPa之間，而陷落柱筒壁附近被采動(dòng)過程產(chǎn)生的消散應(yīng)力所包裹形成中間應(yīng)力凸出的W型應(yīng)力分布特征，該W型應(yīng)力分布使得陷落柱上部筒壁產(chǎn)生明顯應(yīng)力差(應(yīng)力差在5 MPa左右)。分析圖4(e)～4(j)可以明顯看出，陷落柱端蓋及桶壁的剪切破壞向下發(fā)展直至溝通底部奧灰含水層。綜合分析以上模擬數(shù)據(jù)，本次1613A工作面陷落柱突水模擬，突水發(fā)生在回采掘進(jìn)前端，陷落柱端蓋附近為巖層脆弱點(diǎn)，即陷落柱C33～C311層灰?guī)r段，導(dǎo)水通道為陷落柱筒壁受剪切破壞而產(chǎn)生的豎向?qū)ǖ馈?/p>

回采后采空區(qū)圍巖發(fā)生彈塑性變化，塑性破壞深度與回采距離如圖6所示，回采長(zhǎng)度在60 m以內(nèi)時(shí)，塑性破壞深度以每回采1 m下探40 mm的速度向下延伸，當(dāng)塑性破壞深度達(dá)到25 m左右，巖性由煤層底板粉砂巖和泥巖轉(zhuǎn)變?yōu)镃31層灰?guī)r，破壞區(qū)范圍內(nèi)巖體強(qiáng)度增大，采掘影響深度暫時(shí)穩(wěn)定。

圖5 圍巖應(yīng)力變化云圖Fig.5 Cloud map for stress variation of surrounding rock

圖6 回采距離與底板塑性破壞深度關(guān)系Fig.6 Relationship between mining distance and plastic failure depth of floor

建議礦區(qū)治理以對(duì)底板陷落柱的注漿改造為主，并配合對(duì)太灰含水層的疏水降壓，主要注漿改造層段在陷落柱內(nèi)部C33～C311層灰?guī)r段。

4 注漿效果評(píng)價(jià)

按照注漿工程設(shè)計(jì)方案，向陷落柱上部和中部(C33～C311層灰?guī)r部位)進(jìn)行注漿加固，注漿終壓要超過奧陶系灰?guī)r含水層靜止水壓的1.5倍即大于9 MPa，漿液流量小于3.6 m3/h且穩(wěn)定時(shí)間不低于30 min，設(shè)計(jì)注漿量5 100 m3，注漿量按治理范圍外延10 m(長(zhǎng)軸72 m，短軸53 m)以及目的層段灰?guī)r厚度57 m，裂隙率按3%計(jì)算所得，注漿加固體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

采用FLAC3D模擬對(duì)注漿后開采過程進(jìn)行了模擬，圖7、圖8分別為模擬底板垂直導(dǎo)水通道注漿加固后開采工作面推進(jìn)不同距離時(shí)圍巖塑性變形區(qū)與圍巖應(yīng)力對(duì)比圖，結(jié)合圖4所示，注漿改造后回采初期煤層底板彈塑性破壞規(guī)律與未注漿改造前一致，當(dāng)開采距離推進(jìn)100 m時(shí)，如圖7(f)所示，煤層底板塑性破壞區(qū)范圍主要集中在砂質(zhì)泥巖底板處，陷落柱僅端蓋處產(chǎn)生剪切破壞且未與底板破壞區(qū)溝通。當(dāng)開采距離推進(jìn)到180 m處時(shí)，煤層底板彈塑性破壞區(qū)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定深度在38 m，陷落柱端蓋位置出現(xiàn)明顯剪切破壞，但陷落柱筒壁未出現(xiàn)豎向破壞通道，陷落柱中下部位完整穩(wěn)定。從圖8可以看出煤層底板應(yīng)力消散區(qū)將陷落柱端蓋包裹，影響深度并未向下延伸，陷落柱端蓋附近應(yīng)力差在2～5 MPa。注漿改造能很好的維持陷落柱中下部巖體穩(wěn)定，封堵陷落柱豎向?qū)ǖ馈?/p>

表2 注漿加固體計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of grouting reinforcement mass

圖7 注漿改造后煤層開挖圍巖塑性破壞云圖Fig.7 Plastic failure diagram of surrounding rock in coal seam excavation after grouting

圖8 注漿改造后煤層開挖圍巖應(yīng)力變化云圖(回采180 m)Fig.8 Stress variation diagram of surrounding rock in coal seam excavation after grouting (Digging 180 meters)

實(shí)際觀測(cè)結(jié)果顯示，陷落柱中部沒有涌水，與模擬結(jié)果一致，說明注漿有效。

5 結(jié)論

1)利用剪切破壞理論分析陷落柱突水的力學(xué)機(jī)制，該陷落柱的實(shí)際水壓(5.32 MPa)大于底板突水的安全水壓(4.7 MPa)，結(jié)合數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步確認(rèn)了該陷落柱突水方式與經(jīng)驗(yàn)公式假設(shè)相一致，突水風(fēng)險(xiǎn)性較大。

2)結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬方法概化采區(qū)模型，模擬結(jié)果顯示陷落柱上方巖體的采掘活動(dòng)導(dǎo)致陷落柱附近巖體失穩(wěn)，桶壁位置容易產(chǎn)生局部剪切破壞導(dǎo)致陷落柱活化突水。

3)將現(xiàn)場(chǎng)注漿方案結(jié)果進(jìn)行數(shù)值概化模擬分析可知，注漿后的陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在回采過程中能起到很好的支撐維護(hù)作用，現(xiàn)場(chǎng)打孔觀測(cè)顯示無涌水發(fā)生，說明其封堵效果良好。

4)利用理論公式對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的底板陷落柱突水問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)發(fā)生陷落柱突水過程及注漿效果進(jìn)行模擬，不僅驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于指導(dǎo)實(shí)踐過程的重要意義，還為礦區(qū)陷落柱綜合治理提供新的研究方法。