煤層底板突水預(yù)測(cè)與注漿加固技術(shù)研究

李建武

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

某礦井田屬于華北型石炭二疊系含煤構(gòu)造，煤系地層為二疊系山西組，井田范圍內(nèi)煤層總厚為7.30m，二1煤層大部分可采，其他煤層屬于局部可采或不可采煤層。可采煤層的總厚為4.22m，其含煤系數(shù)0.73%。井田由下至上的地層依次為：上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。

石炭系、奧陶系及含煤的下二疊系是可能導(dǎo)致煤層底板突水的地層，二1煤層底板含水及隔水層依次為硅質(zhì)泥巖、L7灰?guī)r、砂泥巖、L3灰?guī)r、鋁土質(zhì)泥巖及奧陶系灰?guī)r，含水層主要為太原群灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，根據(jù)礦井勘探鉆孔資料知奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層厚度為64.9～120m，井田北部灰?guī)r淺埋區(qū)及裸露區(qū)巖溶發(fā)育，含水性強(qiáng)；太原群灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層巖性主要為硅質(zhì)泥巖、薄層灰?guī)r、砂巖和薄煤層組成，總厚約為35～56m，L7灰?guī)r屬于直接充水含水層，L1-3灰?guī)r屬于間接充水含水層。二1煤層至奧灰距離等值線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 二1煤層至奧陶系灰?guī)r距離等值線(xiàn)圖

2 煤層底板突水機(jī)理研究

2.1 底板突水的影響因素

煤層底板突水會(huì)受到工作面底板巖性、地質(zhì)構(gòu)造、采煤工藝及水源等因素的影響。下面對(duì)水源、底板巖層組合形式及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)底板突水的影響進(jìn)行具體分析。

1）水源。煤層底板下方的承壓含水層中水壓力的大小決定著底板是否會(huì)發(fā)生突水現(xiàn)象，我國(guó)華北煤礦主要受到奧灰?guī)r含水層的威脅，該含水層是造成底板突水的主要源泉，煤層底板突水中主要有以下幾種方式：底板巖層完整時(shí)突水、底板巖層存在導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)突水及承壓水上部巖層透水時(shí)突水。根據(jù)該礦二1煤層基底存在奧陶系巖溶含水層，其含水性較強(qiáng)，與二1煤層之間的距離范圍為43.8～74.8m，平均水壓高為2.8MPa，屬于有突水危險(xiǎn)的狀態(tài)。

2）底板巖層組成形式。底板有效隔水巖層厚度、巖性及其組合狀態(tài)對(duì)底板突水起到重要的制約作用，在底板隔水層由軟硬相間的巖層組成時(shí)，能夠提升巖層的抗水壓能力，且硬巖層中裂隙易于向軟巖層擴(kuò)展，但軟巖中的裂隙，不易向硬巖層擴(kuò)展。

根據(jù)二1煤層底板巖層的組合特性分析知，底板巖層屬于軟硬交替型組合，利于阻止奧灰突水事故的發(fā)生。

3）地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造是造成煤層底板突水的重要原因之一[1-2]，尤其是斷層為發(fā)生底板突水時(shí)主要的導(dǎo)水通道，在斷層過(guò)奧灰或太灰含水層時(shí)會(huì)縮短煤層與含水層之間的距離，降低底板隔水層的有效厚度，從而致使突水。對(duì)于褶皺構(gòu)造，其會(huì)造成巖層的物理性能易變強(qiáng)度低，且易失穩(wěn)破壞，承壓水會(huì)沿著節(jié)理裂隙不斷沖刷形成突水。

本次討論礦井井田為單斜構(gòu)造且基本無(wú)大斷層，但小斷層和巖層間撓曲的情況較多，現(xiàn)已揭露斷層138條，主要為正斷層，平均斷層密度為46條/km2，這些小斷層對(duì)局部地區(qū)的巖溶發(fā)育和積聚地下水起到關(guān)鍵作用。

2.2 完整底板突水壓力的計(jì)算

在回采工作面底板存在承壓水時(shí)，能將煤層到底板承壓水含水層之間的巖層劃分為“三帶”[3]，如圖2（a）所示，圖中h1表示底板采動(dòng)裂隙帶，h2表示完整有效隔水層，h3表示承壓水導(dǎo)升裂隙帶，其中有效隔水層的厚度和其抗剪強(qiáng)度時(shí)底板是否發(fā)生突水的關(guān)鍵，在長(zhǎng)壁工作面所采煤層為傾斜或近水平賦存時(shí)，可將上覆采動(dòng)裂隙帶重力表示為γh1，下部均布水壓力用P表示，隔水層自身體力表示為γh2，如圖2（b）所示?，F(xiàn)對(duì)有效隔水層能夠承受的極限壓力進(jìn)行分析。

圖2 底板有效隔水層力學(xué)模型

根據(jù)彈性力學(xué)薄板理論知，該模型能運(yùn)用Ritz法進(jìn)行分析[4]，得出有效隔水層能夠承載的突水極限壓力P表達(dá)式為：

式中：τ0為底板巖體的平均抗剪強(qiáng)度，MPa；H為底板采動(dòng)裂隙帶和有效隔水層厚度之和，m；h2為底板有效隔水層厚度，m；γ為底板巖體容重，kN/m3；υ為底板巖體的泊松比；Lx為研究區(qū)域長(zhǎng)度，m；Ly為研究區(qū)域?qū)挾?，m。

2.3 遇斷層時(shí)底板突水壓力的計(jì)算

據(jù)相關(guān)研究及工程案例表明，斷層或者裂隙帶會(huì)很大程度上引起底板突水，且正斷層對(duì)底板突水的影響較大，故現(xiàn)對(duì)工作面遇到正斷層時(shí)底板所能承受的突水極限壓力進(jìn)行分析，將底板遇正斷層時(shí)的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為如圖3所示，圖中H為煤層至承壓水導(dǎo)升帶頂部之間的總厚度，h1為底板采動(dòng)裂隙帶，h2為底板有效隔水層厚度。

圖3 斷層附近底板力學(xué)模型

從圖3力學(xué)模型中對(duì)底板有效隔水層中任取厚度為dz的單元體，在斷層的影響下，單元體的一側(cè)向阻力由 C+σxtanφ 變?yōu)?CF+σxtanφF，在單元體達(dá)到平衡時(shí)，由垂直方向上合力等于零，可列方程：

在底板有效隔水層達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，令λ=1+sinφ/1-sinφ，并根據(jù)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則有：

將式（3）帶入到（2）中能夠得出：

對(duì)上述微分方程進(jìn)行求解可得：

將邊界條件 z=0，σz=γh1；z=h2，σz=P-γH 帶入式（5）中能夠得出底板有效隔水層所能承受的極限壓力的表達(dá)式為：

式中：C為完整隔水層帶巖石的內(nèi)聚力，MPa；φ為完整隔水層巖石的內(nèi)摩擦角，°；CF為斷層帶內(nèi)巖石的內(nèi)聚力，MPa；φF為斷層帶內(nèi)巖石的內(nèi)摩擦角，°；L為采空區(qū)控頂距，m；γ為底板巖石的容重，kN/m3。

根據(jù)上述分析知，若P實(shí)＜P時(shí)，底板不會(huì)發(fā)生突水，若不成立底板則存在突水危險(xiǎn)，便應(yīng)對(duì)底板采取加固防突措施來(lái)保證底板隔水層的穩(wěn)定性。

3 底板突水預(yù)測(cè)與防治技術(shù)

3.1 底板突水預(yù)測(cè)方法

底板突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法有很多，如突水系數(shù)法、“下三帶”法及理論計(jì)算法等，根據(jù)本文礦井的實(shí)際條件，運(yùn)用理論計(jì)算法對(duì)二1煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)底板巖層的最大破壞深度h1及煤層塑性區(qū)的寬度xa的表達(dá)式[5-6]如下：

根據(jù)二1煤層地質(zhì)資料取 m=4.2m，φ=20°，n=4，γ=26kN/m3，H=300m，Cm=1MPa，K1=2，將上述數(shù)據(jù)帶入式（7）能夠得出xa=5.09m，h1=12m。依據(jù)彈性薄板理論，據(jù)二1煤層地質(zhì)資料取 τ0=12MPa，H=48m，Lx=557m，Ly=127m，υ=0.35，故根據(jù)底板有效隔水層所能承載的突水極限壓力計(jì)算式（1）能夠得出P=6.1MPa，同時(shí)根據(jù)二1煤層平均水壓高為2.8MPa，知無(wú)突水危險(xiǎn)性。但井田范圍內(nèi)的小斷層及層間撓曲較多，由小斷層落差無(wú)法進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，且根據(jù)式（6）知斷層會(huì)大幅降低有效隔水層能承受的突水極限壓力，承壓水極易在斷層處發(fā)生突水，且該礦井1995年的突水事故證實(shí)了這一點(diǎn)，故通過(guò)分析擬對(duì)二1煤層底板進(jìn)行注漿加固，對(duì)底板奧灰水進(jìn)行有效的防治工作。

3.2 注漿加固底板方案

通過(guò)對(duì)工作面底板隔水層的薄弱層進(jìn)行注漿加固，從而為工作面安全生產(chǎn)提供保障。根據(jù)井田1995年突水事故后對(duì)奧灰水的動(dòng)態(tài)及水文分析，得出突水原因?yàn)閵W灰水突破斷層形成突水通道致使12106工作面突水，故基于此本次對(duì)二1煤層12181工作面底板進(jìn)行注漿加固，12181工作面傾向長(zhǎng)度127m，走向長(zhǎng)度557m，所采煤層均厚5m，12181工作面位置如圖4所示，圖中陰影區(qū)域是運(yùn)用音頻物探手段圈定的強(qiáng)含水構(gòu)造范圍，從圖中能夠看出12181工作面與發(fā)生突水事故的12161工作面的含水構(gòu)造相連通，有嚴(yán)重的突水危險(xiǎn)性。

圖4 12181工作面位置示意圖

在12181工作面進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷內(nèi)間隔60m布置鉆探注漿硐室，鉆孔在硐室內(nèi)成扇形布置，如圖5所示。本次注漿使用水泥-水玻璃作為注漿材料，注漿壓力為6～9MPa，根據(jù)相關(guān)鉆探注漿經(jīng)驗(yàn)，可知底板含水層注漿時(shí)，漿液的擴(kuò)散半徑可達(dá)20～30m，各鉆孔終孔層位在含水層L3灰?guī)r。

圖5 注漿鉆孔布置位置示意圖

在對(duì)12181工作面底板注漿加固處理完畢后，工作面在回采過(guò)程中為出現(xiàn)底板突水、下沉及異常涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了12181工作面安全順利回采。

4 結(jié)論

1）通過(guò)建立底板完整時(shí)及遇斷層時(shí)的力學(xué)模型，運(yùn)用彈塑性理論分析得出了底板在完整時(shí)及遇斷層時(shí)所能承受的突水極限壓力。

2）采用理論分析法對(duì)二1煤層底板進(jìn)行突水預(yù)測(cè)，得出該煤層底板一般情況下能阻止奧灰水的突出，但底板隔水層中存在較多的小斷層及撓曲，致使底板極有可能發(fā)生突水事故，需對(duì)底板采取加固防水措施。

3）通過(guò)對(duì)12181工作面底板的含水性進(jìn)行分析后，確定注漿參數(shù)，制定具體的注漿加固方案對(duì)底板進(jìn)行加固處理，注漿加固后12181工作面在回采過(guò)程中未出現(xiàn)突水及涌水異?，F(xiàn)象。