寺河煤礦5310工作面斷層對(duì)底板突水的影響及防治

蔡王飛

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 寺河礦， 山西 晉城 048200)

近年來煤礦開采向深部不斷推進(jìn)，地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性導(dǎo)致了底板灰?guī)r含水層突水危險(xiǎn)程度進(jìn)一步提升，為此國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出了豐厚的成果，如西安煤炭科學(xué)院提出的突水系數(shù)法[1]、山東科技大學(xué)學(xué)者提出的“下三帶”理論[2]、錢鳴高院士提出的斷層突水的準(zhǔn)則[3]，這些理論為研究斷層活化以及防治水提供了寶貴的依據(jù)，而本文采用FLAC3D軟件對(duì)工作面斷層處進(jìn)行建模，能夠較為直觀地得出斷層活化的分布過程以及對(duì)底板突水的影響，從而為底板防治水提供一定的預(yù)警性和依據(jù)。

1 工程概況

寺河煤礦是晉煤集團(tuán)一座特大型現(xiàn)代化礦井，位于山西省晉城市西偏北直距24 km處，地貌形態(tài)屬剝蝕、侵蝕山地，以低中山—丘陵為主，溝谷發(fā)育，地形較為破碎，其工業(yè)場(chǎng)地位于沁水縣嘉峰鎮(zhèn)嘉峰村與殷莊村之間，井田內(nèi)局部由黃土覆蓋，主要以黃土臺(tái)垣梁及黃土沖溝，沖溝發(fā)育。礦井可采煤層為3#、9#、15#，目前主要開采3#煤層，平均厚度6.08 m，3#煤層頂?shù)装逄卣饕姳?. 礦井東井區(qū)內(nèi)發(fā)育大小斷層90條，其中東井區(qū)地表揭露大型斷層5條；以往勘探控制小斷層29條，建井期間井巷掘進(jìn)中，揭露小型斷層32條，落差均小于2 m. 東井區(qū)5310工作面位于東五盤區(qū)，地面位置位于竇山村以西、沁河以東、潘河口以南、潘莊以北，工作面走向長(zhǎng)1 775.7 m，傾斜長(zhǎng)296.2 m，工作面開采時(shí)揭露正斷層F5310，傾向240°，傾角55°，落差1.5 m. 礦井主要隔水層為石炭系上統(tǒng)太原組底部及中統(tǒng)本溪組泥巖、鋁質(zhì)泥巖隔水層，本隔水層厚度變化較大，為14～75 m，一般20～30 m，其較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造造成了工作面涌水量的異常增大。

2 5310工作面回采數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

為了了解斷層在回采過程中活化程度以及對(duì)工作面底板突水的影響程度，應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)5310工作面進(jìn)行了模擬，模型特征表現(xiàn)為三維化，斷層本身性質(zhì)相對(duì)較弱，容易受到外來應(yīng)力的影響發(fā)生塑性應(yīng)變，其可塑性相對(duì)較強(qiáng)但力學(xué)性質(zhì)相對(duì)周圍巖石較低。模型長(zhǎng)500 m，高100 m，寬300 m，共劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)108 516個(gè)，單元110 086個(gè)，上覆巖層容重取平均值25 000 N/m3，頂部自由，并施加10 MPa自重應(yīng)力，限制條件為模型底部穩(wěn)定不變，四周施加最大水平主應(yīng)力為-25 MPa，模型中心施加水平主應(yīng)力為-25 MPa，頂部施加主應(yīng)力為-15 MPa，其邊界應(yīng)力比值為1.7. 5310工作面含55°斷層回采數(shù)值模型圖見圖1.

2.2 模擬結(jié)果分析

該次建模主要針對(duì)5310工作面內(nèi)斷層，設(shè)計(jì)方案為：首采35 m，第2次回采至70 m，第3次回采至105 m，回采間隔為35 m. 由于5310工作面內(nèi)斷層傾角不同，以各個(gè)斷層的平均值55°進(jìn)行建模，對(duì)5310工作面回采期間底板的受力情況以及破壞程度進(jìn)行模擬，分別得到了回采期間推進(jìn)35 m、70 m、105 m時(shí)工作面底板受力情況以及塑性破壞程度，見圖2，3.

圖1 5310工作面含55°斷層回采數(shù)值模型圖

圖2 回采期間工作面最大主應(yīng)力云圖

圖3 回采階段底板塑性破壞分布圖

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面回采的進(jìn)行，距離斷層越來越近。由圖2a)可知，回采至35 m時(shí)距離斷層為85 m，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的范圍為工作面前部和斷層的上方；觀察圖2b)可知，當(dāng)回采至70 m時(shí)，此時(shí)距離斷層50 m，工作面前方和后方采空區(qū)應(yīng)力進(jìn)一步集中，斷層附近應(yīng)力相比圖2a)有所集中；由圖2c)可知，當(dāng)工作面回采至105 m時(shí)，斷層在工作面前方15 m，應(yīng)力集中化程度明顯高于回采35 m、70 m時(shí)，尤其是斷層上方應(yīng)力與工作面下部應(yīng)力匯聚在一起，而且斷層的存在導(dǎo)致了工作面前方應(yīng)力被隔斷，斷層左側(cè)應(yīng)力達(dá)到最大值，最大水平應(yīng)力為30 MPa. 綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的回采，回采面距離斷層越近，工作面以及斷層四周應(yīng)力集中化程度越高，這是因?yàn)閿鄬拥拇嬖趯?dǎo)致了工作面回采期間應(yīng)力梯度的加大，同時(shí)斷層也隔斷了工作面前方的應(yīng)力，使之都積聚在工作面與斷層周圍，當(dāng)其超出煤體的承載能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生煤體以及巖體的裂隙，生成導(dǎo)水通道。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著回采的進(jìn)行，工作面塑性區(qū)破壞程度增大。由圖3a)可以發(fā)現(xiàn)，在回采至35 m時(shí)，底板塑性區(qū)為2～3 m，破壞程度較小；觀察圖3b)可知，當(dāng)回采至70 m時(shí)，底板塑性區(qū)為8～10 m，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)斷層開始活化，斷層底端出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，延伸程度為8.3 m，表明此時(shí)斷層由于采動(dòng)影響出現(xiàn)裂隙通道；觀察圖3c)可以看出，回采至105 m時(shí)，底板塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，破壞程度為13～16 m，并在距離斷層15 m處形成一條底板采空區(qū)裂隙，與斷層活化帶連通形成導(dǎo)水裂隙。由于5310工作面底部承壓水對(duì)斷層破碎帶有弱化、沖刷腐蝕的作用，加劇了斷層面的破壞范圍和破壞速度，可能會(huì)導(dǎo)致底板突水事故的發(fā)生。

3 5310工作面突水系數(shù)

根據(jù)《寺河煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告》可知，5310工作面頂?shù)装鍢?biāo)高最低為302 m，根據(jù)煤礦水文地質(zhì)資料可知，5310工作面奧灰水位標(biāo)高在+500 m左右,井田內(nèi)奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層區(qū)域水位標(biāo)高高出3#煤層底板最低標(biāo)高198 m，具有較高的水力壓力值，3#煤層屬帶壓開采煤層。根據(jù)突水系數(shù)計(jì)算公式對(duì)5310工作面最低點(diǎn)的突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

T=P/M

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—底板隔水層承受的水頭壓力，MPa/m；

M—底板隔水層厚度，m.

經(jīng)計(jì)算，工作面底板突水系數(shù)為0.073 MPa/m，大于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m. 因此，5310工作面底板存在奧灰水突水危險(xiǎn)。

4 底板注漿改造工程實(shí)踐

經(jīng)過數(shù)值模擬以及計(jì)算后得出5310工作面存在底板突水的危險(xiǎn)性，根據(jù)模擬得知回采至105 m時(shí)底板可能突水，為煤礦底板防治水提供了一定的預(yù)警性。通常情況當(dāng)工作面突水系數(shù)大于臨界突水系數(shù)時(shí)，一般可采取2種防治水措施，采用疏水降水壓或?qū)Φ装甯羲畬幼{改造，前者能夠降低突水系數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全開采，但是費(fèi)用高、疏降時(shí)間長(zhǎng)，后者通過增加隔水層厚度降低突水系數(shù)，降低礦井突水危險(xiǎn)性，工業(yè)應(yīng)用效果顯著，費(fèi)用相對(duì)較低。因此，選擇對(duì)底板隔水層進(jìn)行注漿改造。

應(yīng)用注漿技術(shù)對(duì)5310工作面底板進(jìn)行注漿，注漿設(shè)備選用TXB-1000型鉆機(jī)配250/40型泥漿泵和TSJ-1000型鉆機(jī)配備850/50型泥漿泵，注漿材料選用420#散裝水泥以及砂石固料，該水泥具有凝固性強(qiáng)以及凝固快的特點(diǎn)，注漿流程為射流泵上水，然后將水泥以及砂石加入儲(chǔ)灰罐，在攪拌機(jī)里攪拌均勻后通過泥漿泵壓入鉆孔內(nèi)，本工作面底板注漿鉆孔布置見圖4，圖5. 鉆孔總進(jìn)尺2 536 m，注水泥16 093.96 t，注砂258.77 m3. 堵水注漿孔單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)要求孔口注漿壓力達(dá)到3 MPa左右，單液漿最終吸漿量小于50 L/min，并持續(xù)20～30 min. 整個(gè)底板注漿過程經(jīng)歷150天，在注漿完成兩個(gè)月內(nèi)工作面涌水量均在正常范圍內(nèi)，降低了底板突水的危險(xiǎn)性，為工作面的安全回采提供了保障。

圖4 5310工作面底板注漿鉆孔布置平面圖

圖5 5310工作面底板注漿鉆孔布置剖面圖

5 結(jié) 論

1) 應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)寺河煤礦5310工作面進(jìn)行模擬分析后，得出工作面距斷層距離越近，應(yīng)力集中化程度越高，并導(dǎo)致了底板裂隙帶的產(chǎn)生與擴(kuò)張。

2) 通過突水計(jì)算公式得出，3#煤層突水系數(shù)為0.073 MPa/m，表明工作面底板存在突水的危險(xiǎn)性。

3) 對(duì)底板進(jìn)行注漿改造后，工作面涌水量均在正常范圍內(nèi)，工業(yè)應(yīng)用效果較好，有效降低了底板突水的危險(xiǎn)性，工作面得以安全回采。