高水壓孤島工作面底板突水防治技術(shù)研究

楊軍輝

(冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000)

底板突水是煤礦開采過程中遇到的最主要的水害形式之一[1]。隨著開采深度的增加，底板含水層呈現(xiàn)高水壓特點(diǎn)[2]，且同時(shí)煤層受到多種水體的威脅，特別是承受高水壓奧陶系灰?guī)r含水層，工作面突水概率增大，突水事故增多[3]，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。我國(guó)學(xué)者針對(duì)底板突水防治問題進(jìn)行了大量而卓有成效的研究。武強(qiáng)[4]全面總結(jié)我國(guó)礦井水防控技術(shù)并提出了存在的問題和發(fā)展方向；許延春等[5]分析了焦作礦區(qū)注漿加固工作面底板突水原因及防治技術(shù)；張建等[6]針對(duì)巨厚火成巖與奧灰水雙重脅迫下應(yīng)用了充填開采或強(qiáng)制放頂開采技術(shù)為主配合疏水降壓的防治水技術(shù)；周楊[7]和金鑫[8]研究了薄隔水層開采探防治技術(shù)。舒宗運(yùn)等[9]提出了復(fù)雜構(gòu)造條件下“勘查—評(píng)價(jià)—防治”防突水關(guān)鍵技術(shù)體系；蔡仲秋[10]研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下多含水層底板突水注漿防治技術(shù)；趙慶彪在邯邢礦區(qū)采取區(qū)域超前治理技術(shù)，解決了隱伏構(gòu)造隱蔽性難探查問題[11，12]。但目前針對(duì)高水壓下孤島工作面動(dòng)載作用下底板突水危險(xiǎn)性和防治技術(shù)的研究較少。本文以河北邢東煤礦高水壓孤島工作面為研究對(duì)象，采用理論分析底板突水危險(xiǎn)性及主控因素，進(jìn)而提出高水壓孤島工作面水力壓裂底板突水防治技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，最后通過礦壓監(jiān)測(cè)和微震監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)防治效果，該底板突水防治技術(shù)的成功應(yīng)用可以為同類地質(zhì)條件下底板突水防治提供一定借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

邢東煤礦2129工作面是2100采區(qū)下山煤柱工作面，位于F22斷層和2222工作面采空區(qū)以北，2123、2124、2125、2126工作面采空區(qū)以南，為兩側(cè)采空的孤島煤柱回采工作面，2129工作面布置空間關(guān)系如圖1所示。該工作面平均埋深為1125m，工作面長(zhǎng)度為93m，平均采高為3.95m，所采煤層為2#煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度穩(wěn)定，煤層傾角平均11°。采用仰斜綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面煤層底板距奧灰水頂部約174m，奧灰水壓約10MPa。工作面回采前對(duì)奧灰水含水層進(jìn)行了采區(qū)區(qū)域注漿治理。

圖1 2129工作面布置

2 底板突水危險(xiǎn)性分析

煤層底板突水危險(xiǎn)性與含水層、隔水層、地質(zhì)構(gòu)造和底板采動(dòng)破壞深度等密切相關(guān)[13]。而《煤礦防治水細(xì)則》中突水系數(shù)公式未考慮采動(dòng)影響和含水層導(dǎo)升高度的影響。因此根據(jù)“下三帶”理論[14]，選取考慮承壓水導(dǎo)升帶和采動(dòng)破壞帶影響的改進(jìn)突水系數(shù)計(jì)算公式為：

式中，Ts為突水系數(shù)，MPa/m；Pw為承壓水含水層水壓，MPa；Hw為工作面底板距離承壓水含水層的實(shí)際距離，m；h1為底板采動(dòng)破壞深度，m；hd為承壓水導(dǎo)升帶高度，m。

參照臨近2222工作面的底板采動(dòng)破壞深度50m計(jì)算，將2129工作面各個(gè)參數(shù)代入式(1)得到該工作面底板突水系數(shù)為Ts≈0.081MPa/m。盡管式(1)計(jì)算值較《細(xì)則》中突水系數(shù)公式計(jì)算值偏大，但參照《煤礦防治水細(xì)則》(以下稱為《細(xì)則》)第七十四條“區(qū)域治理工程結(jié)束后，對(duì)工程效果做出結(jié)論性評(píng)價(jià)，提交竣工報(bào)告，由煤炭企業(yè)總工程師組織驗(yàn)收。采煤工作面突水系數(shù)按附錄五式(附5-2)計(jì)算，不得大于0.1MPa/m”中對(duì)區(qū)域治理后臨界突水系數(shù)的規(guī)定，以及參照邯邢礦區(qū)臨界突水系數(shù)0.066～0.076MPa/m[15](未采用區(qū)域治理)，式(1)計(jì)算值仍小于《細(xì)則》規(guī)定值，表明采用突水系數(shù)法判定該工作面突水危險(xiǎn)性小。但是臨近工作面區(qū)域治理后仍出現(xiàn)突水現(xiàn)象，如2126工作面以及二采區(qū)2228工作面均為區(qū)域治理后底板突水。分析發(fā)現(xiàn)該開采水平已突水工作面均是在頂板劇烈來壓時(shí)發(fā)生底板突水災(zāi)害。而相比臨近已突水工作面開采地質(zhì)條件該工作面更加復(fù)雜，采用帶壓開采頂板劇烈來壓時(shí)底板突水危險(xiǎn)性增大。2129工作面在回采前進(jìn)行了地面區(qū)域治理，hd可近似等于0m，故可通過減小來壓時(shí)底板采動(dòng)破壞深度來減小底板突水危險(xiǎn)性。

基本頂來壓時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷[16，17]為：

式中，M為采高，m；Σh為直接頂厚度，m；Kp為巖石碎脹系數(shù)，取1.3；Ed為底板巖層彈性模量，GPa；γB為基本頂?shù)捏w積力，kN/m3；hB為基本頂厚度，m；L為頂板來壓步距，m；η為應(yīng)力衰減指數(shù)，參照巖石的應(yīng)力波衰減指數(shù)η=2-μ/(1-μ)，μ為巖石的泊松比；x為自震動(dòng)源傳載至煤層的距離，m；Ld為頂板來壓時(shí)直接頂懸頂距，m。

受頂板來壓動(dòng)載作用的底板破壞深度公式為[16]：

式中，k為應(yīng)力集中系數(shù)，一般取2～3；γ為頂板巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m；γd為底板巖層平均容重，kN/m3；σc為底板巖體抗壓強(qiáng)度，kPa；ε為三軸應(yīng)力系數(shù)，ε=(1+sinφ0)/(1-sinφ0)，其中，φ0為煤層內(nèi)摩擦角，(°)。

由式(2)和式(3)可知，通過減小基本頂來壓步距(L)可降低來壓動(dòng)載強(qiáng)度和減小底板采動(dòng)破壞深度，以及采動(dòng)應(yīng)力對(duì)底板隔水層和構(gòu)造帶的影響程度，從而降低底板突水危險(xiǎn)性。因此提出高水壓下孤島工作面頂板水力壓裂卸壓底板突水防治技術(shù)。

3 水力壓裂控制技術(shù)及防治效果

3.1 水力壓裂技術(shù)方案

在2129運(yùn)料巷和運(yùn)輸巷分別布置鉆孔24組和23組。將回采幫側(cè)(正幫側(cè))鉆孔稱為A孔，煤柱幫側(cè)(副幫側(cè))鉆孔稱為B孔。具體布置參數(shù)為：運(yùn)料巷內(nèi)回采幫側(cè)布置A孔24個(gè)，仰角30°，鉆孔長(zhǎng)度50m；煤柱幫側(cè)B孔24個(gè)，仰角30°，與巷道夾角10°，鉆孔長(zhǎng)度50m。運(yùn)輸巷內(nèi)回采幫側(cè)布置A孔23個(gè)，仰角30°，鉆孔長(zhǎng)度50m，煤柱幫側(cè)B孔23個(gè)，仰角30°，與巷道夾角10°，鉆孔長(zhǎng)度50m。水力壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆孔施工

利用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。待鉆孔完成后，鉆孔隊(duì)伍進(jìn)行下一個(gè)鉆孔作業(yè)，在完成的鉆孔中安裝封孔器，利用手動(dòng)泵和儲(chǔ)能器封孔，最后連接高壓泵實(shí)施壓裂。施工打鉆鉆孔工作和鉆孔壓裂工作可平行作業(yè)，但是二者施工間距至少40m，以保證人員安全。

3.2.2 壓裂作業(yè)流程

1)安裝封孔器。安裝、連接和調(diào)試儀器各項(xiàng)環(huán)節(jié)完成后，連接注水鋼管將封孔器推入預(yù)壓裂鉆孔，連接注水鋼管直至推送至預(yù)壓裂位置，手動(dòng)泵加壓封孔器，觀察鉆孔并監(jiān)測(cè)壓力表，檢驗(yàn)封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說明封孔失效，檢查封孔器各個(gè)連接處及封孔器本身，找出并解決問題，確保封孔器正常工作。

2)加壓壓裂。開始?jí)毫亚氨仨氃O(shè)置警戒線，在距離壓裂孔前后兩側(cè)20m處拉警戒，壓裂過程中除壓裂人員外嚴(yán)禁其他人員通行，壓裂設(shè)備及人員與壓裂孔間距至少20m。開始?jí)毫褧r(shí)，先將高壓水泵通水然后通電，開始緩慢加壓。壓裂過程中采集水泵壓力表和手動(dòng)泵壓力表數(shù)據(jù)，持續(xù)加壓當(dāng)壓力突然下降時(shí)，保持注水壓力使壓裂裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)水的潤(rùn)濕作用也會(huì)軟化頂板巖層。

3)壓裂監(jiān)測(cè)。當(dāng)觀察到附近觀測(cè)孔或者錨索孔開始冒出大量的水時(shí)，停止繼續(xù)加壓，關(guān)閉壓裂高壓水泵，停止供水，封孔器卸壓拔出鉆孔，壓裂孔水力壓裂完成。

3.3 壓裂鉆孔窺視

為檢驗(yàn)頂板水力壓裂卸壓底板突水防治技術(shù)效果，當(dāng)附近觀測(cè)孔或錨索孔冒出大量壓裂水即可判定壓裂成功，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔窺視儀可視化的觀測(cè)鉆孔壓裂前后的裂縫產(chǎn)生情況，壓裂前后鉆孔窺視對(duì)比結(jié)果如圖3所示，壓裂后鉆孔壁可見明顯裂縫和破碎帶。

圖3 壓裂前后鉆孔窺視對(duì)比圖

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

分析統(tǒng)計(jì)工作面回采期間液壓支架的周期來壓步距，平均來壓步距為5.25m，較相鄰2222工作面平均來壓步距22m減小了76%，來壓動(dòng)載系數(shù)最大值為1.47。現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明頂板來壓步距和頂板來壓強(qiáng)度明顯減小，頂板水力壓裂效果較好。

3.4.2 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2129工作面回采期間微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，底板微震事件集中在2#煤至野青含水層之間的底板巖層，底板破壞深度沒有超過野青層位，根據(jù)有關(guān)鉆孔資料，2129工作面煤層距底板薄層灰?guī)r含水層野青灰?guī)r約46m。以2129工作面推進(jìn)至211m為例分析底板破壞微震事件分布特征，底板微震事件分布如圖4所示，由圖4(b)可知沿工作面推進(jìn)方向底板破壞微震事件大多集中在工作面附近及超前工作面30m范圍內(nèi)。沿工作面長(zhǎng)度方向底板破壞微震事件呈非對(duì)稱分布形態(tài)如圖4(c)所示，運(yùn)料巷底板微震事件個(gè)數(shù)明顯比運(yùn)輸巷側(cè)多，破壞深度更大、破壞范圍更廣，主要原因是運(yùn)料巷側(cè)受斷層的影響，采動(dòng)引起斷層的活化，微震事件增多，而運(yùn)輸巷側(cè)的多個(gè)工作面采空區(qū)已停采3～10a，采空區(qū)基本已經(jīng)完全壓實(shí)穩(wěn)定。運(yùn)輸巷側(cè)的底板微震事件主要發(fā)生在與采空區(qū)之間的保護(hù)煤柱正下方。運(yùn)輸巷與采空區(qū)間的保護(hù)煤柱留設(shè)在15～40m，保護(hù)煤柱受到采空區(qū)殘余支承壓力和本工作面采動(dòng)擾動(dòng)應(yīng)力疊加作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，底板壓縮變形破壞，產(chǎn)生少量底板微震事件。整個(gè)工作面回采期間底板未形成導(dǎo)水通道，未發(fā)生底板突水現(xiàn)象。

圖4 底板微震事件分布圖

4 結(jié) 論

1)2129工作面臨近斷層、受底板奧灰水高承壓水壓作用，且為孤島工作面受臨近采空區(qū)殘余支承壓力疊加作用，回采期間頂板來壓動(dòng)載作用將增強(qiáng)，帶壓開采底板突水危險(xiǎn)性較大。

2)根據(jù)附近已突水工作面頂板劇烈來壓突水特點(diǎn)，減小頂板來壓步距可降低來壓動(dòng)載強(qiáng)度和減小底板采動(dòng)破壞深度，從而降低底板突水危險(xiǎn)性，因此提出了頂板水力壓裂卸壓底板突水防治技術(shù)。

3)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明平均來壓步距為5.25m，較相鄰2222工作面平均來壓步距22m減小了76%，來壓動(dòng)載系數(shù)最大值為1.47；微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明底板未形成突水通道。提出的水力壓裂卸壓技術(shù)能有效降低底板突水危險(xiǎn)性，保障深井高水壓孤島工作面帶壓安全開采。