龐龐塔煤礦9#煤層帶壓開采安全性及治理措施

皇甫波

(霍州煤電集團 呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 臨縣 033200)

1 工程概況

霍州煤電集團龐龐塔煤礦位于山西省臨縣程家塔—吉家莊—陽泉村一帶，井田內(nèi)含煤地層為太原組和山西組，主要可采煤層為5上#、5#、9#煤層，現(xiàn)階段5#煤層開采殆盡，即將進行9#煤層的開采，首采工作面為9-101工作面，所采煤層為9#煤層。9#煤層賦存于太原組中下部，平均煤層厚度為12 m；9-101工作面北部為西區(qū)9#煤運輸暗斜井及5#煤大巷，南部、西部為9#煤層實體煤，東部為正在開采的9-301工作面及南延輔助運輸巷、運輸巷，上部為原5#煤5-103工作面(已采空)。9-101工作面井下標高+596～+708 m，與下部奧灰含水層間巖層平均厚度為61 m，奧灰水水位為+800～+825 m，抽水試驗表明單位涌水量為0.851 L/s·m，富水性中等。9#煤層回采工作面為帶壓開采工作面，最大帶壓2.9 MPa，工作面回采期間，若下部奧灰水通過斷層、陷落柱等導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造涌入工作面，將造成嚴重的突水事故。

2 9-101工作面帶壓開采危險性

2.1 底板突水危險分析

采煤工作面是否能夠安全進行帶壓開采，關(guān)鍵在于煤層與下部含水層間的巖層能否有效阻隔地下水。依據(jù)“下三帶”理論[1]，工作面回采期間煤層與含水層間的巖層可分為采動破壞帶、完整巖層帶、承壓水導(dǎo)升帶，采動破壞帶和承壓水導(dǎo)升帶喪失了對于承壓水的阻隔能力，中部的完整巖層帶是阻隔地下水的關(guān)鍵部分，其原理見圖1.

圖1 工作面底板突水示意圖

查閱相關(guān)的研究成果，工作面回采期間底板能夠承受的水壓計算公式[2-3]：

(1)

式中：

C—底板內(nèi)聚力，MPa；

φ—底板內(nèi)摩擦角，(°)；

γ—底板容重，kN/m3；

γ1—水容量，kN/m3；

L—工作面沿推進方向最大懸頂距，m；

K—安全系數(shù);

H—煤層距下部含水層的垂直距離，m；

h1—開采引起底板塑性破壞帶深度，m；

h2—有效隔水層厚度，m；

h3—承壓水導(dǎo)升帶高度，m.

通過式(1)計算可得到底板能夠承受的水壓，當實際水壓大于計算結(jié)果時，表明工作面存在突水危險。根據(jù)龐龐塔礦9-101工作面具體情況，可得到相關(guān)的參數(shù)：隔水層總厚H=61 m，L=64 m，K=1.75，φ=39°，γ=24.9 kN/m3，γ1=10 kN/m3，C=9.35 MPa，h3=4.4 m，底板塑性破壞深度h1可通過理論計算得到，但是計算結(jié)果往往與實際情況差異較大，因此為更加準確地確定9-101工作面回采期間底板塑性破壞的深度，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值模擬[4].

2.2 底板塑性破壞深度模擬分析

模型X軸方向為工作面推進方向，長度為300 m，Y軸方向為工作面切眼長度方向，長度為200 m，Z軸方向為巖層堆積方向，高度為90 m. 工作面切眼長度方向距邊界各留設(shè)40 m寬的煤柱，工作面切眼長度為120 m，三維數(shù)值模型見圖2a)，各個巖層的力學(xué)參數(shù)見表1. 在模型頂部施加均布載荷大小為13.5 MPa，整個模型服從摩爾庫倫破壞準則。模型邊界條件：模型前后左右邊界水平方向的位移受到約束，底部邊界為固定邊界，各個方向的位移均為零，模型頂面為自由邊界，數(shù)值模型邊界條件見圖2b). 為避免邊界效應(yīng)，在模型中部模擬工作面的回采，工作面共推進180 m，推進的起止點與邊界各留60 m的煤柱，工作面開挖步距為5 m，計算平衡后觀察煤層頂?shù)装逅苄云茐那闆r。

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

圖2 數(shù)值模擬方案示意圖

在工作面中部沿工作面推進方向取垂直切面，得到工作面回采期間圍巖塑性破壞情況結(jié)果，見圖3. 由于圖像數(shù)量較多，篇幅過大，僅給出較為典型的幾幅，統(tǒng)計工作面不同推進長度條件下底板的塑性破壞深度，整理得到工作面底板破壞深度隨著工作面推進距離的變化曲線，見圖3f).

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果圖

由圖3可以看出，9-101工作面回采期間，工作面后方形成采空區(qū)，打破了煤層附近巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致采空區(qū)頂?shù)装鍘r層出現(xiàn)明顯的塑性破壞區(qū)。工作面推進方向采空區(qū)兩個邊界處圍巖塑性破壞范圍較大，并且隨著工作面推進距離的增加，頂?shù)装鍘r層內(nèi)塑性破壞的范圍和深度不斷的增大，其最大破壞深度始終位于煤壁前方底板內(nèi)。根據(jù)圖3f)可以看出，當工作面推進距離由0增大至120 m時，底板巖層塑性破壞最大深度由0增大至27 m，工作面繼續(xù)推進至180 m時，底板塑性破壞深度維持在27 m. 綜上可知，9-101工作面回采底板塑性破壞最大深度h1=27 m.

底板有效隔水層厚度h2=29.6 m，結(jié)合相關(guān)參數(shù)，代入式(1)可求得，9-101工作面底板能夠承受的極限水壓P=1.75 MPa，而工作面底板奧灰含水層實際水壓最大可達2.6 MPa，計算可得突水系數(shù)為0.088 MPa/m，承壓水實際壓力大于極限水壓，且突水系數(shù)大于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m(構(gòu)造發(fā)育區(qū))[5]，表明9-101工作面回采期間很可能發(fā)生突水事故，必須采取適當?shù)拇胧┻M行底板水害的防治。

3 底板注漿加固可行性研究

龐龐塔煤礦9-101工作面回采受下部奧灰含水層的威脅，工作面回采導(dǎo)致有效隔水層的厚度變薄，無法有效地隔絕下部含水層。確保工作面的安全回采，需增大有效隔水層的厚度，因此可采用鉆孔注漿技術(shù)對工作面底板進行改造，提高底板的強度和剛度，以減小底板的破壞深度。采用FLAC軟件進行注漿改造，并對工作面底板加固效果進行模擬研究。根據(jù)李召峰等人的研究成果[6]，采用425硅酸鹽水泥進行注漿，注漿壓力為2.5 MPa，養(yǎng)護28天后加固系數(shù)平均達2.10. 模擬研究時設(shè)計注漿深度為61 m，隔水層的黏聚力和抗拉強度增大1倍，最終得到的模擬結(jié)果見圖4.

圖4 注漿加固后數(shù)值模擬結(jié)果圖

由圖4可知，對底板采取注漿加固措施后，在工作面推進距離相同的條件下，底板巖層的塑性破壞范圍和深度明顯減小。底板塑性破壞深度仍在工作面煤壁下方附近，隨著推進距離的增大，底板塑性區(qū)的分布不是呈整體分布，而是呈多個互相獨立的小區(qū)域分布，工作面繼續(xù)推進，這些區(qū)域逐漸相關(guān)聯(lián)通，但是底板的塑性破壞深度未繼續(xù)增大。根據(jù)圖4d)可以看出，當工作面推進距離由0增大至50 m期間，底板塑性破壞深度不斷的增大，工作面推進長度由50 m繼續(xù)增加，底板塑性破壞深度不再增大，底板塑性破壞深度最大為10 m.

底板注漿改造后，工作面回采期間最大塑性破壞深度減小為10 m，底板有效隔水層厚度h2增大為46.6 m，代入式(1)計算可得，底板能夠承受的極限水壓P=3.58 MPa，奧灰含水層最大水體壓力為2.6 MPa，則底板突水系數(shù)為0.056 MPa/m，奧灰含水層水頭壓力小于極限水壓，且突水系數(shù)小于0.06 MPa/m. 由此可認定奧灰含水層突水的危險性解除，通過底板注漿改造，能夠保障龐龐塔煤礦9-101工作面的安全回采。

4 結(jié) 論

根據(jù)龐龐塔煤礦9-101工作面地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析工作面回采期間底板塑性破壞情況，可知9-101工作面存在底板突水的危險。對底板隔水層進行注漿改造模擬，結(jié)果表明，注漿后底板塑性破壞最大深度為10 m，此時底板能夠承受的極限水壓為3.58 MPa，突水系數(shù)減小為0.056 MPa/m，實際水壓小于極限水壓，突水系數(shù)同樣表明底板已無突水危險。由此可見，通過底板注漿改造，可保障該礦9-101工作面的安全回采。