承壓工作面奧灰水破壞深度測試與模擬研究

趙 劍

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦山西呂梁033200）

關鍵字：地質(zhì)；承壓；底板；破壞；模擬

0 引言

辛置煤礦位于山西省山西省臨汾市北緣，處于霍西煤田中部，井田北與曹莊礦相鄰，南部至南部邊界斷層，西部以河底斷層、赤峪斷層為界[1-2]，東至11#號煤層基巖露頭線，礦井面積為59 km2，生產(chǎn)核定能力280萬噸/年。目前有三個水平+540 m、+450 m,+310 m 和兩個生產(chǎn)采區(qū)，開采煤層有2#、10#、11#煤，其中東四采區(qū)現(xiàn)開采太原組10#煤層，下一步還將開采11#煤層，兩煤層位于太原組K2 灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r含水層之間，10#煤層與11#煤層間距在10 m 左右，11#煤層距下伏奧陶系灰?guī)r20 m 左右，兩層煤層埋深均在奧灰靜水位線+520 m左右以下，為帶壓開采。

1 礦井水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)地層由老至新有古生界奧陶系、石炭系、二疊系及新生界第三系、第四系。構(gòu)造發(fā)育，正斷層十分發(fā)育是本井田的重要地質(zhì)構(gòu)造特征，井田內(nèi)部陷落柱也較為發(fā)育。主要的含水層有第四系松散層孔隙含水層組、第三系泥灰?guī)r含水層組、二疊系砂巖孔隙裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組薄層灰?guī)r巖溶裂隙含水層組和奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層[3-4]。其中：下石盒子組砂巖孔隙裂隙水為礦井開采的直接充水水源，奧灰含水層是礦井的突水水源的重點。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度大，補給條件好，富水性強，本溪組為下組煤的底板，厚度14.4 m～21.94 m。奧灰水壓力水頭較高，煤層底板處承受水壓最大可達2.3 MPa，開采11#煤時，煤層底板距奧灰含水層距離約為20 m，奧灰水將成為主要的底板突水威脅。

圖1 主要煤層與上、下含水層位置關系示意圖

2 采動條件下東四采區(qū)10#煤層底板破壞深度測試

2.1 測試工作面概況

10-409 工作面位于東四采區(qū)+540 水平，地面標高+723 m～+790 m，工作面標高+416 m～+448 m，走向長1 002 m，傾斜長180 m。煤層平均厚度2.63 m，傾角6°。工作面北部為10-407 工作面采空區(qū)，西至皮帶、軌道巷，南為10-411 工作面掘進巷道，見圖2，臨近工作面之間留設30 m寬煤柱。

圖2 測試工作面示意圖

工作面直接頂為9#煤和1.8 m厚的黑色、薄層狀泥巖；老頂為K2 灰?guī)r，深灰色，致密堅硬，厚度為8.5 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.5 m，老底為厚度為5.5 m的中砂巖，單軸抗壓強度大于40 MPa，底板巖層較硬。工作面內(nèi)部發(fā)育有3個陷落柱，揭露斷層有5條，落差均小于2 m，對工作面有一定影響。

2.2 測試過程

鉆窩位置位于10-4112 巷，距巷道口410 m，鉆窩長×寬×高=5 m×5 m×5 m。鉆進191.64 m，完成底板破裂深度測試鉆孔3 個。鉆窩布置和鉆孔平剖面如圖3中所示。

圖3 鉆窩布置和鉆孔平剖面圖

鉆探設備：選用IIIA型鉆機，KBY雙液注漿泵及其相應配套設備。

鉆具組合：采用φ50內(nèi)絲鉆桿，加設防斜扶正器，并能保持足夠的鉆壓，不同規(guī)格的鉆頭采用不同的鉆具進行組合。

鉆進方法：3#、4#、5#鉆孔采用無巖芯鉆頭鉆進。

2.3 采動破壞深度確定

10-409 工作面布置底板破裂深度測試鉆孔3 個，其中3#孔長度為13.92 m，單栓塞壓水試驗結(jié)果為7.51 m～12.37 m，3#孔雙栓塞壓水試驗結(jié)果為8.98 m～9.03 m、9.96 m～10 m、10.94 m～11 m，4#孔測試段長度為8.72 m，單栓塞壓水試驗結(jié)果為12.4 m～14.43 m。結(jié)合壓水試驗和滲透系數(shù)公式計算（α取1.1）可知10-409工作面的采動破裂深度在8.98 m～9 m處，詳見表1。

表1 測試段滲透系數(shù)

3 10#煤開采底板破壞深度模擬分析

3.1 模型建立

結(jié)合圍巖巖體參數(shù)表2，建立模型，設計模擬采動方向共200 m，工作面寬度180 m，工作面頂板120 m，其余上覆地層按照荷載施加，工作面底板模擬厚度約40 m。X 軸、Y 軸和Z 的下底界面均設置為位移邊界，頂界面設置為應力邊界，垂直界面、底界面設置為滾動界面，X 方向200 m，60 個單元；Y 方向180 m，50 個單元，數(shù)值模型見圖4。

圖4 地質(zhì)模型圖

表2 模型巖體參數(shù)

3.2 開挖過程結(jié)果分析

在開挖中，設置開挖距離為120 m，從X 方向的-60 m～60 m。每天開挖5 m，開挖后計算150步，進行開挖模擬，開挖時垂向應力分布規(guī)律如下:

圖5 開挖后Z=-9平面垂向應力分布圖

從圖中可以看出，在工作面推進過程中垂向應力的重分布區(qū)域為（從工作面推進方向）：1 應力釋放區(qū)—2應力集中區(qū)—3應力降低區(qū)。其中1應力釋放區(qū)是由于采動后，頂板巖層雖然有一些會跨落下來，有一定得壓力，但是在這一時間段內(nèi)，應力依然保持降低。2應力集中區(qū)，由于前方煤層沒有開采，后方以及回采，所以在掘進頭處垂向應力集中，區(qū)域?qū)挾燃s為30 m。3 應力降低區(qū)是由于中部形成應力集中區(qū)域，為應力降低區(qū)域?qū)挾燃s為50 m。從圖b 和圖c 中X 方向和Y方向的應力在采空區(qū)范圍均出現(xiàn)降低，對于采空區(qū)兩側(cè)則是逐漸增大。

3.3 煤層采動底板影響深度

圖6 開挖后Z=0平面以下煤層破裂圖

在礦井開采中雖然側(cè)向壓力較大，但是對煤層破裂起到控制左右的應力主要仍然是垂向應力，從圖中可以看出底板破裂深度發(fā)育深度為8.7 m，與工作面底板破裂深度9 m相接近，現(xiàn)該工作面已安全回采，說明10-409 工作面底板奧灰承壓含水層破裂模擬具有一定的理論和現(xiàn)實意義[5-6]。

4 構(gòu)造帶對底板破壞性特征及臨界突水系數(shù)分析

4.1 構(gòu)造帶對底板破壞性特征分析

東四采區(qū)底板以砂巖為主，巖層阻隔水能力較強，奧陶系灰?guī)r巖溶溶蝕性較弱，埋深較深基本上處于奧灰補給區(qū)域，而補給區(qū)域奧陶系灰?guī)r的滲透性較弱，鑒于測試工作面斷層、陷落柱比較發(fā)育，并受到新構(gòu)造運動的影響，如果造成奧灰含水層與太灰含水層對接，甚至與開采煤層對接，可能由于重新活動而導水，因此可以判斷以測試工作面為代表的東四采區(qū)底板含水層突水最主要影響因素就是地質(zhì)構(gòu)造。

4.2 臨界突水系數(shù)

測試工作面10#煤下距奧灰水含水層28.9 m，帶壓水2.3 MPa，按照《煤礦防治水規(guī)定》，采用突水系數(shù)法評價公式，式中：h1－礦壓破壞隔水層厚度（m），M－隔水層厚度（m）,P－隔水層底板承受的水壓（MPa）。

底板巖層采動破壞深度按照計算，T=0.07 96 MPa/m，均小于無構(gòu)造地段的臨界突水0.06 MPa/m，一般情況下是安全的。若底板破壞深度內(nèi)巖層不按隔水層考慮，綜合底板影響帶受采動影響極小情況，取底板破壞深度為9 m，則M=19.9 m，T=0.115 MPa/m，故測試工作面底板破壞深度的突水系數(shù)大于《煤礦防治水規(guī)定》的一般情況下的臨界突水系數(shù)。東四采區(qū)10#煤層底板結(jié)構(gòu)相同，測試工作面的地質(zhì)特征基本代表了東四采區(qū)的情況，在沒有本區(qū)更多的突水材料時，測試工作面所處東四采區(qū)最小臨界突水系數(shù)可表述為Ts≥0.115 MPa/m。

5 底板破壞防治主要技術措施

5.1 補充勘探

礦井自普查以來雖已作過一定的地質(zhì)和水文地質(zhì)工作，對井田的地質(zhì)條件已基本查明，但是前期未進行過專門礦井水文地質(zhì)勘探工作，現(xiàn)有資料遠不能滿足礦井防治水的要求，必須進行水文地質(zhì)補充勘探，通過鉆探和物探等技術手段重點對主采煤層威脅最嚴重的K2薄層灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r充水含水層進行勘探。

5.2 進行隔水層加固與含水層改造

為防止奧陶系灰?guī)r裂隙水突入礦井，在探查工程實施完成后，采用含水層改造技術可有效地加厚、加固煤層底板隔水層或構(gòu)造斷裂等技術，針對奧陶系灰?guī)r導升高度較高的區(qū)域進行實施注漿改造，以加厚奧陶系灰?guī)r的隔水層，實現(xiàn)煤層底板隔水層的連續(xù)性和整體性，以提高對奧陶系灰?guī)r水的阻抗能力，為安全開采創(chuàng)造有利條件。

5.3 加強礦井防排水系統(tǒng)建設

奧灰水位高于所采煤層標高，奧灰水有可能通過陷落柱、斷層和裂隙密集帶等地質(zhì)異常體涌入礦井，造成底板突水。按照煤礦安全規(guī)程的要求進一步核定礦井排水能力，對礦井防排水系統(tǒng)進行規(guī)劃，配置排水設施，完善與維護避災系統(tǒng)，對放水閘門及其替代技術進行水害范圍控制，加強煤層底板突水動態(tài)預測預報等手段，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

6 結(jié)論

（1）辛置煤礦東四采區(qū)10-409工作面底板巖層采動破裂深度在9 m，與軟件模擬得出的破裂深度在8.7 m，結(jié)果一致。

（2）東四采區(qū)在沒有更多突水資料情況下，最小臨界突水系數(shù)為Ts≥0.115 MPa/m，底板含水層突水最主要影響因素就是地質(zhì)構(gòu)造。

（3）10#煤層在一般開采條件下，是安全的。煤層底板奧灰含水層頂部有7.5 m～8.5 m厚度的不含水層，可作為相對隔水層，奧灰水突水機理為存在構(gòu)造形成突水通道或是底部奧灰含水層導升高度減小隔水層厚度。