深部帶壓開采底板突水分析及防治技術(shù)研究

賀 偉

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦地質(zhì)測量科，山西 大同 037017）

云岡礦井下地質(zhì)和水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，已帶壓開采多年，隨著開采深度的不斷增加，受煤層底部巖溶水水害的威脅越來越嚴(yán)重，大采高開采也給礦井的防治水工作帶來困難。為了確保礦井安全生產(chǎn)，對云岡礦承壓水的突水原因進(jìn)行分析，給出具體防治方案，對深部帶壓開采具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

云岡礦51041 工作面寬度為93 m，平均埋深為1 125 m，采高為3.95 m，開采煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均傾角為11°。煤層的含水層有7 層，由上至下有第四系沖積層孔隙承壓含水層、A 層以上砂巖裂隙承壓含水層、 頂板及煤層砂巖裂隙承壓含水層、 奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。其中第四系沖積層孔隙承壓含水層和A 層以上砂巖裂隙承壓含水層對煤層深部開采的影響較小，因此不進(jìn)行重點研究；對于其他含水層，煤層厚度為3～5 m，裂隙不發(fā)育，含水很弱，在開采時，頂板及煤層砂巖裂隙承壓含水層主要增加了礦井的排水量，一般不會出現(xiàn)突水事故；而對深部開采影響最大的是奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，與下一個開采煤層的距離為105～140 m，煤層平均厚度為13 m，巖溶發(fā)育，富水性強，連通性好，是礦井安全生產(chǎn)最主要的威脅。

2 突水原因分析

2.1 承壓含水層對煤層底板突水的影響

造成煤層底板突水的內(nèi)在因素是存在承壓含水層。在地質(zhì)構(gòu)造沒有破壞隔水層的情況下，如果煤層底板的標(biāo)高低于下部的含水層水位，承壓含水層具有一定的水頭壓力，會使隔水層遭到破壞而引發(fā)底板突水[1]。云岡礦深部的奧灰水水壓達(dá)15 MPa，在高壓水作用下，底板隔水層易遭破壞，出現(xiàn)突水危險。

2.2 底板隔水層對煤層底板突水的影響

影響煤層阻水性能的關(guān)鍵因素是隔水層的位置與厚度。如果隔水層在煤層頂板處，在開采動壓的影響下，隔水層會因礦壓而產(chǎn)生裂隙，大大降低隔水效果；如果隔水層在煤層底部，在承壓水壓的影響下，底板裂隙發(fā)育，底板承壓水易涌入而造成突水。因此，要確保隔水層位于有效隔水層的中間，最大地發(fā)揮隔水層的阻水性能。隔水層位置與厚度分布如圖1所示[2]。

2.3 礦壓破壞對底板突水的影響

影響底板突水的外因是礦山壓力。采掘作業(yè)和礦壓會對底板造成破壞。在回采過程中，巖體的連續(xù)性逐漸遭到破壞，使原本平衡的應(yīng)力發(fā)生改變，并進(jìn)行重新分布，從而對底板的隔水層造成破壞，產(chǎn)生裂隙發(fā)育破壞帶，增加發(fā)生突水的危險，尤其在構(gòu)造發(fā)育的部位，其礦壓破壞深度會更大，發(fā)生突水的危險也更大[3]。

3 水力壓裂防治底板突水技術(shù)

由于頂板難以及時垮落，底板采動破壞增大，導(dǎo)致底板導(dǎo)水帶活化，引發(fā)突水。采用水力壓裂技術(shù)，通過高壓水持續(xù)對巖體進(jìn)行貫通，加上壓裂水的弱化，可以改變巖體的宏觀結(jié)構(gòu)，弱化巖體的強度，破壞頂板的完整性，使頂板及時垮落，使底板降壓，從而降低底板的破壞深度，減少底板突水機率，達(dá)到安全開采。

3.1 水力壓裂技術(shù)方案

對51041 工作面運料巷和運輸巷施工正幫側(cè)和副幫側(cè)鉆孔，具體方案為：在運料巷分別布置正幫側(cè)和副幫側(cè)鉆孔24 個，仰角為30°，鉆孔長度為50 m，其中副幫側(cè)的鉆孔與巷道有10°的夾角；在運輸巷分別布置正幫側(cè)和副幫側(cè)鉆孔23 個，仰角為30°，鉆孔長度為50 m，副幫側(cè)的鉆孔與巷道有10°的夾角。具體的壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 壓裂鉆孔布置

3.2 施工工藝

（1）安裝封孔器。將注水鋼管與封孔器連接，推入鉆孔內(nèi)，直到預(yù)壓裂位置為止。用手動泵給封孔器施加壓力，觀察鉆孔及壓力表情況，檢查封孔器是否能保壓。如果鉆孔處有水溢出或壓力表壓力下降，說明封孔無效，需要對封孔器及其連接處進(jìn)行檢查，排除問題，以確保封孔器能正常工作[4]。

（2）水力壓裂。進(jìn)行壓裂作業(yè)前，先設(shè)置警戒線，在壓裂鉆孔前后各20 m 處設(shè)置，同時，壓裂鉆孔與壓裂設(shè)備之間有20 m 以上的距離。開始壓裂時，先對高壓水泵通水，然后通電，再慢慢加壓，水力壓裂的壓力為60 MPa，持續(xù)30 min。在整個壓裂過程中，實時采集水泵壓力表的數(shù)據(jù)，持續(xù)施加壓力到壓力突然下降時，保持壓裂壓力不變，讓裂紋持續(xù)擴展，軟化頂板巖層。

（3）壓裂監(jiān)測。觀察附近的觀測孔有大量水冒出時，停止施加壓力，關(guān)閉高壓水泵。待卸壓后將封孔器從鉆孔中拔出，完成水力壓裂。同時，對鉆孔壓裂前后裂縫的情況用鉆孔窺視儀進(jìn)行觀察。

4 應(yīng)用效果

為了驗證水力壓裂的效果，在工作面內(nèi)共安裝8 個自動監(jiān)測壓力計，設(shè)置C1、C2、C3、C4 共4個壓力監(jiān)測站進(jìn)行監(jiān)測，對工作面周期來壓、超前支承壓力、 巷道圍巖變形以及奧灰水水位進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果如下：

在水力壓裂前，工作面來壓突水后的周期來壓步距為24.7 m；在水力壓裂后，工作面頂板的周期來壓步距為9.53 m，比壓裂前減小了約61.42%。周期來壓動載系數(shù)也明顯縮小，平均為1.31，現(xiàn)場未觀測到壓架等動力現(xiàn)象，采空區(qū)的頂板可以及時垮落。

根據(jù)各鉆孔應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果，在水力壓裂后，工作面超前支承壓力的影響范圍約60 m，峰值與工作面距離約為9.6 m，超前支承壓力集中系數(shù)為1.65。

觀察巷道圍巖的變形量。頂?shù)装遄冃嗡俣惹€如圖3所示，在水力壓裂后，頂?shù)装宓淖冃嗡俣让黠@減小，變形量最大為75 mm/d，是水力壓裂前頂板移近速度的7.5%，且底板未出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象。

圖3 頂?shù)装遄冃嗡俣惹€

觀察奧灰水水位的變化情況。隨著工作面的推進(jìn)，奧灰水水位呈穩(wěn)定—小幅下降—穩(wěn)定的變化趨勢，其中水位峰值最大降幅為0.943 m。根據(jù)工作面液壓支架的阻力分布，在工作面推進(jìn)至47.6 m 時，頂板來壓，水位在8 h 內(nèi)可以迅速回升，沒有形成長時間的下降，說明頂板水力壓裂防治水技術(shù)能有效地防治底部奧灰水的突水事故，沒有形成高承壓水導(dǎo)水通道，防治效果較好。

4 結(jié)論

1）為了解決深部帶壓開采造成底板突水的問題，根據(jù)云岡礦51041 工作面地質(zhì)水文概況，詳細(xì)分析發(fā)生底板突水的原因，采用煤層頂板水力壓裂防治技術(shù)。設(shè)計水力壓裂鉆孔方案，明確施工工藝，確保水力壓裂效果。

2）對工作面周期來壓、超前支承壓力、巷道圍巖變形以及奧灰水位進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明，在采用水力壓裂技術(shù)后，工作面頂板的周期來壓步距為9.53 m，超前支承壓力集中系數(shù)為1.65，巷道變形速度較小，奧灰水位相對穩(wěn)定，沒有形成導(dǎo)水通道，可見頂板水力壓裂能有效地防治底板突水事故。