煤峪口礦81010 工作面煤層底板裂隙發(fā)育特征及防治

黃欣慰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041）

0 引 言

隨著煤炭開采深度的增加，煤層底板承壓水的水壓增大，再加上承壓水的水源豐富，且疏放困難，對防治水工作帶來更大的挑戰(zhàn)。煤峪口礦目前可開采的煤層是14 號煤層，距煤層下覆22 m 的巖層富水性極強(qiáng)，隔水性較弱，工作面發(fā)生突水的可能性較大。因此，采用RFPA 數(shù)值模擬軟件對煤層底板裂隙發(fā)育特征進(jìn)行分析，研究突水通道的形成，并采取合理的防治水措施進(jìn)行防治[1]。

1 地質(zhì)水文概況

煤峪口礦81010 工作面位于-350 水平采區(qū)，井田內(nèi)裸露的基巖較多，整體地勢呈東高西低，地面標(biāo)高為+46.5～+48.8 m，煤層底板平均標(biāo)高為-419.5 m。工作面總長為3 090 m，寬度為200 m，井田面積為614 000 m2，煤層厚度為6.20～10.40 m/8.91 m，以暗煤為主，亮煤次之，含鏡煤條帶，瀝青光澤，煤層中含2～4 層夾矸，夾矸厚4～10 cm，夾矸的巖性主要以泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖為主。井田地質(zhì)呈單一傾斜構(gòu)造，傾斜角度為1°～18°/7°，傾斜角度較小，兩翼的傾角平緩，沿煤層傾向方向推進(jìn)。

礦井的水文地質(zhì)條件一般，煤頂板砂巖富水性弱，但孔隙裂隙發(fā)育，連通性好，滲流暢通，徑流條件較好，14 號煤層頂板存在含水層，含水層主要是奧灰?guī)r含水層，煤層底板等高線在奧灰水位標(biāo)高線以下，隔水層的巖體是鋁質(zhì)泥巖，奧灰水與隔水層的厚度為65.60 m，突水系數(shù)為0.053 MPa/m，屬于帶壓開采，底板帶壓1～4.8 MPa，雖然不會嚴(yán)重威脅煤層的開采，但是在開采后，在采動影響下會使頂板出現(xiàn)裂隙而出現(xiàn)涌水事故。在正?；夭蛇^程中，81010 工作面有一揭露正斷層F3，傾角為70°，落差為10 m，走向延伸為540 m，在推進(jìn)過程中，巷道出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，容易引發(fā)突水危險(xiǎn)[2]。

2 底板裂隙發(fā)育特征模擬

沿煤層開采方向，受集中應(yīng)力的影響，在工作面底板巖層處出現(xiàn)加載壓縮區(qū)域，使底板向下彎曲，在拉伸張力的作用下出現(xiàn)底板張拉裂隙；而在采空區(qū)出現(xiàn)卸壓膨脹區(qū)域，使底板向上鼓起，在張拉力的作用下出現(xiàn)底板張拉裂隙。這樣，在加載壓縮和卸壓膨脹交叉部分，受反向剪切應(yīng)力的影響，便出現(xiàn)底板裂隙帶，示意圖如圖1 所示。

圖1 沿開采方向底板裂隙帶示意圖

2.1 建立模型

為了準(zhǔn)確分析81010 工作面在回采過程中煤層底板裂隙發(fā)育特征，采用RFPA 數(shù)值模擬軟件[3]，根據(jù)工作面的特征，現(xiàn)建立平面采動模型，模擬模型沿水平方向300 m，沿垂直方向100 m，煤層開切眼處與模型左側(cè)邊界的距離為50 m，終采線與模型右側(cè)邊界的距離為50 m，已知斷層在水平方向150 m處，煤層的開采步距為5 m，開挖20 步，總開挖100 m，巖層破斷的模擬模型示意圖如圖1 所示。數(shù)值模擬模型各巖層部分力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

2.2 底板裂隙破斷過程和形態(tài)模擬

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到工作面推進(jìn)50、60、70、80、90、1 000 m 時(shí)煤層底板的裂隙擴(kuò)展過程如圖3 所示?？梢钥闯觯诠ぷ髅嫱七M(jìn)70 m 時(shí)，底板巖層有輕微的裂隙，應(yīng)力集中在斷層面上；在工作面推進(jìn)80 m 時(shí)，底板巖層出現(xiàn)離層裂隙，應(yīng)力逐步增大；在工作面推進(jìn)90 m 時(shí)，巷道失穩(wěn)出現(xiàn)變形；在工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，底板巖層出現(xiàn)裂隙集中帶，巖層破壞深度達(dá)16 m，發(fā)生明顯巖層破壞深度約10 m，巖層基本上沒有隔水能力，隨著底板巖層破壞深度的增加，在采動影響下，破壞程度有所減弱的，巖層有一定的隔水能力。

表1 數(shù)值模擬模型各巖層部分力學(xué)參數(shù)

圖3 底板裂隙擴(kuò)展過程的數(shù)值模擬

2.3 底板裂隙破斷過程聲發(fā)射模擬

模擬底板裂隙破斷過程，得到裂隙擴(kuò)展的聲發(fā)射圖如圖4 所示[4]。

圖4 底板裂隙擴(kuò)展聲發(fā)射圖

可以看出，在工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，主要應(yīng)力集中在開切眼處，在開切眼處出現(xiàn)剪切破壞裂隙；在工作面推進(jìn)60 m 時(shí)，在底板處出現(xiàn)拉伸破壞裂隙；在工作面推進(jìn)70 m 時(shí)，應(yīng)力集中在工作面上，在工作面附近出現(xiàn)剪切破壞裂隙；在工作面推進(jìn)80 m 時(shí)，頂?shù)装宄霈F(xiàn)離層，上覆巖層出現(xiàn)拉伸破壞，裂隙逐漸擴(kuò)展，離層加??；在工作面推進(jìn)90 m 時(shí)，底板出現(xiàn)明顯的裂隙，工作面上剪切破壞加??；在工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，底板出現(xiàn)2 次離層裂隙，剪切破壞裂隙增多，在斷層面附近也出現(xiàn)不同方向的剪應(yīng)力，底板的破壞帶發(fā)育高度在16 m。

在工作面開挖3 m 后，記錄回采過程中斷層孔隙水壓導(dǎo)升高度，得到導(dǎo)升高度變化曲線如圖5 所示，可以看出，在工作面推進(jìn)過程中，距離斷層越近，巖層的剪切應(yīng)力集中范圍在不斷擴(kuò)大，斷層面也出現(xiàn)不同方向的剪切應(yīng)力，離斷層越近，斷層內(nèi)水壓導(dǎo)升高度越高，在斷層處，導(dǎo)升高度達(dá)到25.8 m，在距離斷層60 m 范圍內(nèi)，導(dǎo)升高度漲幅明顯增大，斷層出現(xiàn)活化，裂隙擴(kuò)展發(fā)育，最終貫通形成導(dǎo)水通道，引發(fā)工作面出現(xiàn)突水危險(xiǎn)。

圖5 裂隙水壓導(dǎo)升高度變化曲線

3 應(yīng)用效果

根據(jù)分析，影響底板裂隙突水的主要因素是含水層水壓和煤層開采所誘發(fā)的斷層活化，因此，有針對性地提出防治水措施。

3.1 留設(shè)防水煤柱

對斷層進(jìn)行探測分析，對于導(dǎo)水性較好但不能有效加固的斷層，在采動影響下，通過留設(shè)防水煤柱的方式進(jìn)行防水，增加隔水層的范圍，可以提高工作面的防水安全，首先計(jì)算工作面的底板破壞深度，上覆巖層是灰?guī)r，屬于堅(jiān)硬巖一類，因此，底板導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為：

式中：L為煤柱寬度，m；P為防水煤柱的靜水壓力，MPa；Ts 為突水系數(shù)；α突水系數(shù)。

可以看出，防水煤柱的寬度對煤層底板突水的影響較大，臨界水壓隨著防水煤柱寬度的增加而增大，防水煤柱越寬，底板的承壓能力越強(qiáng)。帶入工作面數(shù)據(jù)后，得到防水煤柱的寬度為63.79 m。

3.2 注漿加固

注漿加固目的是防止底板出現(xiàn)突水事故，為提高煤層底板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行注漿加固。將終孔層設(shè)置在與底板垂直向下100 m 處，綜合考慮成本和材料的有效性，注漿材料依據(jù)地層的滲透性進(jìn)行選擇，參考裂隙寬度、滲透系數(shù)以及顆粒粒徑等參數(shù)，注漿材料選用水泥和粉煤灰混合，按照1∶2 的配比，注漿加固時(shí)采用下行法進(jìn)行，在兩順槽內(nèi)布置注漿鉆孔，上下各布置5 個鉆場，鉆孔夾角為45°，注漿深度為8 m，將掘進(jìn)面迎頭位置設(shè)置為預(yù)注漿地方。如果在施工過程中出現(xiàn)局部跑漿，在斷層帶前后分別25 m 的范圍內(nèi)及時(shí)進(jìn)行加固，如果最后部分區(qū)域沒有達(dá)到封堵要求，對局部出水點(diǎn)的頂?shù)装搴蛶筒窟M(jìn)行局部注漿加固，以達(dá)到封堵效果。

根據(jù)模擬結(jié)果，在工作面推進(jìn)過程中，越靠近斷層巖層，剪切應(yīng)力越集中，斷層內(nèi)部導(dǎo)水裂隙帶的導(dǎo)水高度也不斷上升。因此，在靠近斷層的位置，增加鉆場內(nèi)鉆孔數(shù)量，共計(jì)施工注漿鉆孔44 個，使用注漿水泥2 103.7 t，粉煤灰4 207.4 t，進(jìn)尺10 432 m。

3.3 效果檢驗(yàn)

注漿加固后，通過布置檢驗(yàn)鉆孔來檢驗(yàn)注漿效果，為了保證檢驗(yàn)鉆孔的有效性，在上下順槽各布置10 個檢驗(yàn)孔，20 個注漿孔，檢驗(yàn)孔的孔深和注漿孔的孔深一致，得到檢驗(yàn)鉆孔的涌水量如圖6 所示。

圖6 檢驗(yàn)鉆孔涌水量柱狀圖

從圖6 中可以看出，檢驗(yàn)鉆孔的最小涌水量為0.2 m3/h，最大涌水量為8 m3/h，平均涌水量小于10 m3/h，說明注漿加固防治水效果較好，能確保工作面的安全回采。

4 結(jié) 論

針對煤炭開采過程中底板承壓水頻繁發(fā)生突水事故，采用RFPA 數(shù)值模擬軟件建立采動模型，對底板裂隙破斷過程和聲發(fā)射進(jìn)行模擬，結(jié)果如下：

1）在工作面推進(jìn)過程中，距離斷層越近，巖層的剪切應(yīng)力集中范圍在不斷擴(kuò)大，斷層面也出現(xiàn)不同方向的剪切應(yīng)力，離斷層越近，斷層內(nèi)水壓導(dǎo)升高度越高，在斷層處，導(dǎo)升高度達(dá)到25.8 m，在距離斷層60 m 范圍內(nèi)，導(dǎo)升高度漲幅明顯增大，斷層出現(xiàn)活化，裂隙擴(kuò)展發(fā)育，最終貫通形成導(dǎo)水通道，引發(fā)工作面出現(xiàn)突水危險(xiǎn)。

2）進(jìn)行注漿改造后，單個鉆孔的最小涌水量為0.2 m3/h，最大涌水量為8 m3/h，平均涌水量小于10 m3/h，說明注漿加固防治水效果較好，能確保工作面的安全回采。