馬堡煤業(yè)特厚煤層帶壓開采安全性及防治技術(shù)研究

呂 斌

（山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046308）

0 引 言

承壓水上采煤引發(fā)回采工作面底板突水事故是我國井工煤礦面臨的主要水文地質(zhì)問題，威脅礦井的生產(chǎn)安全。雖然目前對于承壓水上采場底板破壞及突水機理的研究已取得諸多的理論成果，但是盲目進行承壓工作面的開采不僅威脅著井下作業(yè)人員的生命安全，同時對于地下水的標高的穩(wěn)定也有巨大影響，為保障馬堡煤業(yè)奧灰承壓水上15 號煤層的順利生產(chǎn)，以15202 工作面為工程背景，針對性的研究采場底板破壞特征及底板突水危險性，確定合理的帶壓開采技術(shù)方案，對于馬堡煤業(yè)采場底板突水防治具有重要指導意。

1 工作面概況

馬堡煤業(yè)有限公司位于山西省武鄉(xiāng)縣，主采8、15 號煤層，礦井生產(chǎn)能力為150 萬t/a，現(xiàn)階段8 號煤層已基本回采完畢，主要進行15 號煤層的采掘工作，煤（礦）層總厚4.75～5.04 m，本次研究的15202工作面地面均為山梁、深溝，發(fā)育一條季節(jié)性河流，平時無水，深溝處為地表降水排泄通道，無匯水條件，預計對回采工作面影響較小。工作面北東側(cè)與152 采區(qū)膠帶、軌道、回風下山相連接；南東側(cè)與15號煤膠帶平巷留有30 m 保安煤柱；北西側(cè)距設計的15206 回風順槽243 m；南西側(cè)與15 號煤采區(qū)水倉留有20 m 保安煤柱。15202 工作面基本為一單斜構(gòu)造，煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，穩(wěn)定發(fā)育一層厚度約為0.3 m 的炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層厚度平均4.9 m，煤層傾角平均為12°。

2 工作面水文地質(zhì)情況分析

15202 工作面主要受到的水害因素有：①地表水：工作面地表溝谷縱橫交錯，均為山梁、深溝，深溝處為地表降水排泄通道，發(fā)育有一條季節(jié)性河流，平時無水，主要以動儲量形式存在，15 號煤層實測導水裂隙帶發(fā)育高度為65 m,工作面距地表埋深為367～495 m，大于裂隙帶發(fā)育高度，對巷道回采影響較小，地表現(xiàn)無流水及積水匯集，雨季期間要加強觀測，防止積水沿附近塌陷裂隙流入井下，重點在雨季期間要加強防范；②頂、底板含水層：15202 工作面頂板往上19 m 左右為K2 灰?guī)r含水層，灰?guī)r厚度為4.44 m,單位涌水量q=0.008 6 L/s.m，為弱富水性含水層，且工作面頂板裂隙較為發(fā)育，可能造成巷道局部頂板淋水，回采期間需引起重視，加強頂板淋水的觀測；③同層采空水：15202 工作面四周均為實體煤及已掘進巷道，故不受同層采空水影響；④上覆采空水：上覆為8號煤層8103、8104 采空區(qū)，各采空區(qū)范圍、標高及回采等情況清楚。根據(jù)8103、8104 工作面實際生產(chǎn)條件及標高，其中8103 工作面在距離8 號煤回風下山Ⅰ350～713 m 處為巷道低洼處，8104 工作面在距離8 號煤回風下山Ⅰ295～713 m 處為巷道低洼處，經(jīng)估算，8103 工作面低洼處最大積水面積4 886.1 m2，最大積水量2 810.1 m3，積水標高+995 m；8104 工作面低洼處最大積水面積6 202.1 m2，最大積水量3 487.5 m3，積水標高+960 m；回采前施工了6 個鉆孔對2 處積水進行了鉆探驗證，鉆孔均探至采空區(qū)；其中15202 回風順槽施工的2 個鉆孔均探至8103 采空區(qū)，鉆孔均無出水情況；8 號煤回風平巷Ⅰ施工4 個鉆孔均探至8104 采空區(qū)，1 號鉆孔涌水量0.2 m3/h，累計放水量27.4 m3；1 號驗證鉆孔探至采空區(qū)，無水；2 號鉆孔最大涌水量26 m3/h，后無水，累計放水量231.9 m3；2 號驗證鉆孔初始涌水量1.5 m3/h，后逐漸衰減，目前2 號驗證鉆孔涌水量0.28 m3/h，累計放水量678 m3，合計放水量930 m3；預計采空區(qū)內(nèi)殘留積水較小，對15202 工作面安全回采構(gòu)不成威脅；⑤承壓水：工作面底板標高為+679～+745 m，奧灰含水層頂面煤層底面28.4～58.8 m，平均間距為44.5 m，井田內(nèi)有3 個鉆孔（DM4、DM9、DM12 號鉆孔）探至奧陶系，水位標高+911.00～+1 035 m，降深15 m，單位涌水量2.111 L/s·m，滲透系數(shù)1.906 m/d，該含水層為強富水性含水層,總礦化度0.474 g/L，工作面埋藏深度均小于奧灰含水層水文標高，工作面帶壓開采；⑥鉆孔水：15202 工作面周邊無鉆孔，不受鉆孔水影響。綜上可知，馬堡煤業(yè)15202 工作面安全生產(chǎn)主要受到底板奧灰承壓水的威脅。

3 采場底板塑性破壞特征分析

3.1 采場底板破壞深度模擬研究

帶壓開采工作面回采期間，采場底板巖層塑性破壞是在地應力、含水層壓力等多種因素影響下產(chǎn)生的一種地質(zhì)現(xiàn)象[1-2]，底板塑性破壞深度分析計算涉及到塑性力學、材料力學、巖石力學等多種學科，僅通過理論分析計算無法準確得到貼合實際的結(jié)果，因此設計采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對馬堡煤業(yè)15202 工作面底板破壞特征進行研究。工作面傾斜長度114 m，推進長度1 080 m 主要為考察底板塑性破壞，設計模型中工作面上覆巖層厚度為60 m，下方巖層厚度為57 m，因此設計模型長（X 軸）、寬（Y軸）、高（Z 軸）280、240、100 m，共劃分為840 000 個單元，采用摩爾-- 庫倫模型，模型頂面上覆350 m的巖層等效為上邊界的載荷，模型底面為固定支撐，無x、y 方向速度、位移，考慮到底板收到奧灰承壓含水層作用，模型下部邊界設置1.5 MPa 垂直向上的應力，最終得到三維數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 三維數(shù)值模擬模型

圖2 三維數(shù)值模型及數(shù)值模擬結(jié)果

回采工作面由模型左側(cè)邊界40 m 處開始開挖，每次開挖5 m，觀察采場圍巖塑性破壞狀態(tài)，工作面共推進150 m，得到采場圍巖塑性破壞特征如圖2（a）所示，不同回采距離條件下底板最大破壞深度如圖2（b）所示。由圖2 所示結(jié)果可知，工作面回采后，采場頂?shù)装寮安煽諈^(qū)兩側(cè)圍巖均出現(xiàn)一定程度的塑性破壞，底板淺部巖層主要發(fā)生拉伸破壞，深部巖層主要發(fā)生剪切破壞，隨著工作面推進距離由0 m 增大至105 m，塑性破壞深度由0 m 增至15.5 m，之后隨著工作面的繼續(xù)推進，底板塑性破壞范圍不斷增大，但塑性破壞最大深度均為15.5 m，綜上可得，15202 工作面采場底板塑性破壞深度為15.5 m。

3.2 底板破壞深度影響參數(shù)分析

底板巖層塑性破壞遵循摩爾-庫倫強度準則，底板巖層主要表現(xiàn)為剪切破壞，在具體地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件下，巖體的破壞與否由其內(nèi)摩擦角、粘聚力決定，為分析相應參數(shù)對于底板塑性破壞情況的影響，采用上述數(shù)值進行單一因素模擬分析，底板巖層初始內(nèi)摩擦角為35°，粘聚力為10.0 MPa，進行內(nèi)摩擦角單一因素模擬分析時，內(nèi)摩擦角分別設定為28°～38°，進行粘聚力單一因素模擬分析時，設計底板巖層內(nèi)摩擦角分別為8～16 MPa，整理得到底板最大塑性破壞深度與底板巖層內(nèi)摩擦角、粘聚力變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 底板巖層內(nèi)摩擦角及粘聚力與破壞深度變化關系

由圖3 可看出，采場底板巖層內(nèi)摩擦角為28°～38°時，底板最大破壞深度由8 m 增大至18 m，表明通過減小底板巖層的內(nèi)摩擦角可以減小底板塑性破壞深度。采場底板巖層粘聚力由8 MPa增大至16 MPa，底板巖層塑性破壞最大深度呈現(xiàn)顯著減小然后趨于平穩(wěn)的趨勢，底板最大破壞深度由25.5 m減小至6.5 m，由此表明適當增大底板粘聚力，可減小底板塑性破壞深度。綜上可知，適當減小底板巖層的內(nèi)摩擦間、增大其粘聚力，可顯著減小底板的破壞深度，對于底板突水事故的防治原理具有重要意義。

4 底板突水危險性評價

底板隔水層起到阻隔奧灰含水層與回采工作面聯(lián)通的作用，當?shù)装迤茐膸c承壓水導生帶未貫通時，隔水關鍵層受力示意圖如圖4 所示。

圖4 承壓水上采場底板沿工作面走向受力示意圖

工作面回采期間，隔水層受到上覆巖層支承壓力和底板承壓水的共同作用，除去底板破碎帶及承壓水導升帶高度，有效隔水層厚度相對于工作面長度和推進長度非常小，因此可將有效隔水層視為彈性薄板，工作面長度方向為x 方向，垂直方向為Z 方向，可將有效隔水層受力模型簡化為圖5 所示。

圖5 底板隔水層關鍵層受力模型

進行q（x）分析計算時，考慮采空區(qū)冒落矸石充填壓實對于有效隔水層的作用力，P 為承壓水導升后的水頭壓力，參照馬堡煤業(yè)水文地質(zhì)資料，奧灰含水層導升帶高度一般為7.0 m，根據(jù)彈性薄板理論確定各點的應力，然后通過摩爾-庫倫準則確定各點的破壞情況，有效隔水層上部某一點發(fā)生塑性破壞，則表明此時奧灰含水層與底板破碎帶導通，工作面發(fā)生突水事故，根據(jù)馬堡煤業(yè)15202 工作面底板巖層特性、地質(zhì)環(huán)境等條件工作面長度為110 m，假定工作面回采初期推進距離為80 m，整理計算得到底板隔水關鍵層突水系數(shù)等值線如圖6 所示。根據(jù)安全規(guī)程規(guī)定[3]，完整底板區(qū)域臨界突水系數(shù)為0.1 MPa/m，由圖6 可以看出，工作面回采80 m 條件下，工作前方及采空區(qū)兩側(cè)、后方突水系數(shù)均大于0.1 MPa/m，存在極大的突水可能性。

圖6 底板突水等值線云圖

5 底板注漿改造措施應用

根據(jù)前文研究成果可知，馬堡煤業(yè)15202 工作面存在底板奧灰含水層突水的危險，需采用有效的措施方能實現(xiàn)工作面的帶壓開采，減小底板巖層的內(nèi)摩擦角及增大其粘聚力均能夠顯著減小底板巖層塑性破壞深度，增大有效隔水層厚度，參閱相關研究成果表明[3-4]，通過對巖體注漿改造可改善巖體的力學性能，因此設計在15202 工作面回采前對底板進行注漿改造，注漿鉆孔鉆場布置在工作面兩側(cè)順槽及開切眼內(nèi)，共18 個鉆場，注漿鉆孔平面示意圖見圖7（a），其注漿系統(tǒng)工藝流程如圖7（b）。

鉆孔終孔深度為16.0 m，1、2、3 號鉆孔與水平面的夾角分別為30°、40°、45°，注漿鉆孔取芯鉆進，鉆進期間依次放置直徑168 、108 、89 mm 的止水護壁套管，采用純水泥漿封孔，封孔漿液凝固后進行耐壓試驗，試驗壓力為6 MPa，為保證底板鉆孔發(fā)生突水能夠及時止水，在每個注漿管口均安裝耐壓6 MPa 的止水閥門。綜合考慮注漿加固效果和工程成本，設計底板加固漿液為純黏土漿，黏土漿液水灰比為1.5∶1，注漿前首先進行漿液的制備和檢測。

圖7 底板注漿鉆孔布置示意圖

6 底板破壞深度實測及注漿效果評價

為考察馬堡煤業(yè)15202 工作面底板注漿改造效果，工作面回采期間通過聲波探測技術(shù)對底板破壞情況進行現(xiàn)場實測，測站布置在回風順槽，每個測站布置1 個鉆孔，鉆孔長度26.5 m，測試深度為14 m，測站及鉆孔布置詳情如圖8 所示。

根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果表明，直至工作面回采至測站位置，鉆孔1 處底板最大破壞深度為6.5 m，鉆孔2 處底板最大破壞深度為7.0 m，相較于數(shù)值模擬研究結(jié)果，底板最大破壞深度減小8.5～9.0 m，注漿改造效果良好。15202 工作面回采期間，注漿后各鉆孔出水量很小，大多保持在0～0.8 m3/h，滿足設計規(guī)范要求的涌水量，工作面正?；夭善陂g涌水量穩(wěn)定在4.3～6.3 m3/h，未出現(xiàn)涌水量劇增的現(xiàn)象，實現(xiàn)了工作面的帶壓開采。

圖8 聲波測試鉆孔布置示意圖

7 結(jié)論和建議

以馬堡煤業(yè)15202 工作面開采為工程背景，通過數(shù)值模擬、理論分析計算、現(xiàn)場實測等手段研究得到以下結(jié)論及建議：

1）15202 工作面底板最大破壞深度為15.5 m，通過減小底板巖層內(nèi)摩擦角、增大其粘聚力可顯著減小底板破壞深度，增大有效隔水層厚度。

2）15202 工作面現(xiàn)有地質(zhì)及開采技術(shù)條件下，底板存在極大的突水危險性。

3）對底板進行注漿加固改造技術(shù)措施后，底板巖層最大破壞深度為6.5～7.0 m，有效隔水層厚度顯著增大，回采期間涌水量穩(wěn)定在4.3～6.3 m3/h，底板注漿改造成功抑制了奧灰含水層突水事故的發(fā)生，為馬堡煤業(yè)15 號煤層帶壓開采提供寶貴經(jīng)驗。