干河煤礦2-126 工作面異常涌水原因及防治技術(shù)研究

王志超

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司霍寶干河煤礦，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-126 工作面井下位于2#煤層二采區(qū)東南部，南部為井田邊界，西側(cè)鄰近2-128 工作面（未采掘），北部為二采區(qū)回采大巷。工作面煤層均厚3.78 m，煤層傾角7°～11°，工作面相對(duì)地面位置為霍州市西北部山梁、溝谷一帶，可采走向長(zhǎng)665 m，可采傾向長(zhǎng)193 m，地面標(biāo)高1130～1210 m，施工巷道標(biāo)高535～570 m，區(qū)域內(nèi)沒(méi)有水體及建筑物對(duì)施工影響。工作面呈一走向SW、傾向NW 的單斜構(gòu)造。2-126 工作面推采期間揭露斷層3 條，工作面節(jié)理發(fā)育，主節(jié)理走向SW51°，次節(jié)理走向NW39°。兩側(cè)回采巷道沿2#煤層走向布置，工作面切巷長(zhǎng)216 m。采用一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤。

2 工作面水文地質(zhì)情況分析

2-126 工作面回采過(guò)程中預(yù)計(jì)影響工作面主要水源為山西組上部砂巖含水層，富水性不均一，為弱含水層；底板主要含水層為石炭系上統(tǒng)太原組K2 灰?guī)r和奧陶系中統(tǒng)峰峰組O2灰?guī)r，2#煤層與石炭系上統(tǒng)太原組K2之間的隔水層平均厚度64.03 m，與奧陶系O2石灰?guī)r之間隔水巖層平均厚度118 m。工作面底板標(biāo)高為+515～+547 m，計(jì)算得出石炭系上統(tǒng)太原組K2 帶壓3.13～3.45 MPa，奧陶系中統(tǒng)峰峰組O2帶壓3.72～4.05 MPa。

底板突水系數(shù)計(jì)算：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層的水頭壓力，MPa（水位標(biāo)高K2 采用860 m、水頭壓力采用3.45 MPa，水位標(biāo)高O2采用920 m、水頭壓力采用4.05 MPa）；M為底板隔水層厚度，m。

由此得到太原組K2 突水系數(shù)為0.054 MPa/m，峰峰組O2突水系數(shù)為0.034 MPa/m，均小于規(guī)范要求的臨界值0.06 MPa/m。2#煤層開(kāi)采通常情況下不會(huì)引起太灰水、奧灰水涌入工作面，但2-126 工作面回采初期，采空區(qū)及工作面產(chǎn)生了大量的涌水。對(duì)2-126 工作面地質(zhì)情況進(jìn)行勘探，根據(jù)對(duì)涌水水源分析，底板涌水來(lái)自太灰、奧灰混合型水源。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)三維地震地勘分析報(bào)告并結(jié)合工作面回采前的槽波地震勘探結(jié)果（圖1a），確定工作面底板內(nèi)存在本溪組隔水層破碎區(qū)，破碎區(qū)水平投影呈橢圓形分布，如圖1（b）～（c），破碎帶可能使得奧灰水與太原組K2 灰?guī)r水導(dǎo)通，進(jìn)入回采工作面。

圖1 底板破碎帶示意圖

3 底板采動(dòng)變形破壞規(guī)律研究

根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明[1-2]，工作面回采將引起底板巖體受到一定程度的破壞，底板巖層的滲透性將發(fā)生變化，當(dāng)?shù)装甯羲畬訚B透性全部變化時(shí)，承壓含水層水將涌入回采工作面及采空區(qū)。為探究2-126工作面底板破碎區(qū)對(duì)底板涌水可能性的影響，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型。根據(jù)2-126 工作面地質(zhì)條件及開(kāi)采參數(shù)，建立煤層上方覆巖厚度11 m，煤層厚度取4.0 m，煤層底板巖層厚度118 m，模型總寬度為250 m，切眼設(shè)置在距模型左邊界30 m 處，埋深取500 m，頂面施加12.5 MPa 均布載荷。依據(jù)三維地震地勘結(jié)果建立底板破碎帶模型，破碎帶為橢球型，底部邊長(zhǎng)140 m，高度為84 m，頂部距離煤層底面34 m，巖體采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，完整底板條件下及底板含有破碎帶條件下數(shù)值模型如圖2。

圖2 數(shù)值模型及邊界條件示意圖（m）

工作面每開(kāi)挖5 m 進(jìn)行一次計(jì)算，計(jì)算平衡后查看沿工作面推進(jìn)方向底板巖層的塑性區(qū)分布。當(dāng)開(kāi)挖190 m 時(shí)底板巖層破壞情況如圖3（a），底板破壞最大深度隨工作面推進(jìn)距離的變化如圖3（b）。采煤工作面開(kāi)挖后，底板一定深度范圍內(nèi)的巖層發(fā)生塑性破壞，破壞深度在原開(kāi)切眼處及工作面正下方附近較大，而中部較淺，整體形狀類似倒馬鞍形，由此說(shuō)明采空區(qū)深部邊緣附近及工作面附近最易發(fā)生底板突水事故。結(jié)合圖3（b）可知，底板塑性破壞最大深度與工作面開(kāi)采距離呈正相關(guān)，工作面推進(jìn)至110 m 時(shí)，底板最大破壞深度達(dá)到18.5 m，工作面推進(jìn)距離繼續(xù)增大但底板破壞最大深度并未增加，表明底板巖層最大破壞深度為18.5 m。

圖3 常規(guī)底板條件下底板塑性破壞模擬結(jié)果

底板含有破碎區(qū)情況下，工作面回采120 m 底板塑性破壞情況如圖4（a），工作面回采40 m、80 m、120 m 條件下底板塑性破壞區(qū)及破碎帶塑性破壞區(qū)邊界線如圖4（b）。

圖4 底板含破碎帶條件下底板塑性破壞模擬結(jié)果

由圖4 可知，工作面回采40 m 時(shí)，底板巖層破壞深度10.5 m；回采80 m 時(shí)，底板巖層破壞深度18.0 m，同時(shí)底板破碎帶頂部巖層開(kāi)始發(fā)生塑性破壞，破壞高度達(dá)到4.0 m，兩個(gè)塑性破壞區(qū)域未貫通底板巖層；工作面回采120 m，底板塑性破壞深度最大值達(dá)到26 m，同時(shí)塑性破壞帶頂部塑性破壞高度達(dá)到8.0 m，底板塑性區(qū)與破碎帶頂部相互連通。綜上可知，由于2-126 工作面底板破碎帶的影響，工作面開(kāi)采期間底板塑性破壞深度增大，且破碎帶頂部區(qū)域巖層發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致工作面與下部承壓含水層導(dǎo)通，從而引起采空區(qū)及工作面出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象。

4 底板隔水層注漿改造方案及應(yīng)用效果

根據(jù)前文研究結(jié)論可知，干河煤礦2-126 工作面底板導(dǎo)水通道位于破碎帶區(qū)域，為減小采空區(qū)涌水量、實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采，設(shè)計(jì)對(duì)底板進(jìn)行原位注漿改造，增加底板的阻隔水性能[3-4]。2#煤層距奧灰含水層頂部平均距離為118 m，根據(jù)地層巖性特征，將注漿層位確定為本溪組上部的灰?guī)r巖層。該巖層厚度為10.65～16.34 m，距奧灰含水層頂面約30 m，距煤層底板約88 m。注漿鉆孔沿著巖層走向鉆進(jìn)，注漿材料為水泥和黏土，水泥與黏土的質(zhì)量比為1:1，漿液水灰比為5.5:1。注漿泵站設(shè)計(jì)在地面2#井場(chǎng)，設(shè)計(jì)1 個(gè)垂直主孔及3 個(gè)水平支孔，水平孔注漿區(qū)域間距50 m。首先通過(guò)中部的2-1#水平支孔進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿終壓8 MPa，之后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行2-2#、2-3#水平注漿孔的施工。注漿孔布置詳情如圖5。

圖5 底板注漿鉆孔布置示意圖

注漿加固前2-126 工作面涌水量穩(wěn)定在120～150 m3/h，2-1#鉆孔開(kāi)始注漿后，涌水量開(kāi)始顯著下降，注漿約16 d 后，涌水量減小約65 m3/h；2-2#鉆孔開(kāi)始注漿后，涌水量繼續(xù)減小，注漿5 d 后，涌水量減小約30 m3/h，最終采空區(qū)涌水量基本穩(wěn)定在45 m3/h 左右，如圖6。由此表明，底板隔水層原位注漿改造工程使2-126 工作面采空區(qū)涌水量顯著減小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)底板奧灰含水層保護(hù)的目的，為2#煤層后續(xù)工作面帶壓開(kāi)采提供寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖6 2-126 工作面采空區(qū)涌水量變化規(guī)律

5 結(jié)論與建議

結(jié)合三維地震勘探結(jié)果分析2-126 工作面底板破碎帶具體賦存特征，通過(guò)數(shù)值模擬研究，分析確定正常底板條件下工作面回采底板塑性破壞最大深度為18.5 m，底板存在塑性破壞帶條件下工作面回采引起采空區(qū)與底板破碎帶連通形成導(dǎo)水通道，這正是2-126工作面開(kāi)采期間采空區(qū)大量涌水的原因。設(shè)計(jì)對(duì)本溪組上部的灰?guī)r巖層進(jìn)行注漿改造，注漿后采空區(qū)涌水量減小約95 m3/h，底板隔水性能顯著提升，實(shí)現(xiàn)了工作面的帶壓保水開(kāi)采。