带压开采工作面底板破坏深度研究及突水危险性预测

赵 东 沈浩洋 陈振亚 王跃伟

(1.平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南省平顶山市，467000；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北省武汉市，430081)

带压开采工作面底板破坏深度研究及突水危险性预测

赵 东1,2沈浩洋1陈振亚1王跃伟1

(1.平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南省平顶山市，467000；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北省武汉市，430081)

为有效防治采动影响导致的底板突水事故，采用塑性理论及经验公式分析计算了带压开采工作面底板破坏深度，并进行了突水危险性预测。根据平煤股份十矿24130工作面己18煤层的埋藏特征，通过大量的现场实测和理论分析，绘制出了工作面底板破坏带的分布形态图，计算出了采动引起的底板最大破坏深度为11.7 m，底板有效隔水层厚度为44.3 m，正常地质条件下不会对工作面回采造成影响，但不排除在断裂构造和寒武系灰岩水高水头压力的共同作用下，底板灰岩水可能通过构造破碎带或隔水层相对较薄的地方融入采煤工作面，造成突水事故的发生。提出了区域治理采用疏水降压、局部治理采用物探结合钻探、断裂构造附近采用注浆加固以及回采前完善工作面防排水系统、回采过程中加强水文地质巡查工作等一系列具体的防治水措施，保证了己18煤层的的安全开采。

带压开采 承压水 破坏深度 突水危险性预测 注浆加固

我国许多煤矿普遍存在奥陶纪灰岩或寒武系灰岩厚度大、裂隙岩溶发育、富水性好、补给充沛、水压高等问题，矿井底板突水事故发生频繁。工作面开采后，煤层底板岩层的原始应力状态发生破坏，采空区周围应力集中，底板应力作用使底板岩层产生各种裂隙，裂隙部分岩层将丧失隔水能力。在底板带压开采条件下，煤层底板破坏将减小隔水层厚度，进而降低底板隔水能力，增加底板突水危险性。因此，准确测出工作面底板采动破坏深度是承压水上采煤的一个重要的安全问题。

目前国内监测底板破坏深度的措施主要有压水实验法、相似材料和数值模拟法、超声波检测法、应变法等。从力学角度讲，采动过程是一个底板岩层应力状态不断调整的过程，且伴有岩层变形、位移和破坏。因此，通过在工作面现场实测采动中底板的应力与应变变化规律确定底板破坏深度是最有效的措施。以往学者们利用不同的方法对煤层底板变形及破坏规律做了不同角度的研究，并取得了大量的成果。但在工作面水文地质条件较为复杂、承压水开采条件下，底板采动破坏规律方面的研究相对较少。为此，针对平煤股份十矿24130工作面特殊的地质条件，根据底板破坏塑性理论、现场实测相结合的方法，分析确定工作面底板采动破坏深度，为该区域安全开采提供重要的理论依据。

1 工作面基本概况

平煤股份十矿位于平顶山市东北部、平顶山煤田东部，煤矿始建于 1958年,现核定生产能力为 330万t/a。十矿24130工作面开采二叠系下统山西组二煤段己18煤层,己18煤层平均厚度2.0 m,煤层倾角平均10°，该工作面走向长713 m, 倾斜宽 156 m,采深1000 m。山西组二煤段下覆石炭系太原组L1～L7灰岩，灰岩总厚度在41 m左右，再下为厚度约80 m的寒武系灰岩含水层。24130工作面所承受的寒武系灰岩水最大水压达到2.3 MPa,中间隔水层为砂质泥岩夹薄层状细砂岩。因此，防治24130工作面己18煤层底板突水是24130工作面安全开采亟待解决的问题。

2 底板突水预测的理论分析

根据24130工作面地质及水文地质条件,通过对煤层底板岩体应力分布规律和传播特征的研究,并结合岩石破坏准则及岩体强度理论计算出岩体的破坏深度和己18煤层底板突水极限压力,进而预测己18煤层底板突水危险性。

2.1 工作面底板岩体破坏深度计算

根据底板破坏塑性理论，工作面底板下一定范围内的岩体，当作用在其上的支承压力达到或超过其临界值时，岩体中将产生塑性变形，形成塑性区。当支承压力达到导致部分岩体完全破坏的最大载荷时，支承压力作用区域周围的岩体塑性区将连成一片，致使采空区内底板隆起，已发生塑性变形的岩体向采空区内移动，并形成一个连续的滑移面。此时,滑移界面内的底板岩体遭到的破坏最为严重。如图 1所示。

(1)煤层塑性区宽度的计算。根据十矿己18煤层底板岩层赋存条件和岩石力学试验结果，由试验和现场观测得出煤体的物理力学参数：煤层内聚力Cm为1.0 MPa，煤层内摩擦角φ为20°，底板岩石平均内摩擦角φ0为36°，覆岩平均容重γ为2200 kg/m3，煤层开采深度H为1000 m，采高m为2.2，最大应力集中系数n为3，煤体边缘塑性区宽度xa的计算如下式：

(1)

将相关参数代入式(1)得出煤体边缘塑性区宽度xa为9 m。

(2)煤层底板最大破坏深度的计算。煤层底板岩体的滑移线(即塑性区的边界)由主动极限区aa′b、过渡区abc及被动极限区acd 3个区域组成，如图1所示，主动区和被动区的滑移线各由两条直线组成；过渡区的滑移线由一组对数曲线组成，另一组为自a为起点的放射线。

Ⅰ-为主动区，Ⅱ-过渡区，Ⅲ-被动区图1 煤层底板中塑性破坏区

煤矿生产过程中煤层底板岩体发生底鼓的现象可以用塑性区的形成和发展过程加以解释。煤层开采后，在采空区周围的底板岩体上产生支承压力，当支承压力作用区域的岩体(图1中Ⅰ区)所承受的应力超过其极限强度时，岩体将会产生塑性变形，由于这部分岩体在垂直方向上受到压缩，在水平方向上必然会膨胀，膨胀的岩体挤压过渡区(图1中Ⅱ区)的岩体，并且将应力传递到这一区域。过渡区的岩体受到挤压后将继续挤压被动区的岩体(图1中Ⅲ区)。由于过渡区和被动区有邻空面(采空区)，在主动区传递来的力的作用下，过渡区和被动区的岩体将向采空区内膨胀(即底板的压延作用)。

根据魏西克(A.S.Vesic)提出的塑性滑移时岩土层极限承载力的综合计算公式，可得到底板岩体的极限载荷，从而得出极限支承压力条件下破坏区的最大深度和长度计算公式。

(1)煤层底板岩体最大破坏深度h1：

(2)

将煤层塑性区的宽度xa代入式(2)得煤层底板岩体最大破坏深度h1=11.7 m。

(2)煤层底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水平距离L1：

L1=h1tanφ0

(3)

将上面求得的煤层底板岩体最大破坏深度h1和底板岩石平均内摩擦角φ0代入式(3)，得出煤层底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水平距离L1为7.8 m。

(3)采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度L2：

(4)

将相关数值代入式(4)，得L2=83.8 m。

根据上述计算结果，绘制出按塑性理论求得的己组煤层底板破坏带的分布形态，如图2所示。

图2 24130工作面底板破坏带形态理论计算结果图

2.2 正常开采底板突水性预测

根据24130工作面水文地质资料, 工作面所承受的寒武系灰岩含水层水压达到2.3 MPa, 隔水层厚度为56 m,由于采动破坏引起的底板最大破坏深度是11.7 m, 因此, 底板有效隔水层的厚度为h2=44.3m。底板岩石的平均抗剪强度S0= 10 MPa, 底板岩石平均泊松比T=0.35。

通过力学计算, 可知底板有效隔水层所能承载的突水极限压力P为:

(5)

式中:t0——底板岩石的平均抗剪强度；

h2——底板有效隔水层层厚度；

H1——底板采动裂隙带与有效隔水层厚度之和；

r——底板岩石容重；

Lx——所研究区域的长；

Ly——所研究区域的宽。

将有关参数代入式(5), 得24130工作面底板隔水层所能承载的突水极限压力为3.5 MPa，大于含水层水压。因此, 在正常开采条件下, 煤层底板不会发生底板突水事故。但是在断裂构造以及寒武系灰岩水高水头压力的共同作用下，底板灰岩水可能通过构造破碎带或隔水层相对较薄的地方涌入采煤工作面，造成突水事故的发生。因此，在24130工作面回采前必须采取必要措施防治突水事故的发生。

3 底板突水防治措施

根据前面的分析可知，承压含水层上采煤底板突水受到底板含水层水压、地质构造、工作面开采空间以及开采方法等因素的影响。因此，降低底板含水层水压和采动对底板隔水层的影响是抑制底板突水的根本途径。

3.1 加大区域灰岩水疏放力度

灰岩水区域治理主要采用疏水降压的方法，即通过大量疏放煤层底板含水层水，使其水位、水压降至安全水位、安全水压以下，满足突水系数小于0.06的要求，达到安全开采的目的。底板含水层高承压水压是底板含水层导升破坏的重要力源，水压越高，含水层导升破坏带的高度越大。因此，疏降底板含水层高承压水压能有效减小突水系数，防止采动破坏裂隙带与底板含水层导升破坏裂隙带沟通，避免突水事故的发生。目前，十矿共有12个灰岩疏水孔在疏排寒武系灰岩承压水，单孔疏放量在5～25 m3/h，总疏放量在90 m3/h左右，年累计疏放量在78万m3。加大灰岩水疏放力度，尽快降低水头高度，减少底板灰岩承压水的威胁，可以为十矿深部己组煤层的安全开采奠定基础。

3.2 坚持物探先行、钻探验证的局部治理措施

除了疏水降压的区域治理方法之外，还应严格坚持物探先行、钻探验证的局部治理措施，即在24130工作面贯通之后，利用瞬变电磁物探的方法探测整个工作面底板灰岩水富水异常情况，对探测出的富水异常区进行钻探验证。为此，平煤股份十矿委托勘探工程处物探队在24130工作面进行了瞬变电磁探测，在24130机巷布置148个物探测点、风巷布置219个物探测点，每个物探测点探测2个或3个方向。瞬变电磁探测巷道断面示意图如图3所示。

图3 瞬变电磁探测巷道断面示意图

根据本次井下瞬变电磁法探测结果，结合矿井地质和水文地质资料综合分析认为，本工作面底板寒武系灰岩局部区段存在相对富水现象，在工作面内共探测出5处富水异常区,异常区异常深度在110～160 m之间，探测结果图如图4所示。针对探测出的每个富水异常区设计专门探放水钻孔进行钻探验证，确保水压达标后方可进行回采作业。

图4 24130工作面底板瞬变电磁探测结果图

3.3 注浆加固改造底板隔水层岩性

底板隔水层强度和岩体构造是影响底板突水的主要因素，对底板岩层进行注浆加固，能够加固煤层底板构造破碎区，提高底板隔水层薄弱区的强度，从而减小采矿矿压和含水层水压对底板隔水层的破坏程度，使采动矿压破坏的底板岩层裂隙与承压水压破坏的裂隙不会沟通。同时，注浆加固也可以充填底板岩体中的节理裂隙，抑制采动水压影响的底板岩层的扩展效应，减小采动破坏深度和承压水压导升破坏高度。

当然，后进生的转化，也不可能短期见效，需要长期坚持，不懈努力。但只要我们树立“手心手背都是肉”的观念，从小学到初中，从初中到高中，每一个阶段，每一个新学期都是我们改进体育后进生的机会和起点！

3.4完善工作面防排水系统，加强水文地质巡查工作

24130工作面在回采前根据预计的最大涌水量，在下进风巷低洼处的水泵窝内安装2台水泵，单泵排水能力不小于60 m3/h，用一趟4寸排水管路排入24130工作面下进风巷外口水泵窝内，再利用水泵窝内的两台型号为100D-16×8水泵排入己四水仓。同时在回采过程中要加强水文地质巡查工作，尤其是工作面通过物探富水异常区以及断裂构造时要强化水文地质调查，当发现有突水征兆，如底臌、底板渗水等异常情况时要立即停止作业，采取必要措施确保工作面安全回采。

4 结论

(1)利用塑性理论分析计算了24130工作面采动影响下底板破坏最大深度为11.7 m，底板有效隔水层的厚度为44.3 m，底板隔水层所能承受的突水极限压力为3.5 MPa。

(2)根据突水系数法和极限压力法两种方法，结合工作面地质和水文地质条件，对工作面进行了底板突水预测。

(3)使用瞬变电磁探测仪对工作面底板进行了水文地质条件探查，找出工作面可能突水的含水异常区(富水区)共5处，并对每个异常区进行了钻探验证，保证水压达标之后进行回采工作。

(4)提出了区域治理采用疏水降压、局部治理采用物探结合钻探、断裂构造附近采用注浆加固以及回采前完善工作面防排水系统、回采过程中加强水文地质巡查工作等一系列具体的防治水措施。

[1] 屈永超，乔卿付.带压开采底板奥陶水突水的安全性评价[J].能源与环保，2017(2)

[2] 高仰斗.工作面底板采动破坏深度研究[J].中国煤炭，2017(2)

[3] 黄河，李冲.承压水体上底板突水预测方法与防治措施[J].金属矿山，2008(6)

[4] 徐星，李凤琴，王玉和等.矿井工作面底板水害的防治[J].煤矿安全，2011(7)

[5] 杜伟升，姜耀东，高林涛.带压开采底板破坏因素分析及突水预测研究[J].煤炭科学技术，2017(6)

[6] 王作宇，刘鸿泉.承压水体上采煤[M].北京：煤炭工业出版社,1993

[7] 李白英.预防采掘工作面底板图水的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1989

[8] 王志荣，石明生.矿井地下水害与防治[M].黄河水利出版社,2003

[9] 杨风旺，杨增越.底板突水预测预报理论及技术[J].煤炭开采，2017(3)

[10] 张蕊，姜振泉，李秀晗等.大采深厚煤层底板采动破坏深度[J].煤炭学报，2013(1)

[11] 徐玉增.葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究[J].中国煤炭，2010(4)

[12] 段宏飞.煤矿底板采动变形及带压开采突水评判方法研究[D].中国矿业大学，2012

Studyondamagedepthofworkfacefloorundersafewaterpressureofaquiferandwaterinrushriskprediction

Zhao Dong1,2, Shen Haoyang1, Chen Zhenya1, Wang Yuewei1

(1.No. 10 Mine, Pingdingshan Tianan Coal Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China； 2. College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China)

To effectively prevent and control the water inrush accident caused by the mining influence, plasticity theory and empirical formula were adopted to calculate the damage depth of work face floor under safe water pressure of aquifer and water inrush risk prediction was carried out. According to the burial characteristics of Ⅵ-18 coal seam of 24130 work face in No. 10 Mine of Pingdingshan Coal Co., Ltd., through a large number of field measurement and theoretical analysis, the work face floor destruction was drawn out with the distribution form of chart, the maximum floor damage depth caused by mining was calculated as 11.7 m, the effective thickness of water-resisting layer was 44.3 m, that had little influence on the mining under normal geological conditions, however the floor limestone water may be integrated into work face through the tectonic fracture zone or relatively thin aquifer under the combined action of fracture structure and high head pressure of cambrian limestone water, causing water inrush accidents. Regional treatment using hydrophobic step-down, local treatment by the combined drilling and geophysical detection, grouting reinforcement around fracture, improving the waterproof and drainage system of work face before stoping and strengthening hydrogeological inspection work during mining process were put forward to ensure mining safety of Ⅵ-18 coal seam.

mining under safe water pressure of aquifer, confined water layer, damage depth, water inrush risk prediction, grouting reinforcement

TD742.2

A

赵东,沈浩洋，陈振亚等. 带压开采工作面底板破坏深度研究及突水危险性预测[J].中国煤炭，2017,43(11)：106-110.

Zhao Dong, Shen Haoyang, Chen Zhenya, et al. Study on damage depth of work face floor under safe water pressure of aquifer and water inrush risk prediction [J]. China Coal, 2017，43(11):106-110.

赵东(1987-)，男，河南沈丘县人，工程师，学士学位，现任平顶山天安煤业股份有限公司十矿地测队队长，从事地测防治水技术管理工作。

(责任编辑 张艳华)

国家安全监管总局“十三五”期间将制定强制性标准231项

日前，国家安全监管总局印发《安全生产标准“十三五”发展规划的通知》(以下简称《通知》)，“十三五”期间拟制定标准362项，其中强制性标准231项。

根据《通知》要求，“十三五”期间拟制定标准362项，其中强制性标准231项，推荐性标准131项，争取在“十三五”期间基本建成较为完善的覆盖煤矿、非煤矿山、危险化学品等12个行业领域的标准体系；依靠科技创新，加大科研基础条件和人才培养投入，加强专利与标准结合。

《通知》指出，针对我国安全生产标准存在的突出问题，要优先制修订特大事故中暴露的缺失或不适用的标准；加强标准实施信息反馈、效果评估和监督管理；调动各部门、各地区联合开展试点示范、宣传培训、考核评估和实施监督等工作；对标准实施过程中发现的问题及时分析原因；修订完善相关条款等。

《通知》强调，要建立安全生产国家标准、行业标准、地方标准、团体标准、企业标准协调发展的工作机制，把政府单一供给的现行标准体系转变成由政府主导制定的标准和市场自主制定的标准共同构成的新型标准体系；严格标准立项审查程序；培育和推动行业领域优势特色技术标准成为国际标准。