承压水下工作面底板突水机理及注浆加固技术研究

陈振芳

（霍州煤电集团有限责任公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

某矿现主要开采太原组21煤，该煤层属于全区稳定可采煤层，煤层厚度为1.3～1.7m，煤层平均倾角8°。顶板上覆十二灰岩层内部节理裂隙发育，内部充填有方解石，富水性较差，主要为静贮存方式为主，井下开采实践表明，在部分区域十二灰下部顶板会出现淋水现象，但涌水量相对较小，均在3m3/h以下，且会很快衰减。由物探及钻探结果可知，底板下覆十四、十五灰岩裂隙均不发育，富水性均较弱。整个本溪组岩层的平均厚度为32m，其主要构成岩层有泥岩、粘土岩、中厚层灰岩为主，可作为相对隔水层。当未受到工作面回采动压影响时，十四、十五灰与奥灰水之间的水力联系很小，然而该奥灰岩层厚度大、水压力高、含水量丰富，为该区域内的强含水层。煤层底板奥灰水的存在会对工作面的安全开采产生带来隐患，特别是有断层或陷落柱等地质构造存在时，更增加了危险系数，因此需对底板突水危险性进行研究。

2 首采工作面底板突水危险性评价

2.1 底板破坏深度预测

首先对工作面推进导致煤层底板产生破坏的深度进行分析研究。根据该矿工程地质条件，底板岩层的内摩擦角φ0取38°，内聚力C0取3.25MPa，煤层开采厚度按1.5m取，煤层平均埋深按最深处750m计算，21煤的内摩擦角φm取25°，内聚力Cm取1.4MPa，覆岩容重γ取25kN/m3，应力集中系数n取3。

1）底板破坏深度弹性理论计算分析，考虑底板在最大受力情况下时的破坏情况，通过式（1）可对底板最大破坏深度进行计算，将上述参数代入计算可得：

2）底板破坏深度塑性理论分析，在回采动压影响下，当煤层底板所承受的压力超过其承载极限强度时，底板岩体会发生塑性破坏，当塑性破坏区域面积增大并相互贯通后，塑性破坏的底板岩体会向采空区方向移动，形成一个连续滑移面，此时底板破坏深度达到极限，围岩变形最为严重，煤层屈服区的长度可由式（2）来计算：

将上述计算结果代入式（3）可最终计算煤层开采后底板最大破坏深度为：

3）数值模拟底板破坏深度。

以该矿的工程地质条件和首采21煤工作面特征建立数值计算模型，从而对煤层开采过程中底板破坏深度进行预测。建立的模型如图2所示，模型长为270m、宽为200m、高为115m，煤厚取1.5m，埋深取750m，设置边界条件后，在模型上部边界施加17MPa压力以代表覆岩容重，煤层下部含水层孔隙水压力为6.1MPa。

图1 底板塑性破坏区分布

图2 底板破坏深度变化曲线

工作面推进后，煤层顶底板塑性区分布如图1所示，工作面推进距离与煤层底板破坏深度的关系如图2所示。图中横坐标L表示工作面推进距离，而纵坐标h表示煤层底板的破坏深度，由图可知，工作面推进的距离越大，则底板发生破坏的深度就越深，尤其是开切眼处和工作面推进所处位置，这两处底板发生了严重的变形破坏，当工作面向前回采长度超过105m后，该破坏深度值逐渐趋于不变，由数值模拟结果可知，该矿首采面的底板最大破坏深度约为12m。

弹性计算方法和塑性计算方法原理不同，因而导致所计算的底板破坏深度分别为11.4m和9.2m，数值模拟计算结果约为12m，通过上述理论分析及计算，并结合该矿的实际测得的底板破坏深度，得出受煤层开采影响而导致的煤层底板破坏深度为12m。

2.2 底板承压水导带升高度分析

底板承压水导升带主要由两部分构成，即：原始导升带和采动导升带。顾名思义，原始导升带即煤层开采前已形成，若煤层底板有承压水存在，则其会沿着底板内原来存在的裂隙上升到一定范围内；而受到工作面回采动压影响，底板原岩应力和水流平衡场遭到破坏，在采动应力和承压水压力的共同影响下，原始导升带会继续上升，从而导致采动导升带的形成。

1）原始导升带高度的确定。

该值主要由承压水压力和底板隔水层隔水能力综合确定的。通常沙砾岩等岩层强度较高且脆性较好，在压力作用下更容易产生裂纹，即存在原始导升现象，而泥页岩等强度相对较低，呈现泥化性质，在正常情况下无导升现象。其分布呈现区域性，一般小于5m，若处于地质构造带，导升带高度也不超过15m。该矿奥灰水顶面主要成分为泥岩和铝土岩，正常情况下不易产生裂隙，隔水性相对较好，因此原始导升带可按1m选取。

2）采动导升带高度的确定。

底板承压水采动导升带除与上述两个因素有关外，更多受工作面开采工艺及生产方式等影响，通常可采取钻探和物探相结合的手段进行探测，也可结合理论分析及数值计算等方法进行预测。该矿21煤开采厚度较小，因此工作面回采动压对煤层底板产生的扰动较小，同时承压水上部泥岩和铝土岩厚度达到16m，裂纹扩展不易，因此综合考虑采动导升带高度为4m。因此，该矿的底板承压水导升带高度综合确定为5m。

2.3 底板承受极限水压力计算

通过理论计算和数值模拟综合确定动压影响下造成底板破坏最大深度h1约为12m，导升带高度h3约为5m，煤层底板与奥灰水间的垂直距离约为50m，则可计算隔水层厚度h2为33m，其余值根据工作面实际情况分别进行取值，Lx和Ly分别按250m和200m计，底板岩层容重γ按25kN/m3选取，抗剪强度τ0按8.0MPa取，泊松比μ按0.3取。在不考虑地质构造时，底板所能承受的极限水压力按式（5）计算：

2.4 底板突水危险性评价

通过实测可知该矿首采工作面承压水压力P为6.1MPa，而底板所能承受的极限水压力Ps为3.0MPa，前者值大于后者，因此21煤首采工作面在开采时，底板有发生突水的危险。对于煤层底板突水危险性进行评价可选取突水系数作为评价指标，该值可由式（6）计算：

式中：Ts为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层所承受的水头压力，MPa；M为底板隔水岩层厚度，m。通常认为，底板在受地质构造破坏段突水系数未超过0.006MPa/m，正常开采区域突水系数未超过0.1MPa/m，满足上两个条件时，底板突水威胁性小，可进行带压开采。针对该矿首采面，突水系数为：

因此可知，该矿首采工作面进行带压开采时危险性极大，这也与前边的理论分析计算结果相互吻合，上述分析都以完整底板为研究对象，若开采过程中遇到断层或陷落柱等地质构造时，更容易引发突水事故的发生。因此在工作面开采前一定要做好地质勘查工作，提前做好防止底板突水的专项安全技术措施，以保证工作面实现安全回采。

3 底板突水防治方法

对于煤矿井下防治水工程来说，除了要贯彻防治水十六字方针外，同时要结合本矿的生产实践制定“防、堵、疏、排、截”等综合防治措施，通常以来，针对矿井水害，通常采用如下三种方法：采前疏水降压、注浆加固底板岩层及选择合理的开采方法。具体对于该矿而言，煤层下部奥灰水系灰岩水压力达到6.1MPa，该岩层不但厚度大，同时含水量很高，若采取疏水降压措施，则从经济及技术上均不合理，改变该矿煤炭开采方式也不实际，综合考虑采用注浆的方法来对底板进行加固，通过注浆加固实现“封堵裂隙、加厚底板”的作用，以防止突水事故的发生。

4 注浆堵水工程实践及应用效果分析

注浆材料选用价格低且胶结强度高的425#普通硅酸盐水泥，为保证浆液流动性和胶结强度，将水灰比控制为1.8～1.2：1，注浆压力根据现场情况按水源压力的1.5～2.0倍选取。根据该矿以前的注浆加固实践经验，浆液扩散半径30m计，同时为了防止工作面两侧发生突水，注浆孔终孔位置超过两条回采巷道50m，每条巷道布置16个注浆钻场，除了位于工作面端头的钻场需布置8个钻孔外，其余均布置4个钻孔即可。钻孔布置如如图3和图4所示。

图3 注浆钻孔俯视图

图4 注浆钻孔剖面图

5 结 论

通过底板注浆加固工程，将底板岩层中的裂隙封闭，相当于增加了底板隔水层的有效厚度，使底板抵抗突水的能力得到加强，减少了矿井降排水费用，使矿井突水问题得到很好地解决，实现了工作面安全高效回采。该项工程不仅为矿井带来了经济效益，同时保护了地下水资源，为同类矿井承压水下煤炭资源的高效开采利用提供了一定借鉴意义。