煤层底板突水预测与注浆加固技术研究

李建武

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

某矿井田属于华北型石炭二叠系含煤构造，煤系地层为二叠系山西组，井田范围内煤层总厚为7.30m，二1煤层大部分可采，其他煤层属于局部可采或不可采煤层。可采煤层的总厚为4.22m，其含煤系数0.73%。井田由下至上的地层依次为：上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。

石炭系、奥陶系及含煤的下二叠系是可能导致煤层底板突水的地层，二1煤层底板含水及隔水层依次为硅质泥岩、L7灰岩、砂泥岩、L3灰岩、铝土质泥岩及奥陶系灰岩，含水层主要为太原群灰岩岩溶裂隙承压含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层，根据矿井勘探钻孔资料知奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层厚度为64.9～120m，井田北部灰岩浅埋区及裸露区岩溶发育，含水性强；太原群灰岩岩溶裂隙承压水含水层岩性主要为硅质泥岩、薄层灰岩、砂岩和薄煤层组成，总厚约为35～56m，L7灰岩属于直接充水含水层，L1-3灰岩属于间接充水含水层。二1煤层至奥灰距离等值线图如图1所示。

图1 二1煤层至奥陶系灰岩距离等值线图

2 煤层底板突水机理研究

2.1 底板突水的影响因素

煤层底板突水会受到工作面底板岩性、地质构造、采煤工艺及水源等因素的影响。下面对水源、底板岩层组合形式及地质构造对底板突水的影响进行具体分析。

1）水源。煤层底板下方的承压含水层中水压力的大小决定着底板是否会发生突水现象，我国华北煤矿主要受到奥灰岩含水层的威胁，该含水层是造成底板突水的主要源泉，煤层底板突水中主要有以下几种方式：底板岩层完整时突水、底板岩层存在导水断层时突水及承压水上部岩层透水时突水。根据该矿二1煤层基底存在奥陶系岩溶含水层，其含水性较强，与二1煤层之间的距离范围为43.8～74.8m，平均水压高为2.8MPa，属于有突水危险的状态。

2）底板岩层组成形式。底板有效隔水岩层厚度、岩性及其组合状态对底板突水起到重要的制约作用，在底板隔水层由软硬相间的岩层组成时，能够提升岩层的抗水压能力，且硬岩层中裂隙易于向软岩层扩展，但软岩中的裂隙，不易向硬岩层扩展。

根据二1煤层底板岩层的组合特性分析知，底板岩层属于软硬交替型组合，利于阻止奥灰突水事故的发生。

3）地质构造。地质构造是造成煤层底板突水的重要原因之一[1-2]，尤其是断层为发生底板突水时主要的导水通道，在断层过奥灰或太灰含水层时会缩短煤层与含水层之间的距离，降低底板隔水层的有效厚度，从而致使突水。对于褶皱构造，其会造成岩层的物理性能易变强度低，且易失稳破坏，承压水会沿着节理裂隙不断冲刷形成突水。

本次讨论矿井井田为单斜构造且基本无大断层，但小断层和岩层间挠曲的情况较多，现已揭露断层138条，主要为正断层，平均断层密度为46条/km2，这些小断层对局部地区的岩溶发育和积聚地下水起到关键作用。

2.2 完整底板突水压力的计算

在回采工作面底板存在承压水时，能将煤层到底板承压水含水层之间的岩层划分为“三带”[3]，如图2（a）所示，图中h1表示底板采动裂隙带，h2表示完整有效隔水层，h3表示承压水导升裂隙带，其中有效隔水层的厚度和其抗剪强度时底板是否发生突水的关键，在长壁工作面所采煤层为倾斜或近水平赋存时，可将上覆采动裂隙带重力表示为γh1，下部均布水压力用P表示，隔水层自身体力表示为γh2，如图2（b）所示。现对有效隔水层能够承受的极限压力进行分析。

图2 底板有效隔水层力学模型

根据弹性力学薄板理论知，该模型能运用Ritz法进行分析[4]，得出有效隔水层能够承载的突水极限压力P表达式为：

式中：τ0为底板岩体的平均抗剪强度，MPa；H为底板采动裂隙带和有效隔水层厚度之和，m；h2为底板有效隔水层厚度，m；γ为底板岩体容重，kN/m3；υ为底板岩体的泊松比；Lx为研究区域长度，m；Ly为研究区域宽度，m。

2.3 遇断层时底板突水压力的计算

据相关研究及工程案例表明，断层或者裂隙带会很大程度上引起底板突水，且正断层对底板突水的影响较大，故现对工作面遇到正断层时底板所能承受的突水极限压力进行分析，将底板遇正断层时的力学模型简化为如图3所示，图中H为煤层至承压水导升带顶部之间的总厚度，h1为底板采动裂隙带，h2为底板有效隔水层厚度。

图3 断层附近底板力学模型

从图3力学模型中对底板有效隔水层中任取厚度为dz的单元体，在断层的影响下，单元体的一侧向阻力由 C+σxtanφ 变为 CF+σxtanφF，在单元体达到平衡时，由垂直方向上合力等于零，可列方程：

在底板有效隔水层达到极限平衡状态时，令λ=1+sinφ/1-sinφ，并根据莫尔-库伦准则有：

将式（3）带入到（2）中能够得出：

对上述微分方程进行求解可得：

将边界条件 z=0，σz=γh1；z=h2，σz=P-γH 带入式（5）中能够得出底板有效隔水层所能承受的极限压力的表达式为：

式中：C为完整隔水层带岩石的内聚力，MPa；φ为完整隔水层岩石的内摩擦角，°；CF为断层带内岩石的内聚力，MPa；φF为断层带内岩石的内摩擦角，°；L为采空区控顶距，m；γ为底板岩石的容重，kN/m3。

根据上述分析知，若P实＜P时，底板不会发生突水，若不成立底板则存在突水危险，便应对底板采取加固防突措施来保证底板隔水层的稳定性。

3 底板突水预测与防治技术

3.1 底板突水预测方法

底板突水危险性的评价方法有很多，如突水系数法、“下三带”法及理论计算法等，根据本文矿井的实际条件，运用理论计算法对二1煤层底板突水危险性进行预测。根据底板岩层的最大破坏深度h1及煤层塑性区的宽度xa的表达式[5-6]如下：

根据二1煤层地质资料取 m=4.2m，φ=20°，n=4，γ=26kN/m3，H=300m，Cm=1MPa，K1=2，将上述数据带入式（7）能够得出xa=5.09m，h1=12m。依据弹性薄板理论，据二1煤层地质资料取 τ0=12MPa，H=48m，Lx=557m，Ly=127m，υ=0.35，故根据底板有效隔水层所能承载的突水极限压力计算式（1）能够得出P=6.1MPa，同时根据二1煤层平均水压高为2.8MPa，知无突水危险性。但井田范围内的小断层及层间挠曲较多，由小断层落差无法进行有效预测，且根据式（6）知断层会大幅降低有效隔水层能承受的突水极限压力，承压水极易在断层处发生突水，且该矿井1995年的突水事故证实了这一点，故通过分析拟对二1煤层底板进行注浆加固，对底板奥灰水进行有效的防治工作。

3.2 注浆加固底板方案

通过对工作面底板隔水层的薄弱层进行注浆加固，从而为工作面安全生产提供保障。根据井田1995年突水事故后对奥灰水的动态及水文分析，得出突水原因为奥灰水突破断层形成突水通道致使12106工作面突水，故基于此本次对二1煤层12181工作面底板进行注浆加固，12181工作面倾向长度127m，走向长度557m，所采煤层均厚5m，12181工作面位置如图4所示，图中阴影区域是运用音频物探手段圈定的强含水构造范围，从图中能够看出12181工作面与发生突水事故的12161工作面的含水构造相连通，有严重的突水危险性。

图4 12181工作面位置示意图

在12181工作面进风巷与回风巷内间隔60m布置钻探注浆硐室，钻孔在硐室内成扇形布置，如图5所示。本次注浆使用水泥-水玻璃作为注浆材料，注浆压力为6～9MPa，根据相关钻探注浆经验，可知底板含水层注浆时，浆液的扩散半径可达20～30m，各钻孔终孔层位在含水层L3灰岩。

图5 注浆钻孔布置位置示意图

在对12181工作面底板注浆加固处理完毕后，工作面在回采过程中为出现底板突水、下沉及异常涌水现象，实现了12181工作面安全顺利回采。

4 结论

1）通过建立底板完整时及遇断层时的力学模型，运用弹塑性理论分析得出了底板在完整时及遇断层时所能承受的突水极限压力。

2）采用理论分析法对二1煤层底板进行突水预测，得出该煤层底板一般情况下能阻止奥灰水的突出，但底板隔水层中存在较多的小断层及挠曲，致使底板极有可能发生突水事故，需对底板采取加固防水措施。

3）通过对12181工作面底板的含水性进行分析后，确定注浆参数，制定具体的注浆加固方案对底板进行加固处理，注浆加固后12181工作面在回采过程中未出现突水及涌水异常现象。