庞庞塔煤矿9#煤层带压开采安全性及治理措施

皇甫波

(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

霍州煤电集团庞庞塔煤矿位于山西省临县程家塔—吉家庄—阳泉村一带，井田内含煤地层为太原组和山西组，主要可采煤层为5上#、5#、9#煤层，现阶段5#煤层开采殆尽，即将进行9#煤层的开采，首采工作面为9-101工作面，所采煤层为9#煤层。9#煤层赋存于太原组中下部，平均煤层厚度为12 m；9-101工作面北部为西区9#煤运输暗斜井及5#煤大巷，南部、西部为9#煤层实体煤，东部为正在开采的9-301工作面及南延辅助运输巷、运输巷，上部为原5#煤5-103工作面(已采空)。9-101工作面井下标高+596～+708 m，与下部奥灰含水层间岩层平均厚度为61 m，奥灰水水位为+800～+825 m，抽水试验表明单位涌水量为0.851 L/s·m，富水性中等。9#煤层回采工作面为带压开采工作面，最大带压2.9 MPa，工作面回采期间，若下部奥灰水通过断层、陷落柱等导水地质构造涌入工作面，将造成严重的突水事故。

2 9-101工作面带压开采危险性

2.1 底板突水危险分析

采煤工作面是否能够安全进行带压开采，关键在于煤层与下部含水层间的岩层能否有效阻隔地下水。依据“下三带”理论[1]，工作面回采期间煤层与含水层间的岩层可分为采动破坏带、完整岩层带、承压水导升带，采动破坏带和承压水导升带丧失了对于承压水的阻隔能力，中部的完整岩层带是阻隔地下水的关键部分，其原理见图1.

图1 工作面底板突水示意图

查阅相关的研究成果，工作面回采期间底板能够承受的水压计算公式[2-3]：

(1)

式中：

C—底板内聚力，MPa；

φ—底板内摩擦角，(°)；

γ—底板容重，kN/m3；

γ1—水容量，kN/m3；

L—工作面沿推进方向最大悬顶距，m；

K—安全系数;

H—煤层距下部含水层的垂直距离，m；

h1—开采引起底板塑性破坏带深度，m；

h2—有效隔水层厚度，m；

h3—承压水导升带高度，m.

通过式(1)计算可得到底板能够承受的水压，当实际水压大于计算结果时，表明工作面存在突水危险。根据庞庞塔矿9-101工作面具体情况，可得到相关的参数：隔水层总厚H=61 m，L=64 m，K=1.75，φ=39°，γ=24.9 kN/m3，γ1=10 kN/m3，C=9.35 MPa，h3=4.4 m，底板塑性破坏深度h1可通过理论计算得到，但是计算结果往往与实际情况差异较大，因此为更加准确地确定9-101工作面回采期间底板塑性破坏的深度，采用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟[4].

2.2 底板塑性破坏深度模拟分析

模型X轴方向为工作面推进方向，长度为300 m，Y轴方向为工作面切眼长度方向，长度为200 m，Z轴方向为岩层堆积方向，高度为90 m. 工作面切眼长度方向距边界各留设40 m宽的煤柱，工作面切眼长度为120 m，三维数值模型见图2a)，各个岩层的力学参数见表1. 在模型顶部施加均布载荷大小为13.5 MPa，整个模型服从摩尔库伦破坏准则。模型边界条件：模型前后左右边界水平方向的位移受到约束，底部边界为固定边界，各个方向的位移均为零，模型顶面为自由边界，数值模型边界条件见图2b). 为避免边界效应，在模型中部模拟工作面的回采，工作面共推进180 m，推进的起止点与边界各留60 m的煤柱，工作面开挖步距为5 m，计算平衡后观察煤层顶底板塑性破坏情况。

表1 岩石力学性质参数表

图2 数值模拟方案示意图

在工作面中部沿工作面推进方向取垂直切面，得到工作面回采期间围岩塑性破坏情况结果，见图3. 由于图像数量较多，篇幅过大，仅给出较为典型的几幅，统计工作面不同推进长度条件下底板的塑性破坏深度，整理得到工作面底板破坏深度随着工作面推进距离的变化曲线，见图3f).

图3 数值模拟结果图

由图3可以看出，9-101工作面回采期间，工作面后方形成采空区，打破了煤层附近岩层的应力平衡状态，导致采空区顶底板岩层出现明显的塑性破坏区。工作面推进方向采空区两个边界处围岩塑性破坏范围较大，并且随着工作面推进距离的增加，顶底板岩层内塑性破坏的范围和深度不断的增大，其最大破坏深度始终位于煤壁前方底板内。根据图3f)可以看出，当工作面推进距离由0增大至120 m时，底板岩层塑性破坏最大深度由0增大至27 m，工作面继续推进至180 m时，底板塑性破坏深度维持在27 m. 综上可知，9-101工作面回采底板塑性破坏最大深度h1=27 m.

底板有效隔水层厚度h2=29.6 m，结合相关参数，代入式(1)可求得，9-101工作面底板能够承受的极限水压P=1.75 MPa，而工作面底板奥灰含水层实际水压最大可达2.6 MPa，计算可得突水系数为0.088 MPa/m，承压水实际压力大于极限水压，且突水系数大于临界突水系数0.06 MPa/m(构造发育区)[5]，表明9-101工作面回采期间很可能发生突水事故，必须采取适当的措施进行底板水害的防治。

3 底板注浆加固可行性研究

庞庞塔煤矿9-101工作面回采受下部奥灰含水层的威胁，工作面回采导致有效隔水层的厚度变薄，无法有效地隔绝下部含水层。确保工作面的安全回采，需增大有效隔水层的厚度，因此可采用钻孔注浆技术对工作面底板进行改造，提高底板的强度和刚度，以减小底板的破坏深度。采用FLAC软件进行注浆改造，并对工作面底板加固效果进行模拟研究。根据李召峰等人的研究成果[6]，采用425硅酸盐水泥进行注浆，注浆压力为2.5 MPa，养护28天后加固系数平均达2.10. 模拟研究时设计注浆深度为61 m，隔水层的黏聚力和抗拉强度增大1倍，最终得到的模拟结果见图4.

图4 注浆加固后数值模拟结果图

由图4可知，对底板采取注浆加固措施后，在工作面推进距离相同的条件下，底板岩层的塑性破坏范围和深度明显减小。底板塑性破坏深度仍在工作面煤壁下方附近，随着推进距离的增大，底板塑性区的分布不是呈整体分布，而是呈多个互相独立的小区域分布，工作面继续推进，这些区域逐渐相关联通，但是底板的塑性破坏深度未继续增大。根据图4d)可以看出，当工作面推进距离由0增大至50 m期间，底板塑性破坏深度不断的增大，工作面推进长度由50 m继续增加，底板塑性破坏深度不再增大，底板塑性破坏深度最大为10 m.

底板注浆改造后，工作面回采期间最大塑性破坏深度减小为10 m，底板有效隔水层厚度h2增大为46.6 m，代入式(1)计算可得，底板能够承受的极限水压P=3.58 MPa，奥灰含水层最大水体压力为2.6 MPa，则底板突水系数为0.056 MPa/m，奥灰含水层水头压力小于极限水压，且突水系数小于0.06 MPa/m. 由此可认定奥灰含水层突水的危险性解除，通过底板注浆改造，能够保障庞庞塔煤矿9-101工作面的安全回采。

4 结 论

根据庞庞塔煤矿9-101工作面地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件分析工作面回采期间底板塑性破坏情况，可知9-101工作面存在底板突水的危险。对底板隔水层进行注浆改造模拟，结果表明，注浆后底板塑性破坏最大深度为10 m，此时底板能够承受的极限水压为3.58 MPa，突水系数减小为0.056 MPa/m，实际水压小于极限水压，突水系数同样表明底板已无突水危险。由此可见，通过底板注浆改造，可保障该矿9-101工作面的安全回采。