木瓜煤矿10#煤层带压开采技术研究与应用

荀庭龙

（霍州煤电集团，山西 霍州031400）

1 工程概况

山西霍州煤电木瓜煤矿位于方山县大武镇木瓜村南部，井田面积10.63km2，井田可采煤层共6层，分别为2、3、4、4下、9、10（9+10）号煤层，现阶段9#煤层已采掘殆尽，10#煤层即将进入回采阶段，位于太原组下部，煤层厚度1.20～6.52m，平均3.27m，10-100工作面位于井田南部一采区准备巷道左翼，为10#煤层的首采工作面，工作面上部9#煤层未采掘，10-100工作面回采巷道及切眼沿10#煤顶板施工。10#煤层下部主要含水层为奥陶系灰岩含水层，10#煤层与下部主要含水层平均距离62m，木瓜煤矿最新奥灰水位标高为+1195m，10#煤层底板标高+895～+1020m，10#煤层采煤工作面为带压开采，为实现木瓜煤矿10#煤层采煤工作面的安全回采展开相关研究。

2 10-100工作面带压开采安全性评价

1）奥陶系含水层情况。奥陶系岩溶裂隙含水岩组（O2s）岩性主要为灰岩，岩溶裂隙较为发育，据井田内水文孔抽水试验表明，奥灰水位静止标高在为+1195m，其单位涌水量为0.0895L/s·m，该含水岩组在任家村北部山坡露头处接受大气降水的补给，沿倾向向深部迳流，在汾河河床一带排泄。

2）主要隔水层。石炭系本溪组隔水岩组（C2b）岩性主要为泥岩、炭质泥岩，厚度52.60～74.70m，平均厚度62m，总体来讲为主要可采煤层与下伏奥陶系岩溶裂隙含水岩组的良好的隔水层，使奥灰水不能直接与上覆含水岩组连通。

3）带压开采突水系数计算。木瓜煤矿最新奥灰水位标高为+1195m，10-100工作面底板标高最低为+945m，低于奥灰水位标高250m，为具体分析10#煤层10-100首采工作面带压开采的可行性，采用“下三带”理论[1～2]，理论分析计算工作面回采期间，底板隔水层能够承受的安全水压：

式中：P为极限水压，MPa；C为底板隔水层平均内聚力，MPa;L为工作面最大空顶距，m；φ为底板隔水层平均内摩擦角，°；γ为底板岩体容重，kN/m3；K为安全系数，1;h1为采动影响下底板塑性破坏深度，m；h2为有效隔水层厚度，m；h3为导升带高度，m。

依据矿方提供的相关地质资料，10-100工作面与底板奥灰水间岩层的内聚力C=1.89MPa，内摩擦φ=36°，工作面最大空顶距L=95m，岩体容重γ=34.8 kN/m3，安全系数K取2，底板破坏深度h1=27.5m，导升带高度h3=4.2m，隔水层总厚度H=62m，有效隔水层厚度h2=H-h1-h3=62m-4.2m-27.5m=30.3m将以上参数代入式（1）计算可得，10-100工作面底板隔水层能够承受的极限水压为1.63MPa，工作面底板奥灰水最大压力达到2.5MPa，由此说明，10-100工作面回采期间底板存在突水的危险。

3 底板注浆加固可行性研究

为确保木瓜煤矿10-100工作面的安全生产，提出采用底板注浆加固的措施来防治底板突水事故的发生，为掌握注浆加固对于底板隔水层的加固效果，采用FLAC3D软件井下模拟研究[3～4]。工作面沿X轴方向推进，模型Y轴方向为工作面长度方向，模型Z轴方向高度为100m，模型尺寸长、宽、高为350m、240m、90m，三维数值模型详见图2（a）。10-100工作面长度为160m，工作面两侧距模型边界各40m，共推进200m，模型底面为固定边界，前后、左右边界面施加水平位移约束，模型顶面为自由边界，施加6.25MPa应力载荷，模型边界条件及模拟开挖情况如图1（b）所示。

图1 数值模拟方案

首先使模型计算平衡得到初始地应力场，之后进行10-100工作面的回采，模拟底板注浆加固时，注浆深度为62m，浆液采用425普通硅酸盐水泥，根据李召峰等人的研究成果，注浆后岩层的强度提高1倍，据此调整底板隔水层的物理力学参数，沿工作面推进方向取剖面，观察底板隔水层的塑性破坏情况，整理得到图2所示的结果。

图2 数值模拟结果

图2 （a）和（b）分别底板注浆前后工作面围岩塑性区分布模拟结果，由图2（a）可以看出，工作面前后边界附近底板塑性破坏深度最大，结合图2（c）所示底板破坏深度变化规律，工作面由0m回采至120m期间，底板塑性破坏深度不断增大，最大破坏深度达到27.5m。由图2（b）所示结果可以看出，对比注浆前，底板塑性破坏深度和范围显著减小，底板的塑性破坏呈现明显的周期规律性，结合图2(d）所示的统计结果，工作面推进距离由0m增大至50m期间，底板的塑性破坏深度不断增大，最大破坏深度达到10.5m，显著小于注浆前。注浆后底板破坏深度减小为10.5m，通过式（1）计算可得，底板隔水层能够承受的极限水压P=3.58MPa，奥灰水最大带压为2.5MPa，承压水实际压力小于极限水压，由此可认定奥灰含水层突水的危险性解除。综上可知，底板注浆加固可减小底板塑性破坏的深度和范围，能够实现木瓜煤矿10#煤层的带压开采。

4 底板注浆改造工程应用

4.1 底板注浆方案

底板注浆加固的原理是通过浆液封堵导水裂隙，注浆改良底板隔水层的力学特性，增大有效隔水层的厚度，木瓜煤矿10#煤层下方主要含水层为L6～L8灰岩，是工作面主要突水水源，因此设计注浆钻孔的终孔层位为L6灰岩。在对木瓜煤矿10-100工作面底板进行注浆前，首先通过瞬变电磁法探测底板富水异常区[5]，对于重点区域增加注浆钻孔的密度和注浆量。10-100工作面总长度约1300m，两侧回采巷道内各布置10个钻场，钻场间距120m，结合瞬变电磁圈定的富水异常区，设计各个钻场内钻孔的布置，共设计238个钻孔，钻孔的布置详情如图3所示。

图3 底板注浆钻孔布置平面图

钻孔采用直径133mm和78mm的钻头钻进，钻机采用ZDY3200S全液压钻机，钻孔长度大多在100～160m之间。本次底板注浆材料选用425硅酸盐水泥，添加剂为水玻璃，浆液水灰比为1.6，注浆压力3～5MPa，每个注浆孔注浆量在20～30m3。

4.2 注浆效果分析

采用瞬变电磁法进行现场探测，整理得到底板注浆前后富水异常区的圈定结果如图4所示。由图4（a）所示结果可以看出，底板注浆前，10-100工作面范围内存在5个A级低阻异常区和9个B级低阻异常区，A级低阻异常区表明底板岩层富水性较强，B级低阻异常区表明底板岩层富水性较弱，由此说明，注浆加固前，底板岩层多处富水性较强，工作面带压开采存在突水的危险；由图4（b）所示结果可以看出，底板注浆后，10-100工作面范围内存在1个A级低阻异常区和2个B级低阻异常区，底板岩层富水性明显减弱。对复探的3个低阻异常区可通过补打钻孔注浆进行治理。综上可知，通过底板注浆加固，能够实现10-100工作面的安全带压开采。

图4 注浆前后底板富水异常区分布

5 结论和建议

1）根据木瓜煤矿10#煤层的水文地质条件，采用极限水压理论计算得到10-100工作面底板隔水层极限水压为1.63MPa，底板奥灰水最大水压为2.5MPa，工作面底板存在突水的可能。

2）采用FLAC3D数值软件模拟分析表明，10-100工作面回采期间底板塑性破坏深度为27.5m，注浆后底板塑性破坏深度减小为10.5m，底板隔水层能够承受的极限水压P=3.58MPa，验证了通过底板注浆加固能够消除奥灰水的威胁。

3）设计具体的底板注浆加固方案，通过瞬变电磁法检验加固效果，注浆后，10-100工作面范围内底板富水性显著减弱，通过底板注浆保障了工作面的安全带压开采，取得良好的应用效果。