矸石充填法在防治煤层底板突水中的应用

2020-11-16苏亮

江西煤炭科技 2020年4期

苏亮

（同煤集团地质勘测处防治水科，山西大同 037001）

焦家寨煤矿自建井以来，受古窑积水以及各含水层的影响，在对煤层开采时，由于古窑位置以及范围的不好确定，导致探放水工作量很大，如果不能及时将积水排出，工作面与含水层形成导水通道，会引发突水事故[1]。随着开采深度的不断增加，煤层环境的恶化、水文地质情况的变化以及裂隙水导水通道等都加剧了底板突水的危险。因此，要对底板突水进行提前预防，以保障回采的安全性。

1 水文地质概况

1.1 水文概况

焦家寨煤矿现开采的5#煤层，直接含水层主要来自裂隙导水，单位涌水量在0.005 54～0.042 1 L/s·m，含水层的富水性各不相同，在煤层采空后，塌陷裂隙和地表水沟通，煤层的间接含水层的水源主要来自奥灰岩层裂隙含水层。奥灰岩层的水位标高是+1 148～+1 224 m，在静止时的水位是+1 162.82 m，目前开采的煤层水平标高是+1 010 m。奥灰顶面距离5#煤层的平均厚度是48.78 m，奥灰岩层裂隙水的水压高，涌水量大，当构造破坏了顶部隔水层的隔水性能后，使隔水层的隔水能力减弱，容易造成煤层底板出水，对矿井的安全生产带来巨大的威胁，矿区的水文情况较为复杂。

1.2 地质概况

焦家寨煤矿煤层走向是东北向，倾向是西北向，煤层倾角10°。其中2#煤层的直接顶是砂质页岩，底板是深灰色中细砂岩，煤层厚度4.10～8.30 m，平均厚度5.71 m。5#煤层距2#煤层的层间距10.94～42.92 m，5#煤层厚度5.10～22.15 m，平均厚度12.34 m；直接顶是灰黑色砂岩，裂隙发育，破碎严重，局部有化石碎片；顶板的垮落步距是4～5 m，抗压强度是38.3 MPa，容易冒落。 5#煤层底板是中粒砂岩，呈胶结状态，抗压强度是38.0 MPa，在构造应力下，容易出现弯曲变形，使底板凹凸不平[2]。

2 底板突水情况

2.1 突水因素分析

造成煤层底板突水的主要因素有来自构造和采动两个方面的裂隙导水[3]。

针对构造裂隙导水，矿区内落差大于3 m 的大中型断层约67 条，多是高角度的正断层，断层带多用泥岩充填且断裂面具有隔水的作用，一般导水性比较差。例如，本矿区的F 断层，落差是30.90 m，断层带宽是5.7 m，断层两侧的水位差是75.91 m，认为在矿区内该断层相对是隔水的。落差小于3 m的小断层约260 条，多是层间断层，且部分断层与含水层相连接，使断层带具有导水性。

针对采动裂隙导水，5#煤层在回采后，顶板的冒落裂隙与2#煤层的裂隙连通，且裂隙带均导水，使裂隙水沿冒落带裂隙流入采空区中。根据焦家寨煤矿的水文地质条件以及相关经验数据，采煤时对煤层底板的破坏深度达12 m，5#煤层开采时裂隙贯通使得涌水通道发育愈发容易，在超前压力的作用下，底板产生裂隙约2.3 m，奥灰承压水沿裂隙在隔水层内形成潜水带，底板破裂后会出现突水事故。

2.2 突水系数计算

根据相关规定，突水系数可以表示为：

式中：TS为突水系数，P 为隔水层的水压，M 为隔水层的厚度，CP为开采对隔水层的破坏厚度，本次试验选择12 m。

隔水层的水压一般与工作面的斜长、开采深度以及底板岩性有关，隔水层的厚度就是自然状态下岩柱的等效厚度。底板受构造破坏的突水系数一般要求要小于0.06，正常块段的突水系数一般要小于0.15。根据矿区的相关钻孔资料，计算出开采煤层的突水系数见表1。

表1 开采煤层突水系数

根据突水系数表，得到5#煤层的底板突水系数等值线见图1。

图1 5#煤层底板突水系数等值线

从图中可以看出，开采的5#煤层西北部分底板突水系数大于0.06 MPa/m，是开采的危险区域，危险程度较高，且+1 010 水平已达到临界突水的边界，出现底板突水的可能性极大，而且在复杂构造及裂隙发育的地方也会出现底板突水，威胁到矿区的安全生产。

3 矸石充填技术

3.1 矸石充填工艺

在进行回采时，奥灰岩层裂隙水受采动影响沿断裂构造进入采动空间，造成底板突水，采用矸石充填技术解决承压水上开采问题，有效控制底板破坏程度，降低导水裂隙带的高度，使含水层不受破坏，以此来预防底板突水事故。矸石充填的具体工艺如下：

（1）对5#煤层回采过程中，在工作面的上顺槽距回风巷10 m 设置矸石仓，充填顺序是矸石仓—溜矸道运输机—吊挂皮带机—运矸溜子—抛矸皮带机—工作面溜槽自溜进行充填。

（2）采用自下而上的垒砌方式，以煤层的夹矸和冒落的矸石为填充物，在垒砌时，要搭配大小矸石，确保充填严实没有间隙；充填带的间距小于底板垮落步距，沿着工作面的走向每隔4 m 布置矸石充填带。在工作面的中部选择预制的钢筋水泥砌块进行填充，确保顶板在走向和倾向方向上都不会出现裂缝。填充带的宽度一般是采高的2 倍，确定矸石充填带的宽度为6 m；在倾角大于10°时，在充填带的下方每隔0.5 m 安放止动木柱，防止倒塌。

（3）将充矸溜槽铺设在空排支柱内，溜槽与溜槽之间用铁丝固定，溜槽的底部用梯子抬高，便于抛矸作业，梯子长度要大于3 m，将出矸口固定在空排支柱的手把上，防止梯子被砸歪。

（4）在溜矸的过程中，如果出现溜槽脱节现象，要立刻停止机器运行，关闭抛矸皮带的开关，在脱节点上设置挡矸卡，用板皮封闭挡卡，并将脱节的溜槽重新连接。

对焦家寨煤矿设计的矸石充填系统见图2。

图2 矸石充填工作面布置

3.2 应用效果分析

使用矸石充填技术可以很好地解决工作面安全回采问题。矸石的输送比较方便，矸石充填带也比较容易成型，可以最大程度保护底板不受破坏，且充填材料是就地选取，以煤矸石作为骨架，配有钢筋水泥进行内部充填，既保证充填体的强度，也很好地解决了矸石的排放。对该矿实施矸石充填技术，充填施工见图3，经测量顶底板的移近量约384 mm/m，顶板的下沉量约247 mm/m，减少了回采时对工作面底板造成的破坏，降低了底板突水的风险；同时对成本进行核算，计算出每吨煤可节约开采成本6.5 元/ 吨，大大降低了开采的成本，减少了处理排水的工作量。经过工程实践，认为矸石充填技术是可行的。