煤峪口矿81010 工作面煤层底板裂隙发育特征及防治

黄欣慰

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037041）

0 引 言

随着煤炭开采深度的增加，煤层底板承压水的水压增大，再加上承压水的水源丰富，且疏放困难，对防治水工作带来更大的挑战。煤峪口矿目前可开采的煤层是14 号煤层，距煤层下覆22 m 的岩层富水性极强，隔水性较弱，工作面发生突水的可能性较大。因此，采用RFPA 数值模拟软件对煤层底板裂隙发育特征进行分析，研究突水通道的形成，并采取合理的防治水措施进行防治[1]。

1 地质水文概况

煤峪口矿81010 工作面位于-350 水平采区，井田内裸露的基岩较多，整体地势呈东高西低，地面标高为+46.5～+48.8 m，煤层底板平均标高为-419.5 m。工作面总长为3 090 m，宽度为200 m，井田面积为614 000 m2，煤层厚度为6.20～10.40 m/8.91 m，以暗煤为主，亮煤次之，含镜煤条带，沥青光泽，煤层中含2～4 层夹矸，夹矸厚4～10 cm，夹矸的岩性主要以泥岩、灰黑色炭质泥岩为主。井田地质呈单一倾斜构造，倾斜角度为1°～18°/7°，倾斜角度较小，两翼的倾角平缓，沿煤层倾向方向推进。

矿井的水文地质条件一般，煤顶板砂岩富水性弱，但孔隙裂隙发育，连通性好，渗流畅通，径流条件较好，14 号煤层顶板存在含水层，含水层主要是奥灰岩含水层，煤层底板等高线在奥灰水位标高线以下，隔水层的岩体是铝质泥岩，奥灰水与隔水层的厚度为65.60 m，突水系数为0.053 MPa/m，属于带压开采，底板带压1～4.8 MPa，虽然不会严重威胁煤层的开采，但是在开采后，在采动影响下会使顶板出现裂隙而出现涌水事故。在正常回采过程中，81010 工作面有一揭露正断层F3，倾角为70°，落差为10 m，走向延伸为540 m，在推进过程中，巷道出现淋水现象，容易引发突水危险[2]。

2 底板裂隙发育特征模拟

沿煤层开采方向，受集中应力的影响，在工作面底板岩层处出现加载压缩区域，使底板向下弯曲，在拉伸张力的作用下出现底板张拉裂隙；而在采空区出现卸压膨胀区域，使底板向上鼓起，在张拉力的作用下出现底板张拉裂隙。这样，在加载压缩和卸压膨胀交叉部分，受反向剪切应力的影响，便出现底板裂隙带，示意图如图1 所示。

图1 沿开采方向底板裂隙带示意图

2.1 建立模型

为了准确分析81010 工作面在回采过程中煤层底板裂隙发育特征，采用RFPA 数值模拟软件[3]，根据工作面的特征，现建立平面采动模型，模拟模型沿水平方向300 m，沿垂直方向100 m，煤层开切眼处与模型左侧边界的距离为50 m，终采线与模型右侧边界的距离为50 m，已知断层在水平方向150 m处，煤层的开采步距为5 m，开挖20 步，总开挖100 m，岩层破断的模拟模型示意图如图1 所示。数值模拟模型各岩层部分力学参数见表2。

图2 数值模拟模型示意图

2.2 底板裂隙破断过程和形态模拟

根据数值模拟结果，得到工作面推进50、60、70、80、90、1 000 m 时煤层底板的裂隙扩展过程如图3 所示。可以看出，在工作面推进70 m 时，底板岩层有轻微的裂隙，应力集中在断层面上；在工作面推进80 m 时，底板岩层出现离层裂隙，应力逐步增大；在工作面推进90 m 时，巷道失稳出现变形；在工作面推进100 m 时，底板岩层出现裂隙集中带，岩层破坏深度达16 m，发生明显岩层破坏深度约10 m，岩层基本上没有隔水能力，随着底板岩层破坏深度的增加，在采动影响下，破坏程度有所减弱的，岩层有一定的隔水能力。

表1 数值模拟模型各岩层部分力学参数

图3 底板裂隙扩展过程的数值模拟

2.3 底板裂隙破断过程声发射模拟

模拟底板裂隙破断过程，得到裂隙扩展的声发射图如图4 所示[4]。

图4 底板裂隙扩展声发射图

可以看出，在工作面推进50 m 时，主要应力集中在开切眼处，在开切眼处出现剪切破坏裂隙；在工作面推进60 m 时，在底板处出现拉伸破坏裂隙；在工作面推进70 m 时，应力集中在工作面上，在工作面附近出现剪切破坏裂隙；在工作面推进80 m 时，顶底板出现离层，上覆岩层出现拉伸破坏，裂隙逐渐扩展，离层加剧；在工作面推进90 m 时，底板出现明显的裂隙，工作面上剪切破坏加剧；在工作面推进100 m 时，底板出现2 次离层裂隙，剪切破坏裂隙增多，在断层面附近也出现不同方向的剪应力，底板的破坏带发育高度在16 m。

在工作面开挖3 m 后，记录回采过程中断层孔隙水压导升高度，得到导升高度变化曲线如图5 所示，可以看出，在工作面推进过程中，距离断层越近，岩层的剪切应力集中范围在不断扩大，断层面也出现不同方向的剪切应力，离断层越近，断层内水压导升高度越高，在断层处，导升高度达到25.8 m，在距离断层60 m 范围内，导升高度涨幅明显增大，断层出现活化，裂隙扩展发育，最终贯通形成导水通道，引发工作面出现突水危险。

图5 裂隙水压导升高度变化曲线

3 应用效果

根据分析，影响底板裂隙突水的主要因素是含水层水压和煤层开采所诱发的断层活化，因此，有针对性地提出防治水措施。

3.1 留设防水煤柱

对断层进行探测分析，对于导水性较好但不能有效加固的断层，在采动影响下，通过留设防水煤柱的方式进行防水，增加隔水层的范围，可以提高工作面的防水安全，首先计算工作面的底板破坏深度，上覆岩层是灰岩，属于坚硬岩一类，因此，底板导水裂隙带的最大高度为：

式中：L为煤柱宽度，m；P为防水煤柱的静水压力，MPa；Ts 为突水系数；α突水系数。

可以看出，防水煤柱的宽度对煤层底板突水的影响较大，临界水压随着防水煤柱宽度的增加而增大，防水煤柱越宽，底板的承压能力越强。带入工作面数据后，得到防水煤柱的宽度为63.79 m。

3.2 注浆加固

注浆加固目的是防止底板出现突水事故，为提高煤层底板的强度和稳定性进行注浆加固。将终孔层设置在与底板垂直向下100 m 处，综合考虑成本和材料的有效性，注浆材料依据地层的渗透性进行选择，参考裂隙宽度、渗透系数以及颗粒粒径等参数，注浆材料选用水泥和粉煤灰混合，按照1∶2 的配比，注浆加固时采用下行法进行，在两顺槽内布置注浆钻孔，上下各布置5 个钻场，钻孔夹角为45°，注浆深度为8 m，将掘进面迎头位置设置为预注浆地方。如果在施工过程中出现局部跑浆，在断层带前后分别25 m 的范围内及时进行加固，如果最后部分区域没有达到封堵要求，对局部出水点的顶底板和帮部进行局部注浆加固，以达到封堵效果。

根据模拟结果，在工作面推进过程中，越靠近断层岩层，剪切应力越集中，断层内部导水裂隙带的导水高度也不断上升。因此，在靠近断层的位置，增加钻场内钻孔数量，共计施工注浆钻孔44 个，使用注浆水泥2 103.7 t，粉煤灰4 207.4 t，进尺10 432 m。

3.3 效果检验

注浆加固后，通过布置检验钻孔来检验注浆效果，为了保证检验钻孔的有效性，在上下顺槽各布置10 个检验孔，20 个注浆孔，检验孔的孔深和注浆孔的孔深一致，得到检验钻孔的涌水量如图6 所示。

图6 检验钻孔涌水量柱状图

从图6 中可以看出，检验钻孔的最小涌水量为0.2 m3/h，最大涌水量为8 m3/h，平均涌水量小于10 m3/h，说明注浆加固防治水效果较好，能确保工作面的安全回采。

4 结 论

针对煤炭开采过程中底板承压水频繁发生突水事故，采用RFPA 数值模拟软件建立采动模型，对底板裂隙破断过程和声发射进行模拟，结果如下：

1）在工作面推进过程中，距离断层越近，岩层的剪切应力集中范围在不断扩大，断层面也出现不同方向的剪切应力，离断层越近，断层内水压导升高度越高，在断层处，导升高度达到25.8 m，在距离断层60 m 范围内，导升高度涨幅明显增大，断层出现活化，裂隙扩展发育，最终贯通形成导水通道，引发工作面出现突水危险。

2）进行注浆改造后，单个钻孔的最小涌水量为0.2 m3/h，最大涌水量为8 m3/h，平均涌水量小于10 m3/h，说明注浆加固防治水效果较好，能确保工作面的安全回采。