带压开采工作面长度对底板破坏深度的影响研究

2022-05-11郭泉

山西化工 2022年2期

郭泉

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西孝义 032300）

引言

我国很多煤矿资源分布在奥陶纪灰岩或者是寒武系灰岩地层条件下，整个地层结构厚度较大，裂隙岩溶发育程度较高富水性能更好，同时水体补给更加充沛，水体压力相对较高。在煤矿井下作业过程中，矿井的底板位置突水事故，经常出现煤矿开采工作完成之后，煤层底部的岩层原始的应力状态出现比较严重的破坏和影响，并且在采空区域范围内产生应力集中情况。围岩巷道底板位置的受力作用，会造成底板岩层结构产生不同程度的裂缝情况，如果裂缝问题进一步扩张会造成隔水能力下降。

1 开采工作面情况

某煤矿始建于20 世纪50 年代初，现核定煤矿开采能力为330 万t/a，该煤矿开采工作面二叠系下统山西组二煤断层厚度平均在2 m 以上，每层倾角平均超过11°，整个煤矿开采工作面横向走向长度为756 m，倾斜宽度大小为155 m，煤矿开采深度超过1 000 m。该煤矿开采工作面在工作过程中，承受寒武系灰岩水体的最大压力超过2.5 MPa，同时中间的隔水层作为砂质泥岩层，防治工作面煤层底板的位置产生比较严重的脱水情况。因此，需要针对煤矿开采工作面长度，对于煤矿巷道底板破坏深度所产生的影响问题进行分析，有效保证整个煤矿开采工作面的工作安全性和稳定性。

2 煤矿巷道底板突水预测分析

根据该煤矿工作面地质条件和水文地质条件情况，对煤层底板位置的基础受力情况，以及横竖向应力分布规律和传播特点进行深入研究和分析，并且有效结合岩体结构的破坏机理，对岩体受力强度大小进行计算和分析。

2.1 工作面底板岩体破坏深度分析

基于巷道底板破坏塑性理论，该煤矿开采工作面底板位置区域，岩体结构构成相对比较复杂，同时在受力结构形式上多样化，底板位置的基础支撑压力超过极限值条件下，岩体结构当中会出现塑形变形问题，进而会形成塑性受力区。当支撑压力达到部分岩体结构完全破坏的最大荷载条件下，支撑压力作用区域周围的岩体塑性受力区域会逐渐形成集中受力区域，进而造成采空区域底板位置会产生突起情况，已经产生的塑性变形岩体会直接朝着采空区域方向进行移动，进而会形成一种连续性的滑动面，此时滑动面的底板位置岩体结构受到应力影响程度最大[1]。

在煤矿开采工作过程中，煤层底板位置的岩体结构经常会产生底部凸起情况，可以通过使用塑性区域受力发展过程来进行解释。在煤层开采工作完成后采空区域的底板岩体结构会产生相应的支撑压力作用，当支撑压力作用区域的受力，岩体应力值超过极限强度时，岩体结构所形成的塑性变形量也会有所上升。因为，开采工作面当中的岩体垂直方向上会受到一定的压缩和影响，同时在水平方向上也会产生比较明显的膨胀情况，膨胀的岩体会直接挤压过渡区域，同时将用力直接传输到集中位置过渡区域的岩体条件，在受到外力强大作用条件下，整体的受力结构稳定性会有所下降，通过外部岩体结构所形成的主动区传递受力作用，在过渡区域和被动区域的岩体结构，会不断朝着采空区域内部进行膨胀。

2.2 正常开采底板出水性预测工作分析

根据前期提供出的水文地质资料情况，该开采工作面寒武系灰岩地质条件部分水体承压达到2.3 MPa 以上，同时基础隔水层围岩厚度为55 m，因为采动破坏问题所造成的底板最大破坏深度超过11.5 m，因此底板的有效隔水层厚度大小为44.5 m。通过计算分析得出，本次开采工作面底板位置隔水层，所能承受的最大突水极限压力大小为3.5 MPa，远远超过基础含水层的水体承受压力，因此在正常的综采工作条件下，煤层的底板位置不会产生严重的出水情况，但是在断裂构造带或者是寒武系灰岩水高水头的共同压力作用条件下，底板位置的灰岩水很有可能会直接经过破碎带，或者是隔水层比较薄的位置涌入大量的地下水，进而会造成比较严重的脱水情况，对此本次煤矿开采工作面，在正式回采工作之前需要采取必要的突水防治处理工作方法[2]，突水预测分析，如图1 所示。

图1 突水预测分析

2.3 底板突水防治工作策略

根据上述分析可以看出，煤矿综采工作面承压含水层的上部煤层底板位置出水会受到底板含水层的供水压力、地质构造以及煤矿开采工作面等多方面因素所产生的影响，因此在降低底板含水层的水体压力，以及采动工作对于底板的隔水层影响程度相对较大，因此可以采取以下几种方式来进行控制。

2.4 提高区域灰岩水体疏放力度

在针对灰岩水区域治理工作过程中，主要使用的是疏水将加控制工作方法，通过对煤层内部的水体进行大量疏散，保证水位控制在安全位置，并且对水体压力进行有效调整，保证处于安全的水体压力以下，要保证突水系数控制在0.06 以下，有效保证整个开采工作面的工作安全性和稳定性。底板位置的含水层承受水体压力过高，是造成底板含水层水体压力提升的重要影响因素，水压越高则含水层的导生破坏程度也就越大，因此在竖向底板含水层水体压力过程中，可以对突水系数大小进行有效控制，避免采动工作过程中产生严重的裂隙带，造成底板水陈升高，防止产生比较严重的脱水问题[3]。

可以通过采取物探方法和钻探验证对局部位置进行有效治理，除了可以进行疏水降压工作以外还需要保证先进行物探工作，同时通过钻探有效验证局部位置的治理工作效果。在本次煤矿开采工作面实现完全贯通之后，通过使用顺便电磁物探工作方法，对整个工作面的底板灰岩富水情况进行分析，同时还需要对探测区域的富水异常情况进行钻探和验证，对此本次物探工作过程中，相关工作人员对于该工作面展开了顺便电磁探测分析工作，总共设置出150 个物探点位，并且在回风巷道当中设置222 个物探点位，每一个物探点位可以探测2 个～3 个方向。

2.5 注浆加固改造底板位置隔水层的岩性条件

底板位置的隔水层强度大小和围岩结构的基础构造，是影响底板突水问题的重要影响因素，因此需要对底板位置的围岩结构进行全面注浆加固处理，保证加固煤层底板构成破碎带区域，有效提高底板隔水层的厚度，同时降低矿压和含水层的基础压力，避免对底板的隔水层围岩结构形成严重的破坏和影响。要保证综采工作面开采过程中，周围的矿体压力破坏程度与底板裂隙之间以及承压水压破坏裂隙之间不会形成直接连通，与此同时，通过采取注浆加固处理工的方法，可以进一步填充底板基础岩体结构当中产生的裂隙，以此来有效控制采动水体压力，对底板岩层结构所形成的影响，避免出现更加严重的扩展效应，有效降低采动工作过程中基础岩层的破坏深度，避免水压过高造成破坏性问题[4]。

2.6 完善工作面的防排水系统和地质巡查工作

根据该煤矿开采工作面最大用水量大小进行计算和分析，开采工作单位通过在进风箱的位置设置出两台水泵，并且单台水泵的排水能力控制在60 m3/h，同时使用4 寸的排水管，直接铺设在回风巷道的进水口泵位置。在回采工作过程中必须要进行加强回采区域水文地质条件的周期性巡查工作，特别是针对工作面通过物探富水异常区域，以及断裂构造比较复杂的区域需要进行更加详细的水文地质调查工作，如果发现其中出现比较严重的脱水问题或者是已经产生突水征兆，比如底板位置凸起、底板渗水等情况需要及时停止作业，采取相应的控制措施来加以解决，有效保证回采工作面的工作安全性和稳定性[5]。