马堡煤业特厚煤层带压开采安全性及防治技术研究

吕 斌

（山西马堡煤业有限公司，山西 长治 046308）

0 引 言

承压水上采煤引发回采工作面底板突水事故是我国井工煤矿面临的主要水文地质问题，威胁矿井的生产安全。虽然目前对于承压水上采场底板破坏及突水机理的研究已取得诸多的理论成果，但是盲目进行承压工作面的开采不仅威胁着井下作业人员的生命安全，同时对于地下水的标高的稳定也有巨大影响，为保障马堡煤业奥灰承压水上15 号煤层的顺利生产，以15202 工作面为工程背景，针对性的研究采场底板破坏特征及底板突水危险性，确定合理的带压开采技术方案，对于马堡煤业采场底板突水防治具有重要指导意。

1 工作面概况

马堡煤业有限公司位于山西省武乡县，主采8、15 号煤层，矿井生产能力为150 万t/a，现阶段8 号煤层已基本回采完毕，主要进行15 号煤层的采掘工作，煤（矿）层总厚4.75～5.04 m，本次研究的15202工作面地面均为山梁、深沟，发育一条季节性河流，平时无水，深沟处为地表降水排泄通道，无汇水条件，预计对回采工作面影响较小。工作面北东侧与152 采区胶带、轨道、回风下山相连接；南东侧与15号煤胶带平巷留有30 m 保安煤柱；北西侧距设计的15206 回风顺槽243 m；南西侧与15 号煤采区水仓留有20 m 保安煤柱。15202 工作面基本为一单斜构造，煤层赋存较稳定，结构单一，稳定发育一层厚度约为0.3 m 的炭质泥岩夹矸，煤层厚度平均4.9 m，煤层倾角平均为12°。

2 工作面水文地质情况分析

15202 工作面主要受到的水害因素有：①地表水：工作面地表沟谷纵横交错，均为山梁、深沟，深沟处为地表降水排泄通道，发育有一条季节性河流，平时无水，主要以动储量形式存在，15 号煤层实测导水裂隙带发育高度为65 m,工作面距地表埋深为367～495 m，大于裂隙带发育高度，对巷道回采影响较小，地表现无流水及积水汇集，雨季期间要加强观测，防止积水沿附近塌陷裂隙流入井下，重点在雨季期间要加强防范；②顶、底板含水层：15202 工作面顶板往上19 m 左右为K2 灰岩含水层，灰岩厚度为4.44 m,单位涌水量q=0.008 6 L/s.m，为弱富水性含水层，且工作面顶板裂隙较为发育，可能造成巷道局部顶板淋水，回采期间需引起重视，加强顶板淋水的观测；③同层采空水：15202 工作面四周均为实体煤及已掘进巷道，故不受同层采空水影响；④上覆采空水：上覆为8号煤层8103、8104 采空区，各采空区范围、标高及回采等情况清楚。根据8103、8104 工作面实际生产条件及标高，其中8103 工作面在距离8 号煤回风下山Ⅰ350～713 m 处为巷道低洼处，8104 工作面在距离8 号煤回风下山Ⅰ295～713 m 处为巷道低洼处，经估算，8103 工作面低洼处最大积水面积4 886.1 m2，最大积水量2 810.1 m3，积水标高+995 m；8104 工作面低洼处最大积水面积6 202.1 m2，最大积水量3 487.5 m3，积水标高+960 m；回采前施工了6 个钻孔对2 处积水进行了钻探验证，钻孔均探至采空区；其中15202 回风顺槽施工的2 个钻孔均探至8103 采空区，钻孔均无出水情况；8 号煤回风平巷Ⅰ施工4 个钻孔均探至8104 采空区，1 号钻孔涌水量0.2 m3/h，累计放水量27.4 m3；1 号验证钻孔探至采空区，无水；2 号钻孔最大涌水量26 m3/h，后无水，累计放水量231.9 m3；2 号验证钻孔初始涌水量1.5 m3/h，后逐渐衰减，目前2 号验证钻孔涌水量0.28 m3/h，累计放水量678 m3，合计放水量930 m3；预计采空区内残留积水较小，对15202 工作面安全回采构不成威胁；⑤承压水：工作面底板标高为+679～+745 m，奥灰含水层顶面煤层底面28.4～58.8 m，平均间距为44.5 m，井田内有3 个钻孔（DM4、DM9、DM12 号钻孔）探至奥陶系，水位标高+911.00～+1 035 m，降深15 m，单位涌水量2.111 L/s·m，渗透系数1.906 m/d，该含水层为强富水性含水层,总矿化度0.474 g/L，工作面埋藏深度均小于奥灰含水层水文标高，工作面带压开采；⑥钻孔水：15202 工作面周边无钻孔，不受钻孔水影响。综上可知，马堡煤业15202 工作面安全生产主要受到底板奥灰承压水的威胁。

3 采场底板塑性破坏特征分析

3.1 采场底板破坏深度模拟研究

带压开采工作面回采期间，采场底板岩层塑性破坏是在地应力、含水层压力等多种因素影响下产生的一种地质现象[1-2]，底板塑性破坏深度分析计算涉及到塑性力学、材料力学、岩石力学等多种学科，仅通过理论分析计算无法准确得到贴合实际的结果，因此设计采用FLAC3D数值模拟软件对马堡煤业15202 工作面底板破坏特征进行研究。工作面倾斜长度114 m，推进长度1 080 m 主要为考察底板塑性破坏，设计模型中工作面上覆岩层厚度为60 m，下方岩层厚度为57 m，因此设计模型长（X 轴）、宽（Y轴）、高（Z 轴）280、240、100 m，共划分为840 000 个单元，采用摩尔-- 库伦模型，模型顶面上覆350 m的岩层等效为上边界的载荷，模型底面为固定支撑，无x、y 方向速度、位移，考虑到底板收到奥灰承压含水层作用，模型下部边界设置1.5 MPa 垂直向上的应力，最终得到三维数值模型如图1 所示。

图1 三维数值模拟模型

图2 三维数值模型及数值模拟结果

回采工作面由模型左侧边界40 m 处开始开挖，每次开挖5 m，观察采场围岩塑性破坏状态，工作面共推进150 m，得到采场围岩塑性破坏特征如图2（a）所示，不同回采距离条件下底板最大破坏深度如图2（b）所示。由图2 所示结果可知，工作面回采后，采场顶底板及采空区两侧围岩均出现一定程度的塑性破坏，底板浅部岩层主要发生拉伸破坏，深部岩层主要发生剪切破坏，随着工作面推进距离由0 m 增大至105 m，塑性破坏深度由0 m 增至15.5 m，之后随着工作面的继续推进，底板塑性破坏范围不断增大，但塑性破坏最大深度均为15.5 m，综上可得，15202 工作面采场底板塑性破坏深度为15.5 m。

3.2 底板破坏深度影响参数分析

底板岩层塑性破坏遵循摩尔-库伦强度准则，底板岩层主要表现为剪切破坏，在具体地质条件及开采技术条件下，岩体的破坏与否由其内摩擦角、粘聚力决定，为分析相应参数对于底板塑性破坏情况的影响，采用上述数值进行单一因素模拟分析，底板岩层初始内摩擦角为35°，粘聚力为10.0 MPa，进行内摩擦角单一因素模拟分析时，内摩擦角分别设定为28°～38°，进行粘聚力单一因素模拟分析时，设计底板岩层内摩擦角分别为8～16 MPa，整理得到底板最大塑性破坏深度与底板岩层内摩擦角、粘聚力变化规律如图3 所示。

图3 底板岩层内摩擦角及粘聚力与破坏深度变化关系

由图3 可看出，采场底板岩层内摩擦角为28°～38°时，底板最大破坏深度由8 m 增大至18 m，表明通过减小底板岩层的内摩擦角可以减小底板塑性破坏深度。采场底板岩层粘聚力由8 MPa增大至16 MPa，底板岩层塑性破坏最大深度呈现显著减小然后趋于平稳的趋势，底板最大破坏深度由25.5 m减小至6.5 m，由此表明适当增大底板粘聚力，可减小底板塑性破坏深度。综上可知，适当减小底板岩层的内摩擦间、增大其粘聚力，可显著减小底板的破坏深度，对于底板突水事故的防治原理具有重要意义。

4 底板突水危险性评价

底板隔水层起到阻隔奥灰含水层与回采工作面联通的作用，当底板破坏带与承压水导生带未贯通时，隔水关键层受力示意图如图4 所示。

图4 承压水上采场底板沿工作面走向受力示意图

工作面回采期间，隔水层受到上覆岩层支承压力和底板承压水的共同作用，除去底板破碎带及承压水导升带高度，有效隔水层厚度相对于工作面长度和推进长度非常小，因此可将有效隔水层视为弹性薄板，工作面长度方向为x 方向，垂直方向为Z 方向，可将有效隔水层受力模型简化为图5 所示。

图5 底板隔水层关键层受力模型

进行q（x）分析计算时，考虑采空区冒落矸石充填压实对于有效隔水层的作用力，P 为承压水导升后的水头压力，参照马堡煤业水文地质资料，奥灰含水层导升带高度一般为7.0 m，根据弹性薄板理论确定各点的应力，然后通过摩尔-库伦准则确定各点的破坏情况，有效隔水层上部某一点发生塑性破坏，则表明此时奥灰含水层与底板破碎带导通，工作面发生突水事故，根据马堡煤业15202 工作面底板岩层特性、地质环境等条件工作面长度为110 m，假定工作面回采初期推进距离为80 m，整理计算得到底板隔水关键层突水系数等值线如图6 所示。根据安全规程规定[3]，完整底板区域临界突水系数为0.1 MPa/m，由图6 可以看出，工作面回采80 m 条件下，工作前方及采空区两侧、后方突水系数均大于0.1 MPa/m，存在极大的突水可能性。

图6 底板突水等值线云图

5 底板注浆改造措施应用

根据前文研究成果可知，马堡煤业15202 工作面存在底板奥灰含水层突水的危险，需采用有效的措施方能实现工作面的带压开采，减小底板岩层的内摩擦角及增大其粘聚力均能够显著减小底板岩层塑性破坏深度，增大有效隔水层厚度，参阅相关研究成果表明[3-4]，通过对岩体注浆改造可改善岩体的力学性能，因此设计在15202 工作面回采前对底板进行注浆改造，注浆钻孔钻场布置在工作面两侧顺槽及开切眼内，共18 个钻场，注浆钻孔平面示意图见图7（a），其注浆系统工艺流程如图7（b）。

钻孔终孔深度为16.0 m，1、2、3 号钻孔与水平面的夹角分别为30°、40°、45°，注浆钻孔取芯钻进，钻进期间依次放置直径168 、108 、89 mm 的止水护壁套管，采用纯水泥浆封孔，封孔浆液凝固后进行耐压试验，试验压力为6 MPa，为保证底板钻孔发生突水能够及时止水，在每个注浆管口均安装耐压6 MPa 的止水阀门。综合考虑注浆加固效果和工程成本，设计底板加固浆液为纯黏土浆，黏土浆液水灰比为1.5∶1，注浆前首先进行浆液的制备和检测。

图7 底板注浆钻孔布置示意图

6 底板破坏深度实测及注浆效果评价

为考察马堡煤业15202 工作面底板注浆改造效果，工作面回采期间通过声波探测技术对底板破坏情况进行现场实测，测站布置在回风顺槽，每个测站布置1 个钻孔，钻孔长度26.5 m，测试深度为14 m，测站及钻孔布置详情如图8 所示。

根据现场实测结果表明，直至工作面回采至测站位置，钻孔1 处底板最大破坏深度为6.5 m，钻孔2 处底板最大破坏深度为7.0 m，相较于数值模拟研究结果，底板最大破坏深度减小8.5～9.0 m，注浆改造效果良好。15202 工作面回采期间，注浆后各钻孔出水量很小，大多保持在0～0.8 m3/h，满足设计规范要求的涌水量，工作面正常回采期间涌水量稳定在4.3～6.3 m3/h，未出现涌水量剧增的现象，实现了工作面的带压开采。

图8 声波测试钻孔布置示意图

7 结论和建议

以马堡煤业15202 工作面开采为工程背景，通过数值模拟、理论分析计算、现场实测等手段研究得到以下结论及建议：

1）15202 工作面底板最大破坏深度为15.5 m，通过减小底板岩层内摩擦角、增大其粘聚力可显著减小底板破坏深度，增大有效隔水层厚度。

2）15202 工作面现有地质及开采技术条件下，底板存在极大的突水危险性。

3）对底板进行注浆加固改造技术措施后，底板岩层最大破坏深度为6.5～7.0 m，有效隔水层厚度显著增大，回采期间涌水量稳定在4.3～6.3 m3/h，底板注浆改造成功抑制了奥灰含水层突水事故的发生，为马堡煤业15 号煤层带压开采提供宝贵经验。