经坊煤矿3-807 工作面近距离承压水上开采技术研究

冯 旭

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

1 工作面概况

经坊煤业3-807 工作面位于八采区准备巷道南翼，北邻三条准备大巷，南靠井田边界，西为规划的3-806 工作面，东为实体煤。工作面开采山西组3#煤层，均厚6.3 m，盖山厚度554～615 m，受底板灰岩承压水威胁，需进行安全论证和治理。

2 工作面充水因素分析

2.1 顶板水害

山西组3#煤层顶板含三层砂岩（K2、K3、K4），砂岩含水层组单位涌水量0.065 7～1.734 L/s·m，渗透系数为0.147 7～6.92 m/d，属HCO3-Cl-Na·Ca 型水。顶板水源以3#煤顶板K2砂岩裂隙水为主，K2灰岩裂隙含水层富水性弱。巷道掘进期间，遇到顶板局部淋水量较大的区域已疏放，因此顶板砂岩裂隙水对于工作面回采影响不大。

2.2 底板水害

石炭系太原组上段L11～L8灰岩渗透系数0.52～1.54 m/d，单位涌水量0.097～0.287 L/s·m，岩溶裂隙较为发育，属于富水性中等的含水层。L11灰岩含水层与山西组3#煤层平均间距为43.64 m，L10灰岩与3#煤层间距为58.63 m，L8灰岩与3#煤层间距为75.85 m。太原组灰岩岩溶裂隙水是山西组3#煤层开采期间底板的主要间接充水水源，煤层底板静水压力3.5～3.7 MPa，突水系数Ts=P/M，3-807 工作面底板L11、L10、L8灰岩含水层突水系数分别为0.085 MPa/m、0.063 MPa/m、0.049 MPa/m，突水系数均小于0.1 MPa/m，表明正常块段不存在底板突水的可能性。3-807 工作面范围内地质构造见表1，受构造影响，部分区域L11、L10灰岩含水层的突水系数可能大于临界突水系数，底板存在较大的突水危险性，因此需要采取合理的底板加固措施，方可保障工作面的安全生产。

表1 3-807 地质构造情况表

3 底板注浆加固模拟研究

为探究3-807 工作面回采期间底板岩层破坏区的发育规律，准确预测注浆前后底板破坏带发育深度的变化，采用FLAC3D软件建立工作面开挖模型。结合以往数值模拟研究案例表明[1]，数值模拟结果的精确性与模型物理力学参数的准确与否密切相关，参考3-807 工作面附近的地质钻孔确定岩层的岩性、厚度等参数，构建工作面开采数值模型，由煤层底板至上覆岩层共构建13 层岩层，煤岩体的破坏遵循莫尔-库伦屈服准则。最终建立走向长300 m、倾斜方向长280 m、高度130 m 的数值模型，工作面倾斜长度120 m，模型两侧各保留40 m 的煤柱，工作面共推进180 m。数值模型边界条件及网格划分如图1。

图1 数值模型边界条件及三维模型示意图

模拟研究时，工作面开挖步距设定为10 m，对底板注浆改造进行模拟时，参考李召峰等人的研究成果[2-3]，注浆材料为425 硅酸盐水泥，养护28 d条件下加固系数为2.01，据此对注浆后底板岩层的物理力学参数进行调整，得到工作面回采180 m 条件下底板注浆前后顶底板岩层塑性区分布规律如图2（a）、（b），底板破坏深度随着工作面开挖距离的变化曲线如图2（c）、（d）。

图2 数值模拟结果

根据图2 所示结果分析可知，随着工作面回采距离的增大，底板破坏深度持续增大。工作面回采距离达到120 m 及以上时，底板采动破坏深度最大达到27 m。在此情况下，太原组L11灰岩含水层与工作面间有效隔水层厚度仅剩17 m，灰岩水压3.7 MPa，突水系数达到0.218 MPa/m，远超出突水系数临界值，底板存在极大的突水危险性，说明底板注浆加固的必要性。底板注浆改造后，工作面开挖距离达到50 m 时，底板破坏深度达到峰值，底板采动破坏最大深度为10 m，考虑灰岩水压为3.5～3.7 MPa，突水系数临界值0.06 MPa/m，底板隔水层厚度应不小于61.67 m，注浆加固岩层厚度最少为71.67 m，因此应将注浆终孔层位布置在L8灰岩内，此时L8上部岩层均成为隔水层的一部分，隔水层平均厚度达到75.85 m，预计可保证3-807 工作面的安全回采作业。

4 3-807 工作面底板注浆改造

4.1 底板注浆改造措施

结合3-807 工作面水文地质及开采技术条件，设计在工作面两侧顺槽及堵水措施巷内布置若干个钻场，向底板岩层内施工注浆钻孔进行底板改造。注浆的终孔层位为太原组L8灰岩，注浆钻孔垂直深度平均值为75.85 m，设计钻孔倾角多为30°～45°，钻孔长度125～175 m，采用ZDY3200S（MKD-5S）全液压钻机进行钻孔的施工。钻孔结构详见图3（a），共设计13 个钻场，注浆钻孔布设平面示意图如图3（b）。

图3 3-807 工作面注浆钻孔示意图

注浆材料为425 硅酸盐水泥添加水玻璃溶液，水灰比1.6，注浆终压5～6 MPa。在进行3-807 工作面底板钻孔施工期间，当遇到涌水量增大的情况时，停止钻进，开始注入浆液至设计压力。若注入大量浆液但是注浆压力达不到设计值时，采取间歇性注浆方法，注浆完成后再继续钻进。钻孔钻进至设计层位后，出水量大于5 m3/h 时，连接管路进行注浆，当出水量小于5 m3/h 时，进行封孔作业。底板钻孔注浆施工具体流程如图4。

图4 底板注浆工艺流程

4.2 改造效果分析

为检验底板注浆改造效果，记录各钻孔的实际进尺和注浆量，并在各个钻场注浆完成后施工检验钻孔，检验钻孔的涌水情况见表2。钻孔揭露灰岩含水层时涌水量普遍较大，实际施工的132 个注浆钻孔仅有4 个钻孔在钻进期间出水量较小，其余128个钻孔在钻进过程中均出现涌水量大于5 m3/h 的情况，表明底板灰岩裂隙较为发育、富水性较强；在各钻场共施工43 个检验钻孔，仅4 个钻孔出现少量出水的情况，出水钻孔占比仅为9.3%。由此说明，底板灰岩含水层内裂隙得到有效封堵，L8灰岩与工作面间岩层均成为良好的隔水层，可实现3-807 工作面的带压开采。

表2 底板注浆钻孔及检验钻孔施工情况统计

5 结论

以经坊煤业3-807工作面水文地质资料为依据，通过分析研究表明，工作面顶板砂岩含水层无水害威胁，工作面下方太原组溶洞裂隙承压含水层存在较大的突水危险性，需采取合理有效的加固措施方可保障工作面的生产安全。通过数值模拟研究表明，正常情况下3-807 工作面回采底板破坏深度为27 m，注浆改造提高底板岩层的完整性和有效隔水层厚度，将注浆终孔层位布置在L8灰岩内，可使底板隔水层厚度达到要求。对3-807 工作面底板注浆改造后，检验钻孔出水比例仅为9.3%，钻孔出水比例较注浆改造前显著减小，底板灰岩含水层内裂隙得到有效封堵，底板注浆改造效果良好，能够实现工作面的带压安全开采。