承壓水下工作面底板突水機理及注漿加固技術研究

陳振芳

（霍州煤電集團有限責任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

某礦現主要開采太原組21煤，該煤層屬于全區穩定可采煤層，煤層厚度為1.3～1.7m，煤層平均傾角8°。頂板上覆十二灰巖層內部節理裂隙發育，內部充填有方解石，富水性較差，主要為靜貯存方式為主，井下開采實踐表明，在部分區域十二灰下部頂板會出現淋水現象，但涌水量相對較小，均在3m3/h以下，且會很快衰減。由物探及鉆探結果可知，底板下覆十四、十五灰巖裂隙均不發育，富水性均較弱。整個本溪組巖層的平均厚度為32m，其主要構成巖層有泥巖、粘土巖、中厚層灰巖為主，可作為相對隔水層。當未受到工作面回采動壓影響時，十四、十五灰與奧灰水之間的水力聯系很小，然而該奧灰巖層厚度大、水壓力高、含水量豐富，為該區域內的強含水層。煤層底板奧灰水的存在會對工作面的安全開采產生帶來隱患，特別是有斷層或陷落柱等地質構造存在時，更增加了危險系數，因此需對底板突水危險性進行研究。

2 首采工作面底板突水危險性評價

2.1 底板破壞深度預測

首先對工作面推進導致煤層底板產生破壞的深度進行分析研究。根據該礦工程地質條件，底板巖層的內摩擦角φ0取38°，內聚力C0取3.25MPa，煤層開采厚度按1.5m取，煤層平均埋深按最深處750m計算，21煤的內摩擦角φm取25°，內聚力Cm取1.4MPa，覆巖容重γ取25kN/m3，應力集中系數n取3。

1）底板破壞深度彈性理論計算分析，考慮底板在最大受力情況下時的破壞情況，通過式（1）可對底板最大破壞深度進行計算，將上述參數代入計算可得：

2）底板破壞深度塑性理論分析，在回采動壓影響下，當煤層底板所承受的壓力超過其承載極限強度時，底板巖體會發生塑性破壞，當塑性破壞區域面積增大并相互貫通后，塑性破壞的底板巖體會向采空區方向移動，形成一個連續滑移面，此時底板破壞深度達到極限，圍巖變形最為嚴重，煤層屈服區的長度可由式（2）來計算：

將上述計算結果代入式（3）可最終計算煤層開采后底板最大破壞深度為：

3）數值模擬底板破壞深度。

以該礦的工程地質條件和首采21煤工作面特征建立數值計算模型，從而對煤層開采過程中底板破壞深度進行預測。建立的模型如圖2所示，模型長為270m、寬為200m、高為115m，煤厚取1.5m，埋深取750m，設置邊界條件后，在模型上部邊界施加17MPa壓力以代表覆巖容重，煤層下部含水層孔隙水壓力為6.1MPa。

圖1 底板塑性破壞區分布

圖2 底板破壞深度變化曲線

工作面推進后，煤層頂底板塑性區分布如圖1所示，工作面推進距離與煤層底板破壞深度的關系如圖2所示。圖中橫坐標L表示工作面推進距離，而縱坐標h表示煤層底板的破壞深度，由圖可知，工作面推進的距離越大，則底板發生破壞的深度就越深，尤其是開切眼處和工作面推進所處位置，這兩處底板發生了嚴重的變形破壞，當工作面向前回采長度超過105m后，該破壞深度值逐漸趨于不變，由數值模擬結果可知，該礦首采面的底板最大破壞深度約為12m。

彈性計算方法和塑性計算方法原理不同，因而導致所計算的底板破壞深度分別為11.4m和9.2m，數值模擬計算結果約為12m，通過上述理論分析及計算，并結合該礦的實際測得的底板破壞深度，得出受煤層開采影響而導致的煤層底板破壞深度為12m。

2.2 底板承壓水導帶升高度分析

底板承壓水導升帶主要由兩部分構成，即：原始導升帶和采動導升帶。顧名思義，原始導升帶即煤層開采前已形成，若煤層底板有承壓水存在，則其會沿著底板內原來存在的裂隙上升到一定范圍內；而受到工作面回采動壓影響，底板原巖應力和水流平衡場遭到破壞，在采動應力和承壓水壓力的共同影響下，原始導升帶會繼續上升，從而導致采動導升帶的形成。

1）原始導升帶高度的確定。

該值主要由承壓水壓力和底板隔水層隔水能力綜合確定的。通常沙礫巖等巖層強度較高且脆性較好，在壓力作用下更容易產生裂紋，即存在原始導升現象，而泥頁巖等強度相對較低，呈現泥化性質，在正常情況下無導升現象。其分布呈現區域性，一般小于5m，若處于地質構造帶，導升帶高度也不超過15m。該礦奧灰水頂面主要成分為泥巖和鋁土巖，正常情況下不易產生裂隙，隔水性相對較好，因此原始導升帶可按1m選取。

2）采動導升帶高度的確定。

底板承壓水采動導升帶除與上述兩個因素有關外，更多受工作面開采工藝及生產方式等影響，通常可采取鉆探和物探相結合的手段進行探測，也可結合理論分析及數值計算等方法進行預測。該礦21煤開采厚度較小，因此工作面回采動壓對煤層底板產生的擾動較小，同時承壓水上部泥巖和鋁土巖厚度達到16m，裂紋擴展不易，因此綜合考慮采動導升帶高度為4m。因此，該礦的底板承壓水導升帶高度綜合確定為5m。

2.3 底板承受極限水壓力計算

通過理論計算和數值模擬綜合確定動壓影響下造成底板破壞最大深度h1約為12m，導升帶高度h3約為5m，煤層底板與奧灰水間的垂直距離約為50m，則可計算隔水層厚度h2為33m，其余值根據工作面實際情況分別進行取值，Lx和Ly分別按250m和200m計，底板巖層容重γ按25kN/m3選取，抗剪強度τ0按8.0MPa取，泊松比μ按0.3取。在不考慮地質構造時，底板所能承受的極限水壓力按式（5）計算：

2.4 底板突水危險性評價

通過實測可知該礦首采工作面承壓水壓力P為6.1MPa，而底板所能承受的極限水壓力Ps為3.0MPa，前者值大于后者，因此21煤首采工作面在開采時，底板有發生突水的危險。對于煤層底板突水危險性進行評價可選取突水系數作為評價指標，該值可由式（6）計算：

式中：Ts為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層所承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水巖層厚度，m。通常認為，底板在受地質構造破壞段突水系數未超過0.006MPa/m，正常開采區域突水系數未超過0.1MPa/m，滿足上兩個條件時，底板突水威脅性小，可進行帶壓開采。針對該礦首采面，突水系數為：

因此可知，該礦首采工作面進行帶壓開采時危險性極大，這也與前邊的理論分析計算結果相互吻合，上述分析都以完整底板為研究對象，若開采過程中遇到斷層或陷落柱等地質構造時，更容易引發突水事故的發生。因此在工作面開采前一定要做好地質勘查工作，提前做好防止底板突水的專項安全技術措施，以保證工作面實現安全回采。

3 底板突水防治方法

對于煤礦井下防治水工程來說，除了要貫徹防治水十六字方針外，同時要結合本礦的生產實踐制定“防、堵、疏、排、截”等綜合防治措施，通常以來，針對礦井水害，通常采用如下三種方法：采前疏水降壓、注漿加固底板巖層及選擇合理的開采方法。具體對于該礦而言，煤層下部奧灰水系灰巖水壓力達到6.1MPa，該巖層不但厚度大，同時含水量很高，若采取疏水降壓措施，則從經濟及技術上均不合理，改變該礦煤炭開采方式也不實際，綜合考慮采用注漿的方法來對底板進行加固，通過注漿加固實現“封堵裂隙、加厚底板”的作用，以防止突水事故的發生。

4 注漿堵水工程實踐及應用效果分析

注漿材料選用價格低且膠結強度高的425#普通硅酸鹽水泥，為保證漿液流動性和膠結強度，將水灰比控制為1.8～1.2：1，注漿壓力根據現場情況按水源壓力的1.5～2.0倍選取。根據該礦以前的注漿加固實踐經驗，漿液擴散半徑30m計，同時為了防止工作面兩側發生突水，注漿孔終孔位置超過兩條回采巷道50m，每條巷道布置16個注漿鉆場，除了位于工作面端頭的鉆場需布置8個鉆孔外，其余均布置4個鉆孔即可。鉆孔布置如如圖3和圖4所示。

圖3 注漿鉆孔俯視圖

圖4 注漿鉆孔剖面圖

5 結 論

通過底板注漿加固工程，將底板巖層中的裂隙封閉，相當于增加了底板隔水層的有效厚度，使底板抵抗突水的能力得到加強，減少了礦井降排水費用，使礦井突水問題得到很好地解決，實現了工作面安全高效回采。該項工程不僅為礦井帶來了經濟效益，同時保護了地下水資源，為同類礦井承壓水下煤炭資源的高效開采利用提供了一定借鑒意義。