寺河煤礦5310工作面斷層對底板突水的影響及防治

2020-01-08 05:42:26蔡王飛

山西焦煤科技 2019年11期

蔡王飛

(晉城煤業集團寺河礦，山西晉城 048200)

近年來煤礦開采向深部不斷推進，地質構造的復雜性導致了底板灰巖含水層突水危險程度進一步提升，為此國內學者對此進行了大量的研究，并根據現場實際以及經驗總結得出了豐厚的成果，如西安煤炭科學院提出的突水系數法[1]、山東科技大學學者提出的“下三帶”理論[2]、錢鳴高院士提出的斷層突水的準則[3]，這些理論為研究斷層活化以及防治水提供了寶貴的依據，而本文采用FLAC3D軟件對工作面斷層處進行建模，能夠較為直觀地得出斷層活化的分布過程以及對底板突水的影響，從而為底板防治水提供一定的預警性和依據。

1 工程概況

寺河煤礦是晉煤集團一座特大型現代化礦井，位于山西省晉城市西偏北直距24 km處，地貌形態屬剝蝕、侵蝕山地，以低中山—丘陵為主，溝谷發育，地形較為破碎，其工業場地位于沁水縣嘉峰鎮嘉峰村與殷莊村之間，井田內局部由黃土覆蓋，主要以黃土臺垣梁及黃土沖溝，沖溝發育。礦井可采煤層為3#、9#、15#，目前主要開采3#煤層，平均厚度6.08 m，3#煤層頂底板特征見表1. 礦井東井區內發育大小斷層90條，其中東井區地表揭露大型斷層5條；以往勘探控制小斷層29條，建井期間井巷掘進中，揭露小型斷層32條，落差均小于2 m. 東井區5310工作面位于東五盤區，地面位置位于竇山村以西、沁河以東、潘河口以南、潘莊以北，工作面走向長1 775.7 m，傾斜長296.2 m，工作面開采時揭露正斷層F5310，傾向240°，傾角55°，落差1.5 m. 礦井主要隔水層為石炭系上統太原組底部及中統本溪組泥巖、鋁質泥巖隔水層，本隔水層厚度變化較大，為14～75 m，一般20～30 m，其較為復雜的地質構造造成了工作面涌水量的異常增大。

2 5310工作面回采數值模擬

2.1 模型的建立

為了了解斷層在回采過程中活化程度以及對工作面底板突水的影響程度，應用FLAC3D軟件對5310工作面進行了模擬，模型特征表現為三維化，斷層本身性質相對較弱，容易受到外來應力的影響發生塑性應變，其可塑性相對較強但力學性質相對周圍巖石較低。模型長500 m，高100 m，寬300 m，共劃分網格節點108 516個，單元110 086個，上覆巖層容重取平均值25 000 N/m3，頂部自由，并施加10 MPa自重應力，限制條件為模型底部穩定不變，四周施加最大水平主應力為-25 MPa，模型中心施加水平主應力為-25 MPa，頂部施加主應力為-15 MPa，其邊界應力比值為1.7. 5310工作面含55°斷層回采數值模型圖見圖1.

2.2 模擬結果分析

該次建模主要針對5310工作面內斷層，設計方案為：首采35 m，第2次回采至70 m，第3次回采至105 m，回采間隔為35 m. 由于5310工作面內斷層傾角不同，以各個斷層的平均值55°進行建模，對5310工作面回采期間底板的受力情況以及破壞程度進行模擬，分別得到了回采期間推進35 m、70 m、105 m時工作面底板受力情況以及塑性破壞程度，見圖2，3.

圖1 5310工作面含55°斷層回采數值模型圖

圖2 回采期間工作面最大主應力云圖

圖3 回采階段底板塑性破壞分布圖

由圖2可以發現，隨著工作面回采的進行，距離斷層越來越近。由圖2a)可知，回采至35 m時距離斷層為85 m，出現應力集中現象的范圍為工作面前部和斷層的上方；觀察圖2b)可知，當回采至70 m時，此時距離斷層50 m，工作面前方和后方采空區應力進一步集中，斷層附近應力相比圖2a)有所集中；由圖2c)可知，當工作面回采至105 m時，斷層在工作面前方15 m，應力集中化程度明顯高于回采35 m、70 m時，尤其是斷層上方應力與工作面下部應力匯聚在一起，而且斷層的存在導致了工作面前方應力被隔斷，斷層左側應力達到最大值，最大水平應力為30 MPa. 綜上所述可以發現，隨著工作面的回采，回采面距離斷層越近，工作面以及斷層四周應力集中化程度越高，這是因為斷層的存在導致了工作面回采期間應力梯度的加大，同時斷層也隔斷了工作面前方的應力，使之都積聚在工作面與斷層周圍，當其超出煤體的承載能力時，就會產生煤體以及巖體的裂隙，生成導水通道。

由圖3可以發現，隨著回采的進行，工作面塑性區破壞程度增大。由圖3a)可以發現，在回采至35 m時，底板塑性區為2～3 m，破壞程度較小；觀察圖3b)可知，當回采至70 m時，底板塑性區為8～10 m，同時可以發現斷層開始活化，斷層底端出現塑性破壞區，延伸程度為8.3 m，表明此時斷層由于采動影響出現裂隙通道；觀察圖3c)可以看出，回采至105 m時，底板塑性區范圍進一步擴大，破壞程度為13～16 m，并在距離斷層15 m處形成一條底板采空區裂隙，與斷層活化帶連通形成導水裂隙。由于5310工作面底部承壓水對斷層破碎帶有弱化、沖刷腐蝕的作用，加劇了斷層面的破壞范圍和破壞速度，可能會導致底板突水事故的發生。

3 5310工作面突水系數

根據《寺河煤礦生產地質報告》可知，5310工作面頂底板標高最低為302 m，根據煤礦水文地質資料可知，5310工作面奧灰水位標高在+500 m左右,井田內奧陶系中統灰巖含水層區域水位標高高出3#煤層底板最低標高198 m，具有較高的水力壓力值，3#煤層屬帶壓開采煤層。根據突水系數計算公式對5310工作面最低點的突水系數進行計算：

T=P/M

式中：

T—突水系數，MPa/m；

P—底板隔水層承受的水頭壓力，MPa/m；

M—底板隔水層厚度，m.

經計算，工作面底板突水系數為0.073 MPa/m，大于臨界突水系數0.06 MPa/m. 因此，5310工作面底板存在奧灰水突水危險。

4 底板注漿改造工程實踐

經過數值模擬以及計算后得出5310工作面存在底板突水的危險性，根據模擬得知回采至105 m時底板可能突水，為煤礦底板防治水提供了一定的預警性。通常情況當工作面突水系數大于臨界突水系數時，一般可采取2種防治水措施，采用疏水降水壓或對底板隔水層注漿改造，前者能夠降低突水系數，實現安全開采，但是費用高、疏降時間長，后者通過增加隔水層厚度降低突水系數，降低礦井突水危險性，工業應用效果顯著，費用相對較低。因此，選擇對底板隔水層進行注漿改造。

應用注漿技術對5310工作面底板進行注漿，注漿設備選用TXB-1000型鉆機配250/40型泥漿泵和TSJ-1000型鉆機配備850/50型泥漿泵，注漿材料選用420#散裝水泥以及砂石固料，該水泥具有凝固性強以及凝固快的特點，注漿流程為射流泵上水，然后將水泥以及砂石加入儲灰罐，在攪拌機里攪拌均勻后通過泥漿泵壓入鉆孔內，本工作面底板注漿鉆孔布置見圖4，圖5. 鉆孔總進尺2 536 m，注水泥16 093.96 t，注砂258.77 m3. 堵水注漿孔單孔結束標準要求孔口注漿壓力達到3 MPa左右，單液漿最終吸漿量小于50 L/min，并持續20～30 min. 整個底板注漿過程經歷150天，在注漿完成兩個月內工作面涌水量均在正常范圍內，降低了底板突水的危險性，為工作面的安全回采提供了保障。