矸石充填法在防治煤層底板突水中的應用

蘇 亮

（同煤集團地質勘測處防治水科，山西 大同 037001）

焦家寨煤礦自建井以來，受古窯積水以及各含水層的影響，在對煤層開采時，由于古窯位置以及范圍的不好確定，導致探放水工作量很大，如果不能及時將積水排出， 工作面與含水層形成導水通道，會引發突水事故[1]。 隨著開采深度的不斷增加，煤層環境的惡化、水文地質情況的變化以及裂隙水導水通道等都加劇了底板突水的危險。 因此，要對底板突水進行提前預防，以保障回采的安全性。

1 水文地質概況

1.1 水文概況

焦家寨煤礦現開采的5#煤層，直接含水層主要來自裂隙導水，單位涌水量在0.005 54～0.042 1 L/s·m，含水層的富水性各不相同，在煤層采空后，塌陷裂隙和地表水溝通， 煤層的間接含水層的水源主要來自奧灰巖層裂隙含水層。 奧灰巖層的水位標高是+1 148～+1 224 m，在靜止時的水位是+1 162.82 m，目前開采的煤層水平標高是+1 010 m。 奧灰頂面距離5#煤層的平均厚度是48.78 m，奧灰巖層裂隙水的水壓高，涌水量大，當構造破壞了頂部隔水層的隔水性能后，使隔水層的隔水能力減弱，容易造成煤層底板出水，對礦井的安全生產帶來巨大的威脅，礦區的水文情況較為復雜。

1.2 地質概況

焦家寨煤礦煤層走向是東北向， 傾向是西北向，煤層傾角10°。 其中2#煤層的直接頂是砂質頁巖， 底板是深灰色中細砂巖， 煤層厚度4.10～8.30 m，平均厚度5.71 m。5#煤層距2#煤層的層間距10.94～42.92 m，5#煤層厚度5.10～22.15 m，平均厚度12.34 m； 直接頂是灰黑色砂巖， 裂隙發育，破碎嚴重，局部有化石碎片；頂板的垮落步距是4～5 m，抗壓強度是38.3 MPa，容易冒落。 5#煤層底板是中粒砂巖，呈膠結狀態，抗壓強度是38.0 MPa，在構造應力下，容易出現彎曲變形，使底板凹凸不平[2]。

2 底板突水情況

2.1 突水因素分析

造成煤層底板突水的主要因素有來自構造和采動兩個方面的裂隙導水[3]。

針對構造裂隙導水，礦區內落差大于3 m 的大中型斷層約67 條，多是高角度的正斷層，斷層帶多用泥巖充填且斷裂面具有隔水的作用，一般導水性比較差。 例如，本礦區的F 斷層，落差是30.90 m，斷層帶寬是5.7 m，斷層兩側的水位差是75.91 m，認為在礦區內該斷層相對是隔水的。 落差小于3 m的小斷層約260 條，多是層間斷層，且部分斷層與含水層相連接，使斷層帶具有導水性。

針對采動裂隙導水，5#煤層在回采后， 頂板的冒落裂隙與2#煤層的裂隙連通， 且裂隙帶均導水，使裂隙水沿冒落帶裂隙流入采空區中。 根據焦家寨煤礦的水文地質條件以及相關經驗數據，采煤時對煤層底板的破壞深度達12 m，5#煤層開采時裂隙貫通使得涌水通道發育愈發容易，在超前壓力的作用下，底板產生裂隙約2.3 m，奧灰承壓水沿裂隙在隔水層內形成潛水帶，底板破裂后會出現突水事故。

2.2 突水系數計算

根據相關規定，突水系數可以表示為：

式中：TS為突水系數，P 為隔水層的水壓，M 為隔水層的厚度，CP為開采對隔水層的破壞厚度， 本次試驗選擇12 m。

隔水層的水壓一般與工作面的斜長、開采深度以及底板巖性有關，隔水層的厚度就是自然狀態下巖柱的等效厚度。 底板受構造破壞的突水系數一般要求要小于0.06，正常塊段的突水系數一般要小于0.15。 根據礦區的相關鉆孔資料，計算出開采煤層的突水系數見表1。

表1 開采煤層突水系數

根據突水系數表，得到5#煤層的底板突水系數等值線見圖1。

圖1 5#煤層底板突水系數等值線

從圖中可以看出，開采的5#煤層西北部分底板突水系數大于0.06 MPa/m，是開采的危險區域，危險程度較高， 且+1 010 水平已達到臨界突水的邊界，出現底板突水的可能性極大，而且在復雜構造及裂隙發育的地方也會出現底板突水，威脅到礦區的安全生產。

3 矸石充填技術

3.1 矸石充填工藝

在進行回采時，奧灰巖層裂隙水受采動影響沿斷裂構造進入采動空間，造成底板突水，采用矸石充填技術解決承壓水上開采問題，有效控制底板破壞程度，降低導水裂隙帶的高度，使含水層不受破壞，以此來預防底板突水事故。 矸石充填的具體工藝如下：

（1）對5#煤層回采過程中，在工作面的上順槽距回風巷10 m 設置矸石倉， 充填順序是矸石倉—溜矸道運輸機—吊掛皮帶機—運矸溜子—拋矸皮帶機—工作面溜槽自溜進行充填。

（2）采用自下而上的壘砌方式，以煤層的夾矸和冒落的矸石為填充物，在壘砌時，要搭配大小矸石，確保充填嚴實沒有間隙；充填帶的間距小于底板垮落步距，沿著工作面的走向每隔4 m 布置矸石充填帶。 在工作面的中部選擇預制的鋼筋水泥砌塊進行填充，確保頂板在走向和傾向方向上都不會出現裂縫。 填充帶的寬度一般是采高的2 倍，確定矸石充填帶的寬度為6 m；在傾角大于10°時，在充填帶的下方每隔0.5 m 安放止動木柱，防止倒塌。

（3）將充矸溜槽鋪設在空排支柱內，溜槽與溜槽之間用鐵絲固定，溜槽的底部用梯子抬高，便于拋矸作業，梯子長度要大于3 m，將出矸口固定在空排支柱的手把上，防止梯子被砸歪。

（4）在溜矸的過程中，如果出現溜槽脫節現象，要立刻停止機器運行，關閉拋矸皮帶的開關，在脫節點上設置擋矸卡，用板皮封閉擋卡，并將脫節的溜槽重新連接。

對焦家寨煤礦設計的矸石充填系統見圖2。

圖2 矸石充填工作面布置

3.2 應用效果分析

使用矸石充填技術可以很好地解決工作面安全回采問題。 矸石的輸送比較方便，矸石充填帶也比較容易成型，可以最大程度保護底板不受破壞，且充填材料是就地選取，以煤矸石作為骨架，配有鋼筋水泥進行內部充填，既保證充填體的強度，也很好地解決了矸石的排放。 對該礦實施矸石充填技術，充填施工見圖3， 經測量頂底板的移近量約384 mm/m，頂板的下沉量約247 mm/m， 減少了回采時對工作面底板造成的破壞，降低了底板突水的風險；同時對成本進行核算，計算出每噸煤可節約開采成本6.5 元/ 噸，大大降低了開采的成本， 減少了處理排水的工作量。 經過工程實踐，認為矸石充填技術是可行的。

圖3 矸石充填施工

4 結語

針對焦家寨煤礦5#煤層在回采過程中出現的底板突水問題，采用矸石充填技術，得到結果如下：

1）5#煤層礦區內落差小于3 m 的260 條小斷層與含水層相連接，頂板的冒落裂隙與2#煤層的裂隙連通， 使裂隙水沿冒落帶裂隙流入采空區中，對煤層底板的破壞深度達12 m， 底板產生裂隙高度約2.3 m，奧灰水沿裂隙形成潛水帶，造成突水事故。

2）5#煤層的底板突水系數在西北部分大于0.06 MPa/m，是開采的危險區域。

3）采用矸石充填開采技術后，頂底板的移近量約384 mm/m，頂板的下沉量約247 mm/m，減少了回采時對工作面底板造成的破壞，降低了底板突水的風險， 同時每噸煤可節約開采成本6.5 元/ 噸，降低了開采的成本，減少了處理排水的工作量。