綜采工作面底板隱伏導(dǎo)水陷落柱防治水技術(shù)研究

馮聰聰

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

陷落柱會(huì)給煤炭正常開采帶來不利影響，具體體現(xiàn)在：陷落柱造成煤層不連續(xù)，陷落區(qū)內(nèi)及周邊部分巖石會(huì)代替原有煤層；陷落柱是瓦斯、水等存儲(chǔ)、運(yùn)移通道，采掘作業(yè)面推進(jìn)至陷落柱時(shí)會(huì)產(chǎn)生安全威脅；陷落柱會(huì)影響煤質(zhì)，給采掘作業(yè)面頂板管理帶來影響[1-4]。由于陷落柱附近煤巖體較為破碎，是良好的導(dǎo)水通道，當(dāng)煤層底板存在承壓含水層且發(fā)育有隱伏陷落柱時(shí)，受到采掘影響底板承壓水可能會(huì)從陷落柱沿著采動(dòng)裂隙向回采空間涌出，給采面正常生產(chǎn)帶來威脅[5-7]。

1 工程概況

山西某礦主采煤層為1#、9#、10#、11#煤層，礦井開采范圍水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。由于長(zhǎng)期受到奧灰?guī)r溶水活動(dòng)影響，井田范圍內(nèi)陷落柱較為發(fā)達(dá)。臨近的礦井在煤炭開采時(shí)受到陷落柱影響曾經(jīng)出現(xiàn)淹井事故，給礦井帶來嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)過前期勘探，在礦井1#煤層1605綜采工作面底板下方存在有一半徑約為20 m、高約40 m隱伏陷落柱，該陷落柱與1#煤層底板間距約為70 m。在1#煤層下方存在有承壓含水層，水頭壓力約為6.0 MPa。

2 模擬分析

2.1 模擬模型構(gòu)建

以1605綜采工作面為工程實(shí)例，對(duì)采面開采過程中底板裂隙發(fā)育以及對(duì)陷落柱影響進(jìn)行分析。1605綜采工作面頂?shù)装鍘r層巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，具體構(gòu)建的模擬地質(zhì)模型，如圖1所示。

圖1 模擬地質(zhì)模型

底板隱伏陷落柱位于采面底板巖層內(nèi)，為了更好的監(jiān)測(cè)采面開采過程中陷落柱變形情況，在陷落柱上部3個(gè)測(cè)點(diǎn)(A1、A2、A3)觀測(cè)陷落柱上部巖層變化情況，從而確定的判定采面開采裂隙是否與陷落柱聯(lián)通，具體陷落柱內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意圖，如圖2所示。

圖2 陷落柱內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2 模擬結(jié)果分析

具體采面開采后陷落柱上部A1、A2、A3垂向高度變化情況，如第99頁(yè)圖3所示。

圖3 陷落柱上部測(cè)點(diǎn)垂向高度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖中看出，當(dāng)采面在0 m～70 m范圍開采時(shí)，陷落柱上部A1、A2、A3測(cè)點(diǎn)垂向位移變化曲線波動(dòng)交下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)位移量基本為0；采面在70 m～130 m范圍內(nèi)開采時(shí)，隨著采面推進(jìn)距離增加A1、A2測(cè)點(diǎn)垂向位移開始明顯增漲，變化曲線成階梯上升趨勢(shì)，A3測(cè)點(diǎn)垂向距離變化不明顯；采面在130 m～150 m范圍內(nèi)開采時(shí)，A1、A2、A3測(cè)點(diǎn)垂向位移均顯著增加，各測(cè)點(diǎn)最大變形量分別為50 mm、28 mm、6.7 mm。綜上可看出，陷落柱在靠近采面一側(cè)測(cè)點(diǎn)垂向位移變化最為明顯，再遠(yuǎn)離采面一側(cè)測(cè)點(diǎn)垂向位移變化較小，隨著采面不斷推進(jìn)陷落柱上部布置的各測(cè)點(diǎn)垂向位移量均不斷增加。

在采面回采推進(jìn)過程中，隨著采面與陷落柱中軸線間距不斷縮小，采面底板巖層應(yīng)力集中更為明顯，垂向應(yīng)力最大可到45 MPa，底板巖層與陷落柱距離越遠(yuǎn)破壞區(qū)越發(fā)育。從A1、A2、A3測(cè)線垂向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，在采面采用動(dòng)壓以及陷落柱內(nèi)承壓水作用下底板巖層采動(dòng)裂隙與陷落柱間出現(xiàn)聯(lián)通，陷落柱上部巖層出現(xiàn)剪切破壞，且與采面距離越近破壞范圍越大。因此，為了確保采面生產(chǎn)安全，應(yīng)采底板隱伏陷落柱采取針對(duì)性防治措施。

3 底板隱伏陷落柱防治

3.1 注漿封堵鉆孔布置

根據(jù)礦井以往陷落柱防治水經(jīng)驗(yàn)并采用工程類比法，決定在1605綜采工作面采用在注漿封堵技術(shù)對(duì)突水防治。通過注漿封堵底板導(dǎo)水裂隙從而增強(qiáng)采面底板巖層隔水能力。根據(jù)陷落柱在采面位置關(guān)系，決定在采面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷內(nèi)各布置3個(gè)注漿孔，對(duì)陷落柱進(jìn)行注漿封堵。布置的注漿鉆孔孔徑為55 mm，鉆孔間間距為8 m、注漿孔深度為85 m～113 m，具體注漿孔布置，如圖4所示。

圖4 注漿孔布置平面示意圖

3.2 注漿參數(shù)

注漿加固材料選用封堵效果較好的水泥-水玻璃雙液漿，該注漿材料具有凝結(jié)時(shí)間段、隔水封堵能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比按照1.2∶1布置，注漿壓力確定為10 MPa。從已有的水位地質(zhì)資料得知，陷落柱內(nèi)水頭壓力約為6 MPa，臨近水壓約為0.06 MPa/m，陷落柱與采面底板間間距約為70 m，為此采面底板加固位置應(yīng)為底板下方65 m～85 m。

3.3 注漿加固效果分析

待施工完注漿封堵鉆孔后，在陷落柱附近布置4個(gè)檢驗(yàn)鉆孔考察注漿封堵效果。檢驗(yàn)孔鉆進(jìn)過程中最大出水量在6.2 m3/h以內(nèi)，最大水頭壓力為0.74 MPa，表明采用水泥-水玻璃雙液漿有效封堵了陷落柱導(dǎo)水通道，弱化了底板灰?guī)r含水層與導(dǎo)水裂隙間水力聯(lián)系。采面在回采過陷落柱期間檢驗(yàn)鉆孔出水量以及水頭壓力均呈逐漸降低趨勢(shì)，表現(xiàn)通過注漿加固放有效降低了采面過陷落柱期間的突水風(fēng)險(xiǎn)，提升了礦井生產(chǎn)安全保證能力。

4 結(jié)語

礦井開采的煤田水文地質(zhì)較為復(fù)雜，經(jīng)過前提探測(cè)發(fā)現(xiàn)1605綜采工作面底板存在有隱伏陷落柱，該陷落柱與底板承壓含水層存在水力聯(lián)系。為了確保1605綜采工作面回采安全，采用數(shù)值模擬技術(shù)方法對(duì)采面開采后底板導(dǎo)水裂隙是否與該隱伏陷落柱聯(lián)通，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采面開采后陷落柱內(nèi)承壓水可能從采面底板采動(dòng)裂隙向回采空間涌出。為此采用注漿封堵技術(shù)對(duì)1605綜采工作面底板導(dǎo)水裂隙進(jìn)行封堵。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，施工的檢驗(yàn)孔最大涌水量在6.2 m3/h以內(nèi)，最大水頭壓力為0.74 MPa，表明注漿后裂隙帶與底板承壓含水層間水力聯(lián)系得以弱化，采面過陷落柱時(shí)不會(huì)出現(xiàn)大量涌出問題。