承壓工作面奧灰水破壞深度測試與模擬研究

趙 劍

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦山西呂梁033200）

關鍵字：地質；承壓；底板；破壞；模擬

0 引言

辛置煤礦位于山西省山西省臨汾市北緣，處于霍西煤田中部，井田北與曹莊礦相鄰，南部至南部邊界斷層，西部以河底斷層、赤峪斷層為界[1-2]，東至11#號煤層基巖露頭線，礦井面積為59 km2，生產(chǎn)核定能力280萬噸/年。目前有三個水平+540 m、+450 m,+310 m 和兩個生產(chǎn)采區(qū)，開采煤層有2#、10#、11#煤，其中東四采區(qū)現(xiàn)開采太原組10#煤層，下一步還將開采11#煤層，兩煤層位于太原組K2 灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r含水層之間，10#煤層與11#煤層間距在10 m 左右，11#煤層距下伏奧陶系灰?guī)r20 m 左右，兩層煤層埋深均在奧灰靜水位線+520 m左右以下，為帶壓開采。

1 礦井水文地質條件

礦區(qū)內(nèi)地層由老至新有古生界奧陶系、石炭系、二疊系及新生界第三系、第四系。構造發(fā)育，正斷層十分發(fā)育是本井田的重要地質構造特征，井田內(nèi)部陷落柱也較為發(fā)育。主要的含水層有第四系松散層孔隙含水層組、第三系泥灰?guī)r含水層組、二疊系砂巖孔隙裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組薄層灰?guī)r巖溶裂隙含水層組和奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層[3-4]。其中：下石盒子組砂巖孔隙裂隙水為礦井開采的直接充水水源，奧灰含水層是礦井的突水水源的重點。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度大，補給條件好，富水性強，本溪組為下組煤的底板，厚度14.4 m～21.94 m。奧灰水壓力水頭較高，煤層底板處承受水壓最大可達2.3 MPa，開采11#煤時，煤層底板距奧灰含水層距離約為20 m，奧灰水將成為主要的底板突水威脅。

圖1 主要煤層與上、下含水層位置關系示意圖

2 采動條件下東四采區(qū)10#煤層底板破壞深度測試

2.1 測試工作面概況

10-409 工作面位于東四采區(qū)+540 水平，地面標高+723 m～+790 m，工作面標高+416 m～+448 m，走向長1 002 m，傾斜長180 m。煤層平均厚度2.63 m，傾角6°。工作面北部為10-407 工作面采空區(qū)，西至皮帶、軌道巷，南為10-411 工作面掘進巷道，見圖2，臨近工作面之間留設30 m寬煤柱。

圖2 測試工作面示意圖

工作面直接頂為9#煤和1.8 m厚的黑色、薄層狀泥巖；老頂為K2 灰?guī)r，深灰色，致密堅硬，厚度為8.5 m；直接底為砂質泥巖，厚度為1.5 m，老底為厚度為5.5 m的中砂巖，單軸抗壓強度大于40 MPa，底板巖層較硬。工作面內(nèi)部發(fā)育有3個陷落柱，揭露斷層有5條，落差均小于2 m，對工作面有一定影響。

2.2 測試過程

鉆窩位置位于10-4112 巷，距巷道口410 m，鉆窩長×寬×高=5 m×5 m×5 m。鉆進191.64 m，完成底板破裂深度測試鉆孔3 個。鉆窩布置和鉆孔平剖面如圖3中所示。

圖3 鉆窩布置和鉆孔平剖面圖

鉆探設備：選用IIIA型鉆機，KBY雙液注漿泵及其相應配套設備。

鉆具組合：采用φ50內(nèi)絲鉆桿，加設防斜扶正器，并能保持足夠的鉆壓，不同規(guī)格的鉆頭采用不同的鉆具進行組合。

鉆進方法：3#、4#、5#鉆孔采用無巖芯鉆頭鉆進。

2.3 采動破壞深度確定

10-409 工作面布置底板破裂深度測試鉆孔3 個，其中3#孔長度為13.92 m，單栓塞壓水試驗結果為7.51 m～12.37 m，3#孔雙栓塞壓水試驗結果為8.98 m～9.03 m、9.96 m～10 m、10.94 m～11 m，4#孔測試段長度為8.72 m，單栓塞壓水試驗結果為12.4 m～14.43 m。結合壓水試驗和滲透系數(shù)公式計算（α取1.1）可知10-409工作面的采動破裂深度在8.98 m～9 m處，詳見表1。

表1 測試段滲透系數(shù)

3 10#煤開采底板破壞深度模擬分析

3.1 模型建立

結合圍巖巖體參數(shù)表2，建立模型，設計模擬采動方向共200 m，工作面寬度180 m，工作面頂板120 m，其余上覆地層按照荷載施加，工作面底板模擬厚度約40 m。X 軸、Y 軸和Z 的下底界面均設置為位移邊界，頂界面設置為應力邊界，垂直界面、底界面設置為滾動界面，X 方向200 m，60 個單元；Y 方向180 m，50 個單元，數(shù)值模型見圖4。

圖4 地質模型圖

表2 模型巖體參數(shù)

3.2 開挖過程結果分析

在開挖中，設置開挖距離為120 m，從X 方向的-60 m～60 m。每天開挖5 m，開挖后計算150步，進行開挖模擬，開挖時垂向應力分布規(guī)律如下:

圖5 開挖后Z=-9平面垂向應力分布圖

從圖中可以看出，在工作面推進過程中垂向應力的重分布區(qū)域為（從工作面推進方向）：1 應力釋放區(qū)—2應力集中區(qū)—3應力降低區(qū)。其中1應力釋放區(qū)是由于采動后，頂板巖層雖然有一些會跨落下來，有一定得壓力，但是在這一時間段內(nèi)，應力依然保持降低。2應力集中區(qū)，由于前方煤層沒有開采，后方以及回采，所以在掘進頭處垂向應力集中，區(qū)域寬度約為30 m。3 應力降低區(qū)是由于中部形成應力集中區(qū)域，為應力降低區(qū)域寬度約為50 m。從圖b 和圖c 中X 方向和Y方向的應力在采空區(qū)范圍均出現(xiàn)降低，對于采空區(qū)兩側則是逐漸增大。

3.3 煤層采動底板影響深度

圖6 開挖后Z=0平面以下煤層破裂圖

在礦井開采中雖然側向壓力較大，但是對煤層破裂起到控制左右的應力主要仍然是垂向應力，從圖中可以看出底板破裂深度發(fā)育深度為8.7 m，與工作面底板破裂深度9 m相接近，現(xiàn)該工作面已安全回采，說明10-409 工作面底板奧灰承壓含水層破裂模擬具有一定的理論和現(xiàn)實意義[5-6]。

4 構造帶對底板破壞性特征及臨界突水系數(shù)分析

4.1 構造帶對底板破壞性特征分析

東四采區(qū)底板以砂巖為主，巖層阻隔水能力較強，奧陶系灰?guī)r巖溶溶蝕性較弱，埋深較深基本上處于奧灰補給區(qū)域，而補給區(qū)域奧陶系灰?guī)r的滲透性較弱，鑒于測試工作面斷層、陷落柱比較發(fā)育，并受到新構造運動的影響，如果造成奧灰含水層與太灰含水層對接，甚至與開采煤層對接，可能由于重新活動而導水，因此可以判斷以測試工作面為代表的東四采區(qū)底板含水層突水最主要影響因素就是地質構造。

4.2 臨界突水系數(shù)

測試工作面10#煤下距奧灰水含水層28.9 m，帶壓水2.3 MPa，按照《煤礦防治水規(guī)定》，采用突水系數(shù)法評價公式，式中：h1－礦壓破壞隔水層厚度（m），M－隔水層厚度（m）,P－隔水層底板承受的水壓（MPa）。

底板巖層采動破壞深度按照計算，T=0.07 96 MPa/m，均小于無構造地段的臨界突水0.06 MPa/m，一般情況下是安全的。若底板破壞深度內(nèi)巖層不按隔水層考慮，綜合底板影響帶受采動影響極小情況，取底板破壞深度為9 m，則M=19.9 m，T=0.115 MPa/m，故測試工作面底板破壞深度的突水系數(shù)大于《煤礦防治水規(guī)定》的一般情況下的臨界突水系數(shù)。東四采區(qū)10#煤層底板結構相同，測試工作面的地質特征基本代表了東四采區(qū)的情況，在沒有本區(qū)更多的突水材料時，測試工作面所處東四采區(qū)最小臨界突水系數(shù)可表述為Ts≥0.115 MPa/m。

5 底板破壞防治主要技術措施

5.1 補充勘探

礦井自普查以來雖已作過一定的地質和水文地質工作，對井田的地質條件已基本查明，但是前期未進行過專門礦井水文地質勘探工作，現(xiàn)有資料遠不能滿足礦井防治水的要求，必須進行水文地質補充勘探，通過鉆探和物探等技術手段重點對主采煤層威脅最嚴重的K2薄層灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r充水含水層進行勘探。

5.2 進行隔水層加固與含水層改造

為防止奧陶系灰?guī)r裂隙水突入礦井，在探查工程實施完成后，采用含水層改造技術可有效地加厚、加固煤層底板隔水層或構造斷裂等技術，針對奧陶系灰?guī)r導升高度較高的區(qū)域進行實施注漿改造，以加厚奧陶系灰?guī)r的隔水層，實現(xiàn)煤層底板隔水層的連續(xù)性和整體性，以提高對奧陶系灰?guī)r水的阻抗能力，為安全開采創(chuàng)造有利條件。

5.3 加強礦井防排水系統(tǒng)建設

奧灰水位高于所采煤層標高，奧灰水有可能通過陷落柱、斷層和裂隙密集帶等地質異常體涌入礦井，造成底板突水。按照煤礦安全規(guī)程的要求進一步核定礦井排水能力，對礦井防排水系統(tǒng)進行規(guī)劃，配置排水設施，完善與維護避災系統(tǒng)，對放水閘門及其替代技術進行水害范圍控制，加強煤層底板突水動態(tài)預測預報等手段，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

6 結論

（1）辛置煤礦東四采區(qū)10-409工作面底板巖層采動破裂深度在9 m，與軟件模擬得出的破裂深度在8.7 m，結果一致。

（2）東四采區(qū)在沒有更多突水資料情況下，最小臨界突水系數(shù)為Ts≥0.115 MPa/m，底板含水層突水最主要影響因素就是地質構造。

（3）10#煤層在一般開采條件下，是安全的。煤層底板奧灰含水層頂部有7.5 m～8.5 m厚度的不含水層，可作為相對隔水層，奧灰水突水機理為存在構造形成突水通道或是底部奧灰含水層導升高度減小隔水層厚度。