煤峪口礦81010 工作面煤層底板裂隙發育特征及防治

黃欣慰

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037041）

0 引 言

隨著煤炭開采深度的增加，煤層底板承壓水的水壓增大，再加上承壓水的水源豐富，且疏放困難，對防治水工作帶來更大的挑戰。煤峪口礦目前可開采的煤層是14 號煤層，距煤層下覆22 m 的巖層富水性極強，隔水性較弱，工作面發生突水的可能性較大。因此，采用RFPA 數值模擬軟件對煤層底板裂隙發育特征進行分析，研究突水通道的形成，并采取合理的防治水措施進行防治[1]。

1 地質水文概況

煤峪口礦81010 工作面位于-350 水平采區，井田內裸露的基巖較多，整體地勢呈東高西低，地面標高為+46.5～+48.8 m，煤層底板平均標高為-419.5 m。工作面總長為3 090 m，寬度為200 m，井田面積為614 000 m2，煤層厚度為6.20～10.40 m/8.91 m，以暗煤為主，亮煤次之，含鏡煤條帶，瀝青光澤，煤層中含2～4 層夾矸，夾矸厚4～10 cm，夾矸的巖性主要以泥巖、灰黑色炭質泥巖為主。井田地質呈單一傾斜構造，傾斜角度為1°～18°/7°，傾斜角度較小，兩翼的傾角平緩，沿煤層傾向方向推進。

礦井的水文地質條件一般，煤頂板砂巖富水性弱，但孔隙裂隙發育，連通性好，滲流暢通，徑流條件較好，14 號煤層頂板存在含水層，含水層主要是奧灰巖含水層，煤層底板等高線在奧灰水位標高線以下，隔水層的巖體是鋁質泥巖，奧灰水與隔水層的厚度為65.60 m，突水系數為0.053 MPa/m，屬于帶壓開采，底板帶壓1～4.8 MPa，雖然不會嚴重威脅煤層的開采，但是在開采后，在采動影響下會使頂板出現裂隙而出現涌水事故。在正常回采過程中，81010 工作面有一揭露正斷層F3，傾角為70°，落差為10 m，走向延伸為540 m，在推進過程中，巷道出現淋水現象，容易引發突水危險[2]。

2 底板裂隙發育特征模擬

沿煤層開采方向，受集中應力的影響，在工作面底板巖層處出現加載壓縮區域，使底板向下彎曲，在拉伸張力的作用下出現底板張拉裂隙；而在采空區出現卸壓膨脹區域，使底板向上鼓起，在張拉力的作用下出現底板張拉裂隙。這樣，在加載壓縮和卸壓膨脹交叉部分，受反向剪切應力的影響，便出現底板裂隙帶，示意圖如圖1 所示。

圖1 沿開采方向底板裂隙帶示意圖

2.1 建立模型

為了準確分析81010 工作面在回采過程中煤層底板裂隙發育特征，采用RFPA 數值模擬軟件[3]，根據工作面的特征，現建立平面采動模型，模擬模型沿水平方向300 m，沿垂直方向100 m，煤層開切眼處與模型左側邊界的距離為50 m，終采線與模型右側邊界的距離為50 m，已知斷層在水平方向150 m處，煤層的開采步距為5 m，開挖20 步，總開挖100 m，巖層破斷的模擬模型示意圖如圖1 所示。數值模擬模型各巖層部分力學參數見表2。

圖2 數值模擬模型示意圖

2.2 底板裂隙破斷過程和形態模擬

根據數值模擬結果，得到工作面推進50、60、70、80、90、1 000 m 時煤層底板的裂隙擴展過程如圖3 所示。可以看出，在工作面推進70 m 時，底板巖層有輕微的裂隙，應力集中在斷層面上；在工作面推進80 m 時，底板巖層出現離層裂隙，應力逐步增大；在工作面推進90 m 時，巷道失穩出現變形；在工作面推進100 m 時，底板巖層出現裂隙集中帶，巖層破壞深度達16 m，發生明顯巖層破壞深度約10 m，巖層基本上沒有隔水能力，隨著底板巖層破壞深度的增加，在采動影響下，破壞程度有所減弱的，巖層有一定的隔水能力。

表1 數值模擬模型各巖層部分力學參數

圖3 底板裂隙擴展過程的數值模擬

2.3 底板裂隙破斷過程聲發射模擬

模擬底板裂隙破斷過程，得到裂隙擴展的聲發射圖如圖4 所示[4]。

圖4 底板裂隙擴展聲發射圖

可以看出，在工作面推進50 m 時，主要應力集中在開切眼處，在開切眼處出現剪切破壞裂隙；在工作面推進60 m 時，在底板處出現拉伸破壞裂隙；在工作面推進70 m 時，應力集中在工作面上，在工作面附近出現剪切破壞裂隙；在工作面推進80 m 時，頂底板出現離層，上覆巖層出現拉伸破壞，裂隙逐漸擴展，離層加劇；在工作面推進90 m 時，底板出現明顯的裂隙，工作面上剪切破壞加劇；在工作面推進100 m 時，底板出現2 次離層裂隙，剪切破壞裂隙增多，在斷層面附近也出現不同方向的剪應力，底板的破壞帶發育高度在16 m。

在工作面開挖3 m 后，記錄回采過程中斷層孔隙水壓導升高度，得到導升高度變化曲線如圖5 所示，可以看出，在工作面推進過程中，距離斷層越近，巖層的剪切應力集中范圍在不斷擴大，斷層面也出現不同方向的剪切應力，離斷層越近，斷層內水壓導升高度越高，在斷層處，導升高度達到25.8 m，在距離斷層60 m 范圍內，導升高度漲幅明顯增大，斷層出現活化，裂隙擴展發育，最終貫通形成導水通道，引發工作面出現突水危險。

圖5 裂隙水壓導升高度變化曲線

3 應用效果

根據分析，影響底板裂隙突水的主要因素是含水層水壓和煤層開采所誘發的斷層活化，因此，有針對性地提出防治水措施。

3.1 留設防水煤柱

對斷層進行探測分析，對于導水性較好但不能有效加固的斷層，在采動影響下，通過留設防水煤柱的方式進行防水，增加隔水層的范圍，可以提高工作面的防水安全，首先計算工作面的底板破壞深度，上覆巖層是灰巖，屬于堅硬巖一類，因此，底板導水裂隙帶的最大高度為：

式中：L為煤柱寬度，m；P為防水煤柱的靜水壓力，MPa；Ts 為突水系數；α突水系數。

可以看出，防水煤柱的寬度對煤層底板突水的影響較大，臨界水壓隨著防水煤柱寬度的增加而增大，防水煤柱越寬，底板的承壓能力越強。帶入工作面數據后，得到防水煤柱的寬度為63.79 m。

3.2 注漿加固

注漿加固目的是防止底板出現突水事故，為提高煤層底板的強度和穩定性進行注漿加固。將終孔層設置在與底板垂直向下100 m 處，綜合考慮成本和材料的有效性，注漿材料依據地層的滲透性進行選擇，參考裂隙寬度、滲透系數以及顆粒粒徑等參數，注漿材料選用水泥和粉煤灰混合，按照1∶2 的配比，注漿加固時采用下行法進行，在兩順槽內布置注漿鉆孔，上下各布置5 個鉆場，鉆孔夾角為45°，注漿深度為8 m，將掘進面迎頭位置設置為預注漿地方。如果在施工過程中出現局部跑漿，在斷層帶前后分別25 m 的范圍內及時進行加固，如果最后部分區域沒有達到封堵要求，對局部出水點的頂底板和幫部進行局部注漿加固，以達到封堵效果。

根據模擬結果，在工作面推進過程中，越靠近斷層巖層，剪切應力越集中，斷層內部導水裂隙帶的導水高度也不斷上升。因此，在靠近斷層的位置，增加鉆場內鉆孔數量，共計施工注漿鉆孔44 個，使用注漿水泥2 103.7 t，粉煤灰4 207.4 t，進尺10 432 m。

3.3 效果檢驗

注漿加固后，通過布置檢驗鉆孔來檢驗注漿效果，為了保證檢驗鉆孔的有效性，在上下順槽各布置10 個檢驗孔，20 個注漿孔，檢驗孔的孔深和注漿孔的孔深一致，得到檢驗鉆孔的涌水量如圖6 所示。

圖6 檢驗鉆孔涌水量柱狀圖

從圖6 中可以看出，檢驗鉆孔的最小涌水量為0.2 m3/h，最大涌水量為8 m3/h，平均涌水量小于10 m3/h，說明注漿加固防治水效果較好，能確保工作面的安全回采。

4 結 論

針對煤炭開采過程中底板承壓水頻繁發生突水事故，采用RFPA 數值模擬軟件建立采動模型，對底板裂隙破斷過程和聲發射進行模擬，結果如下：

1）在工作面推進過程中，距離斷層越近，巖層的剪切應力集中范圍在不斷擴大，斷層面也出現不同方向的剪切應力，離斷層越近，斷層內水壓導升高度越高，在斷層處，導升高度達到25.8 m，在距離斷層60 m 范圍內，導升高度漲幅明顯增大，斷層出現活化，裂隙擴展發育，最終貫通形成導水通道，引發工作面出現突水危險。

2）進行注漿改造后，單個鉆孔的最小涌水量為0.2 m3/h，最大涌水量為8 m3/h，平均涌水量小于10 m3/h，說明注漿加固防治水效果較好，能確保工作面的安全回采。