深部開采煤層底板突水控制技術研究

焦 義

(大同煤礦集團王村煤業有限責任公司，山西省大同市，037032)

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深部開采煤層底板突水控制技術研究

焦 義

(大同煤礦集團王村煤業有限責任公司，山西省大同市，037032)

結合王莊煤礦水文地質條件，分析了工作面底板突水的主要影響因素，采用塑性力學理論計算了1201工作面的底板破壞深度；利用FALC3D對工作面布置在斷層上盤和下盤兩種情況進行了數值計算分析，得出了兩種情況下圍巖破壞場、滲流場、應力場及位移場分布規律。在此基礎上提出且實施了預加固斷層防治突水的治理措施，取得良好效果。

深部開采 底板突水 底板破壞深度 數值模擬 斷層上盤 斷層下盤 治理措施

由于我國大部分礦井水文地質條件復雜，因此，礦井突水事故是我國井工煤礦常見的重大事故之一，一直以來，礦井水害防治技術是各大礦業集團公司及相關科研單位研究的重要領域。

目前，我國大多數煤炭企業根據自身的實際水文地質條件，通過對煤礦防治水工作進行不斷的摸索，建立起一套行之有效的防治水體系。但是隨著礦井開采深度的增加，在深部開采過程中，面臨高水壓、地壓等復雜水文地質條件，以往積累的防治水體系已經不能滿足礦井實際防治水的需要。目前國內外礦井對復雜水文地質條件下底板突水，尤其是采動影響下斷層附近底板突水防治尚沒有成熟的技術和經驗，故對采動影響下斷層附近底板突水特征及治理措施的研究具有重要的現實意義，亦可為煤礦類似條件下的水害治理工作提供借鑒。

1 工作面底板突水理論分析

1.1 工程概況

山西省王莊煤礦1201工作面位于一盤區上山中部，采面切眼東南180 m是F18斷層，在膠運巷掘進至120 m、460 m、509 m時分別揭露F105、F107、F109斷層，3條斷層都為正斷層，主采二1煤層，煤層平均厚度為6.16 m。煤層節理、層理發育，局部含有薄層夾矸，性脆，煤的硬度為0.98～1.8。直接底為灰黑色泥巖，富含植物根部化石，遇水膨脹，易發生底鼓現象，厚度為3.3 m；老底為深灰色L9灰巖，局部方解石脈發育，致密，塊狀，厚度為2.05 m。

根據1201工作面實際水文地質條件，影響其突水的主要因素為底板承壓水、隔水層(即工作面底板巖層性質)、地質構造、工作面開采空間采煤方法及地應力。

1.2 工作面底板破裂深度

采用土力學中地基學的方法計算工作面回采引起的工作面底板破裂深度。地基中的極限平衡如圖1所示，根據塑性理論，地基中的極限平衡區主要分為I、II、III 3個區。受回采過程中支承壓力影響導致的底板破壞深度如圖2所示，圖中D表示破壞深度。

圖1 地基中的極限平衡

圖2 支承壓力形成的底板破壞深度

經過計算推導，煤層塑性區的寬度：

(1)

式中：L——煤層塑性區寬度，m；

n——最大應力集中系數；

H——開采深度，m；

γ——巖體容重，kg/m3；

Cm——內聚力，MPa；

m——煤層開采厚度，m；

φ——內摩擦角，(°)。

底板最大破壞深度：

(2)

底板最大深度的位置：

(3)

式中：φ0——底板巖體權重平均內摩擦角，(°)。

根據巖石物理試驗結果，并對煤巖力學參數進行折減，得出煤的內摩擦角φ=28°，n=1.6，Cm=1.05MPa，m=3.6 m，H=690m代入式(1)，得L=10.47 m。將φ0=37°及相關數值代入式(2)和式(3)，得Dmax=21.83 m，l=16.45 m。因此，工作面正常回采時，當其長度為180 m時，工作面底板的最大破壞深度在21.83 m左右，位置距離工作面端頭16.45 m。受礦山壓力的影響，底板破壞深度范圍以內的巖層處于粘彈性狀態，區域內裂隙貫通，導水性很強，完全失去了隔水能力，因此，要求底板隔水層的厚度在工作面最大破壞深度以下的位置才能保證工作面不會發生底板突水事故。

2 采動影響下斷層突水的數值計算分析

2.1 數值模型建立

為模擬1201工作面在采煤過程中存在導水斷層時，工作面底板圍巖破壞場、滲流場、應力場及位移場分布規律情況，選取膠運巷509 m處揭露F109斷層，以該斷層為中心建立模型。建立模型長度465 m，傾向寬度為200 m，模型高為180 m，模型如圖3所示。選取了3個特征點分別為：斷層上部id=3，(45 0 80)；斷層中部id=5，(0 0 0)；斷層下部id=4，(1 0 20)。

圖3 模型平面圖

2.2 數值模擬結果

2.2.1 工作面布置在斷層下盤

假設工作面布置在斷層下盤、留設煤柱30 m和工作面開挖到斷層時，選擇在距模型右邊界90 m處開切眼，模擬斷層周邊滲流場與塑性破壞場的耦合、應力場、位移場以及斷層突水的一般規律。

(1)圍巖破壞場與滲流場耦合。工作面布置在下盤時區域圍巖破壞場與滲流場耦合分布情況如圖4所示。由圖4可知，工作面區域內的孔隙水壓力場與工作面內斷層特征整體一致；由于區域內斷層的橫斷面積較大，在同樣的水力條件下，孔隙水滲透區域遠大于工作面內的其它導水構造，由于孔隙水壓力沿斷層向其周邊擴散，且壓力不斷降低，在某個臨界面降至零，把該臨界面視為滲流場的臨時邊界；隨著工作面的開挖，由于底板非常大，滲流場波及范圍亦很大；工作面開挖時，工作面底板近處水壓力小于1 MPa，會發生一定程度的滲水；隨著保護煤柱留設距離減小到30 m以內，突水危險性不斷增大。

圖4 工作面布置在下盤時區域圍巖破壞場與滲流場耦合分布

(2)應力場分析。工作面布置在下盤時區域圍巖應力場分布如圖5所示。由圖5可知，與含水灰巖導通的導水斷層自身的水壓力均滲透到圍巖應力場中，與圍巖應力場耦合在一起；在斷層水壓力和圍巖應力場的耦合作用下，圍巖發生塑性破壞、水壓致裂和滲流等不同形式的耦合破壞；當保護煤柱減小到30 m以內時，工作面發生滲水乃至突水等災害。

2.2.2 工作面布置在斷層上盤

假設工作面布置在斷層上盤、留設煤柱30 m、工作面開挖到斷層時，選擇在距模型右邊界90 m處開切眼，模擬斷層周邊滲流場與塑性破壞場的耦合、應力場、位移場以及斷層突水的一般規律。

(1)圍巖破壞場與滲流場耦合。工作面布置在上盤時區域圍巖破壞場與滲流場耦合分布如圖6所示。

圖5 工作面布置在下盤時區域圍巖應力場分布

由圖6可知，導水斷層孔隙水壓力場分布與工作面布置于下盤時分布一致；沿著斷層上下盤形成一定的滲流場；斷層的橫斷面積非常大，在相同水力條件下，滲透區域遠大于其它特殊的導水構造；孔隙水壓力由斷層向四周擴散，并不斷減小，在某個臨界面變為零，將此臨界面視為滲流場的臨時邊界；當工作面距離滲流場較遠，采動影響不會波及斷層周邊滲流場；工作面破壞場與滲流場的耦合分析與斷層下盤開采時原理基本一致；隨著工作面的開挖，工作面前方圍巖塑性破壞區不斷前移，與斷層周邊的滲透區域不斷接近；圍巖破壞場與斷層周邊滲流場從原始的相對無聯系狀態，漸漸發展為相互聯系，相互貫通；由于底板面積非常大，滲流場波及范圍亦很大；隨著工作面開挖，工作面底板近處水壓力小于1 MPa，會發生一定程度的滲水；隨著保護煤柱留設距離減小到30 m以內，突水危險性不斷增大。

(2)應力場分析。工作面布置在上盤時區域圍巖應力場分布如圖7所示。由圖7可知，與布置于工作面下盤相比較，工作面開采時，造成斷層活化，因而產生的斷層應力集中相比較下盤開采要大；破壞場與滲流場耦合距離更大，應力場擾動范圍亦較大。

圖7 工作面布置在上盤時區域圍巖應力場分布

2.2.3 斷層上、下盤受采動影響位移量對比分析

斷層上、下盤特征點位移變化如圖8所示，圖8中橫坐標1、2、3分別代表斷層上部、中部、下部3個位置，縱坐標指3個部位的位移量。由圖8可知，無論選擇在斷層上盤開挖還是斷層下盤開挖，斷層上、中、下3個特征點的位移以斷層上部為大，往下位移相繼減小；斷層上盤位移整體高于斷層下盤。比較上下盤工作面上、中、下3個特征點位移，上盤3個特點較下盤3個特征點分別增大了1.072、1.72、1.4。可以看出斷層上盤在開采過程中底板位移量較大，斷層上盤承受的垂向應力較斷層下盤要大。通過應力場圖5和圖7做對比，可以看出斷層上盤開采時最大集中應力約為下盤開采的1.5倍。

圖8 斷層上、下盤特征點位移

3 治理措施

結合1201工作面實際地質條件及以上對底板破壞深度、斷層對底板突水的數值模擬分析結果，為防止突水事故的發生，1201工作面布置在斷層下盤，并提出采用底板鉆孔注漿的方式對F105、F107、F109斷層進行預加固。

在1201工作面膠運巷距離切眼509.4 m處上幫5#鉆場內施工5-1、5-2、5-3鉆孔，在膠運巷距離切眼461.4 m處下幫4#鉆場內施工4-1、4-2、4-3鉆孔，鉆孔終孔深度控制在L8灰巖底板下垂距15 m，鉆進過程中，如果有水就進行注漿改造，如果無水則封孔，如以上鉆孔不能滿足要求，可根據鉆孔揭露的水文地質資料適當增加鉆孔，增加鉆孔以工程聯系單的形式通知施工單位。

(1)注漿材料。本次注漿采用電廠粉煤灰，以40%摻量的水泥-粉煤灰為基材，加入很少量的三乙醇胺、CaCl2和減水劑。該材料3 d和7 d后的抗壓強度分別達到了4.25 MPa和11.40 MPa，且漿體在水灰質量比1：1的情況下具有較好的流動性，可注性能優異，滿足底板改造、注漿堵水的要求。通過正交設計試驗，得出復合早強劑的配方為三乙醇胺0.05%，CaCl221%，減水劑FDN-8000 0.25%。

(2)注漿效果。工作面底板未經注漿加固前，工作面正常涌水量為200 m3/h左右，最大涌水量為300 m3/h，很難保證工作面安全回采。工作面底板鉆孔注漿改造后實際正常涌水量為28.5 m3/h，最大涌水量為38 m3/h，水量小降低了原煤水份，提高了煤質，增加了發熱量；工作面涌水量減小提高了工作面的回采速度，保證了工作面安全回采。

4 結論

(1)通過分析1201工作面的水文地質條件，得到了影響底板突水的主要因素，利用塑性力學理論對1201工作面的底板破壞深度進行計算得到其破壞深度在21.83 m。

(2)以F109斷層為模擬斷層、1201工作面為模擬工作面，利用FALC3D對采動斷層活動突水進行了數值模擬，模擬了工作面分別布置在斷層上盤和下盤兩種情況，得出了兩種情況下圍巖破壞場與滲流場分布規律、應力場分布規律和位移場分布規律，且工作面布置在斷層下盤時3個特征點位移小于上盤。

(3)對工作面內的F105、F107、F109 3條斷層進行預加固，改造后實際正常涌水量為28.5 m3/h，最大涌水量為38 m3/h，保證了工作面安全回采。

[1] 武強，李周堯.礦井水災防治[M].徐州:中國礦業大學出版社，2002

[2] 卜昌森. 礦井斷裂構造定量評價研究[J].中國煤炭,2012(11)

[3] 武強，董書寧，張志龍.礦井水害防治[M].徐州:中國礦業大學出版社，2007

[4] 錢鳴高，茅獻彪，繆協興.采場覆巖中關鍵層上載荷的變化規律[J].煤炭學報，1998(2)

[5] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003

(責任編輯 張艷華)

Research on control technology of water inrush from coal seam floor for deep mining

Jiao Yi

(Wangcun Coal Mining Co., Ltd., Datong Mining Group, Datong, Shanxi 037032, China)

Combined with hydrologic condition of Wangzhuang Mine, this paper analyzed main influential factors of water inrush from work face coal seam floor, calculated failure depth of 1201 work face floor by plastic mechanics theory; the numerical simulation software FLAC3D was used to analyze distribution laws of surrounding rock failure field, seepage field, stress field and displacement field when work face was located at hanging wall or footwall of faults. Based on simulation results, it was proposed to take fault water inrush control pre-reinforcement and achieved positive effects.

deep mining, floor water inrush, floor failure depth, numerical simulation, hanging wall, footwall, control measures

焦義. 深部開采煤層底板突水控制技術研究[J]. 中國煤炭，2017，43(3)：109-112，133. Jiao Yi. Research on control technology of water inrush from coal seam floor for deep mining[J]. China Coal, 2017，43(3)：109-112，133.

TD745.2

A

焦義(1967-)，男，漢族，山西省渾源縣人，碩士，高級工程師，現任大同煤礦集團王村煤業有限責任公司副董事長，長期從事煤礦技術與安全管理工作。