帶壓開采工作面底板破壞深度研究及突水危險性預測

趙 東 沈浩洋 陳振亞 王躍偉

(1.平頂山天安煤業股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000；2.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北省武漢市，430081)

帶壓開采工作面底板破壞深度研究及突水危險性預測

趙 東1,2沈浩洋1陳振亞1王躍偉1

(1.平頂山天安煤業股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000；2.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北省武漢市，430081)

為有效防治采動影響導致的底板突水事故，采用塑性理論及經驗公式分析計算了帶壓開采工作面底板破壞深度，并進行了突水危險性預測。根據平煤股份十礦24130工作面己18煤層的埋藏特征，通過大量的現場實測和理論分析，繪制出了工作面底板破壞帶的分布形態圖，計算出了采動引起的底板最大破壞深度為11.7 m，底板有效隔水層厚度為44.3 m，正常地質條件下不會對工作面回采造成影響，但不排除在斷裂構造和寒武系灰巖水高水頭壓力的共同作用下，底板灰巖水可能通過構造破碎帶或隔水層相對較薄的地方融入采煤工作面，造成突水事故的發生。提出了區域治理采用疏水降壓、局部治理采用物探結合鉆探、斷裂構造附近采用注漿加固以及回采前完善工作面防排水系統、回采過程中加強水文地質巡查工作等一系列具體的防治水措施，保證了己18煤層的的安全開采。

帶壓開采 承壓水 破壞深度 突水危險性預測 注漿加固

我國許多煤礦普遍存在奧陶紀灰巖或寒武系灰巖厚度大、裂隙巖溶發育、富水性好、補給充沛、水壓高等問題，礦井底板突水事故發生頻繁。工作面開采后，煤層底板巖層的原始應力狀態發生破壞，采空區周圍應力集中，底板應力作用使底板巖層產生各種裂隙，裂隙部分巖層將喪失隔水能力。在底板帶壓開采條件下，煤層底板破壞將減小隔水層厚度，進而降低底板隔水能力，增加底板突水危險性。因此，準確測出工作面底板采動破壞深度是承壓水上采煤的一個重要的安全問題。

目前國內監測底板破壞深度的措施主要有壓水實驗法、相似材料和數值模擬法、超聲波檢測法、應變法等。從力學角度講，采動過程是一個底板巖層應力狀態不斷調整的過程，且伴有巖層變形、位移和破壞。因此，通過在工作面現場實測采動中底板的應力與應變變化規律確定底板破壞深度是最有效的措施。以往學者們利用不同的方法對煤層底板變形及破壞規律做了不同角度的研究，并取得了大量的成果。但在工作面水文地質條件較為復雜、承壓水開采條件下，底板采動破壞規律方面的研究相對較少。為此，針對平煤股份十礦24130工作面特殊的地質條件，根據底板破壞塑性理論、現場實測相結合的方法，分析確定工作面底板采動破壞深度，為該區域安全開采提供重要的理論依據。

1 工作面基本概況

平煤股份十礦位于平頂山市東北部、平頂山煤田東部，煤礦始建于 1958年,現核定生產能力為 330萬t/a。十礦24130工作面開采二疊系下統山西組二煤段己18煤層,己18煤層平均厚度2.0 m,煤層傾角平均10°，該工作面走向長713 m, 傾斜寬 156 m,采深1000 m。山西組二煤段下覆石炭系太原組L1～L7灰巖，灰巖總厚度在41 m左右，再下為厚度約80 m的寒武系灰巖含水層。24130工作面所承受的寒武系灰巖水最大水壓達到2.3 MPa,中間隔水層為砂質泥巖夾薄層狀細砂巖。因此，防治24130工作面己18煤層底板突水是24130工作面安全開采亟待解決的問題。

2 底板突水預測的理論分析

根據24130工作面地質及水文地質條件,通過對煤層底板巖體應力分布規律和傳播特征的研究,并結合巖石破壞準則及巖體強度理論計算出巖體的破壞深度和己18煤層底板突水極限壓力,進而預測己18煤層底板突水危險性。

2.1 工作面底板巖體破壞深度計算

根據底板破壞塑性理論，工作面底板下一定范圍內的巖體，當作用在其上的支承壓力達到或超過其臨界值時，巖體中將產生塑性變形，形成塑性區。當支承壓力達到導致部分巖體完全破壞的最大載荷時，支承壓力作用區域周圍的巖體塑性區將連成一片，致使采空區內底板隆起，已發生塑性變形的巖體向采空區內移動，并形成一個連續的滑移面。此時,滑移界面內的底板巖體遭到的破壞最為嚴重。如圖 1所示。

(1)煤層塑性區寬度的計算。根據十礦己18煤層底板巖層賦存條件和巖石力學試驗結果，由試驗和現場觀測得出煤體的物理力學參數：煤層內聚力Cm為1.0 MPa，煤層內摩擦角φ為20°，底板巖石平均內摩擦角φ0為36°，覆巖平均容重γ為2200 kg/m3，煤層開采深度H為1000 m，采高m為2.2，最大應力集中系數n為3，煤體邊緣塑性區寬度xa的計算如下式：

(1)

將相關參數代入式(1)得出煤體邊緣塑性區寬度xa為9 m。

(2)煤層底板最大破壞深度的計算。煤層底板巖體的滑移線(即塑性區的邊界)由主動極限區aa′b、過渡區abc及被動極限區acd 3個區域組成，如圖1所示，主動區和被動區的滑移線各由兩條直線組成；過渡區的滑移線由一組對數曲線組成，另一組為自a為起點的放射線。

Ⅰ-為主動區，Ⅱ-過渡區，Ⅲ-被動區圖1 煤層底板中塑性破壞區

煤礦生產過程中煤層底板巖體發生底鼓的現象可以用塑性區的形成和發展過程加以解釋。煤層開采后，在采空區周圍的底板巖體上產生支承壓力，當支承壓力作用區域的巖體(圖1中Ⅰ區)所承受的應力超過其極限強度時，巖體將會產生塑性變形，由于這部分巖體在垂直方向上受到壓縮，在水平方向上必然會膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區(圖1中Ⅱ區)的巖體，并且將應力傳遞到這一區域。過渡區的巖體受到擠壓后將繼續擠壓被動區的巖體(圖1中Ⅲ區)。由于過渡區和被動區有鄰空面(采空區)，在主動區傳遞來的力的作用下，過渡區和被動區的巖體將向采空區內膨脹(即底板的壓延作用)。

根據魏西克(A.S.Vesic)提出的塑性滑移時巖土層極限承載力的綜合計算公式，可得到底板巖體的極限載荷，從而得出極限支承壓力條件下破壞區的最大深度和長度計算公式。

(1)煤層底板巖體最大破壞深度h1：

(2)

將煤層塑性區的寬度xa代入式(2)得煤層底板巖體最大破壞深度h1=11.7 m。

(2)煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離L1：

L1=h1tanφ0

(3)

將上面求得的煤層底板巖體最大破壞深度h1和底板巖石平均內摩擦角φ0代入式(3)，得出煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離L1為7.8 m。

(3)采空區內底板破壞區沿水平方向的最大長度L2：

(4)

將相關數值代入式(4)，得L2=83.8 m。

根據上述計算結果，繪制出按塑性理論求得的己組煤層底板破壞帶的分布形態，如圖2所示。

圖2 24130工作面底板破壞帶形態理論計算結果圖

2.2 正常開采底板突水性預測

根據24130工作面水文地質資料, 工作面所承受的寒武系灰巖含水層水壓達到2.3 MPa, 隔水層厚度為56 m,由于采動破壞引起的底板最大破壞深度是11.7 m, 因此, 底板有效隔水層的厚度為h2=44.3m。底板巖石的平均抗剪強度S0= 10 MPa, 底板巖石平均泊松比T=0.35。

通過力學計算, 可知底板有效隔水層所能承載的突水極限壓力P為:

(5)

式中:t0——底板巖石的平均抗剪強度；

h2——底板有效隔水層層厚度；

H1——底板采動裂隙帶與有效隔水層厚度之和；

r——底板巖石容重；

Lx——所研究區域的長；

Ly——所研究區域的寬。

將有關參數代入式(5), 得24130工作面底板隔水層所能承載的突水極限壓力為3.5 MPa，大于含水層水壓。因此, 在正常開采條件下, 煤層底板不會發生底板突水事故。但是在斷裂構造以及寒武系灰巖水高水頭壓力的共同作用下，底板灰巖水可能通過構造破碎帶或隔水層相對較薄的地方涌入采煤工作面，造成突水事故的發生。因此，在24130工作面回采前必須采取必要措施防治突水事故的發生。

3 底板突水防治措施

根據前面的分析可知，承壓含水層上采煤底板突水受到底板含水層水壓、地質構造、工作面開采空間以及開采方法等因素的影響。因此，降低底板含水層水壓和采動對底板隔水層的影響是抑制底板突水的根本途徑。

3.1 加大區域灰巖水疏放力度

灰巖水區域治理主要采用疏水降壓的方法，即通過大量疏放煤層底板含水層水，使其水位、水壓降至安全水位、安全水壓以下，滿足突水系數小于0.06的要求，達到安全開采的目的。底板含水層高承壓水壓是底板含水層導升破壞的重要力源，水壓越高，含水層導升破壞帶的高度越大。因此，疏降底板含水層高承壓水壓能有效減小突水系數，防止采動破壞裂隙帶與底板含水層導升破壞裂隙帶溝通，避免突水事故的發生。目前，十礦共有12個灰巖疏水孔在疏排寒武系灰巖承壓水，單孔疏放量在5～25 m3/h，總疏放量在90 m3/h左右，年累計疏放量在78萬m3。加大灰巖水疏放力度，盡快降低水頭高度，減少底板灰巖承壓水的威脅，可以為十礦深部己組煤層的安全開采奠定基礎。

3.2 堅持物探先行、鉆探驗證的局部治理措施

除了疏水降壓的區域治理方法之外，還應嚴格堅持物探先行、鉆探驗證的局部治理措施，即在24130工作面貫通之后，利用瞬變電磁物探的方法探測整個工作面底板灰巖水富水異常情況，對探測出的富水異常區進行鉆探驗證。為此，平煤股份十礦委托勘探工程處物探隊在24130工作面進行了瞬變電磁探測，在24130機巷布置148個物探測點、風巷布置219個物探測點，每個物探測點探測2個或3個方向。瞬變電磁探測巷道斷面示意圖如圖3所示。

圖3 瞬變電磁探測巷道斷面示意圖

根據本次井下瞬變電磁法探測結果，結合礦井地質和水文地質資料綜合分析認為，本工作面底板寒武系灰巖局部區段存在相對富水現象，在工作面內共探測出5處富水異常區,異常區異常深度在110～160 m之間，探測結果圖如圖4所示。針對探測出的每個富水異常區設計專門探放水鉆孔進行鉆探驗證，確保水壓達標后方可進行回采作業。

圖4 24130工作面底板瞬變電磁探測結果圖

3.3 注漿加固改造底板隔水層巖性

底板隔水層強度和巖體構造是影響底板突水的主要因素，對底板巖層進行注漿加固，能夠加固煤層底板構造破碎區，提高底板隔水層薄弱區的強度，從而減小采礦礦壓和含水層水壓對底板隔水層的破壞程度，使采動礦壓破壞的底板巖層裂隙與承壓水壓破壞的裂隙不會溝通。同時，注漿加固也可以充填底板巖體中的節理裂隙，抑制采動水壓影響的底板巖層的擴展效應，減小采動破壞深度和承壓水壓導升破壞高度。

當然，后進生的轉化，也不可能短期見效，需要長期堅持，不懈努力。但只要我們樹立“手心手背都是肉”的觀念，從小學到初中，從初中到高中，每一個階段，每一個新學期都是我們改進體育后進生的機會和起點！

3.4完善工作面防排水系統，加強水文地質巡查工作

24130工作面在回采前根據預計的最大涌水量，在下進風巷低洼處的水泵窩內安裝2臺水泵，單泵排水能力不小于60 m3/h，用一趟4寸排水管路排入24130工作面下進風巷外口水泵窩內，再利用水泵窩內的兩臺型號為100D-16×8水泵排入己四水倉。同時在回采過程中要加強水文地質巡查工作，尤其是工作面通過物探富水異常區以及斷裂構造時要強化水文地質調查，當發現有突水征兆，如底臌、底板滲水等異常情況時要立即停止作業，采取必要措施確保工作面安全回采。

4 結論

(1)利用塑性理論分析計算了24130工作面采動影響下底板破壞最大深度為11.7 m，底板有效隔水層的厚度為44.3 m，底板隔水層所能承受的突水極限壓力為3.5 MPa。

(2)根據突水系數法和極限壓力法兩種方法，結合工作面地質和水文地質條件，對工作面進行了底板突水預測。

(3)使用瞬變電磁探測儀對工作面底板進行了水文地質條件探查，找出工作面可能突水的含水異常區(富水區)共5處，并對每個異常區進行了鉆探驗證，保證水壓達標之后進行回采工作。

(4)提出了區域治理采用疏水降壓、局部治理采用物探結合鉆探、斷裂構造附近采用注漿加固以及回采前完善工作面防排水系統、回采過程中加強水文地質巡查工作等一系列具體的防治水措施。

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Studyondamagedepthofworkfacefloorundersafewaterpressureofaquiferandwaterinrushriskprediction

Zhao Dong1,2, Shen Haoyang1, Chen Zhenya1, Wang Yuewei1

(1.No. 10 Mine, Pingdingshan Tianan Coal Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China； 2. College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China)

To effectively prevent and control the water inrush accident caused by the mining influence, plasticity theory and empirical formula were adopted to calculate the damage depth of work face floor under safe water pressure of aquifer and water inrush risk prediction was carried out. According to the burial characteristics of Ⅵ-18 coal seam of 24130 work face in No. 10 Mine of Pingdingshan Coal Co., Ltd., through a large number of field measurement and theoretical analysis, the work face floor destruction was drawn out with the distribution form of chart, the maximum floor damage depth caused by mining was calculated as 11.7 m, the effective thickness of water-resisting layer was 44.3 m, that had little influence on the mining under normal geological conditions, however the floor limestone water may be integrated into work face through the tectonic fracture zone or relatively thin aquifer under the combined action of fracture structure and high head pressure of cambrian limestone water, causing water inrush accidents. Regional treatment using hydrophobic step-down, local treatment by the combined drilling and geophysical detection, grouting reinforcement around fracture, improving the waterproof and drainage system of work face before stoping and strengthening hydrogeological inspection work during mining process were put forward to ensure mining safety of Ⅵ-18 coal seam.

mining under safe water pressure of aquifer, confined water layer, damage depth, water inrush risk prediction, grouting reinforcement

TD742.2

A

趙東,沈浩洋，陳振亞等. 帶壓開采工作面底板破壞深度研究及突水危險性預測[J].中國煤炭，2017,43(11)：106-110.

Zhao Dong, Shen Haoyang, Chen Zhenya, et al. Study on damage depth of work face floor under safe water pressure of aquifer and water inrush risk prediction [J]. China Coal, 2017，43(11):106-110.

趙東(1987-)，男，河南沈丘縣人，工程師，學士學位，現任平頂山天安煤業股份有限公司十礦地測隊隊長，從事地測防治水技術管理工作。

(責任編輯 張艷華)

國家安全監管總局“十三五”期間將制定強制性標準231項

日前，國家安全監管總局印發《安全生產標準“十三五”發展規劃的通知》(以下簡稱《通知》)，“十三五”期間擬制定標準362項，其中強制性標準231項。

根據《通知》要求，“十三五”期間擬制定標準362項，其中強制性標準231項，推薦性標準131項，爭取在“十三五”期間基本建成較為完善的覆蓋煤礦、非煤礦山、危險化學品等12個行業領域的標準體系；依靠科技創新，加大科研基礎條件和人才培養投入，加強專利與標準結合。

《通知》指出，針對我國安全生產標準存在的突出問題，要優先制修訂特大事故中暴露的缺失或不適用的標準；加強標準實施信息反饋、效果評估和監督管理；調動各部門、各地區聯合開展試點示范、宣傳培訓、考核評估和實施監督等工作；對標準實施過程中發現的問題及時分析原因；修訂完善相關條款等。

《通知》強調，要建立安全生產國家標準、行業標準、地方標準、團體標準、企業標準協調發展的工作機制，把政府單一供給的現行標準體系轉變成由政府主導制定的標準和市場自主制定的標準共同構成的新型標準體系；嚴格標準立項審查程序；培育和推動行業領域優勢特色技術標準成為國際標準。