煤層底板突水預測與注漿加固技術研究

李建武

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

某礦井田屬于華北型石炭二疊系含煤構造，煤系地層為二疊系山西組，井田范圍內煤層總厚為7.30m，二1煤層大部分可采，其他煤層屬于局部可采或不可采煤層。可采煤層的總厚為4.22m，其含煤系數0.73%。井田由下至上的地層依次為：上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。

石炭系、奧陶系及含煤的下二疊系是可能導致煤層底板突水的地層，二1煤層底板含水及隔水層依次為硅質泥巖、L7灰巖、砂泥巖、L3灰巖、鋁土質泥巖及奧陶系灰巖，含水層主要為太原群灰巖巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓含水層，根據礦井勘探鉆孔資料知奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓含水層厚度為64.9～120m，井田北部灰巖淺埋區及裸露區巖溶發育，含水性強；太原群灰巖巖溶裂隙承壓水含水層巖性主要為硅質泥巖、薄層灰巖、砂巖和薄煤層組成，總厚約為35～56m，L7灰巖屬于直接充水含水層，L1-3灰巖屬于間接充水含水層。二1煤層至奧灰距離等值線圖如圖1所示。

圖1 二1煤層至奧陶系灰巖距離等值線圖

2 煤層底板突水機理研究

2.1 底板突水的影響因素

煤層底板突水會受到工作面底板巖性、地質構造、采煤工藝及水源等因素的影響。下面對水源、底板巖層組合形式及地質構造對底板突水的影響進行具體分析。

1）水源。煤層底板下方的承壓含水層中水壓力的大小決定著底板是否會發生突水現象，我國華北煤礦主要受到奧灰巖含水層的威脅，該含水層是造成底板突水的主要源泉，煤層底板突水中主要有以下幾種方式：底板巖層完整時突水、底板巖層存在導水斷層時突水及承壓水上部巖層透水時突水。根據該礦二1煤層基底存在奧陶系巖溶含水層，其含水性較強，與二1煤層之間的距離范圍為43.8～74.8m，平均水壓高為2.8MPa，屬于有突水危險的狀態。

2）底板巖層組成形式。底板有效隔水巖層厚度、巖性及其組合狀態對底板突水起到重要的制約作用，在底板隔水層由軟硬相間的巖層組成時，能夠提升巖層的抗水壓能力，且硬巖層中裂隙易于向軟巖層擴展，但軟巖中的裂隙，不易向硬巖層擴展。

根據二1煤層底板巖層的組合特性分析知，底板巖層屬于軟硬交替型組合，利于阻止奧灰突水事故的發生。

3）地質構造。地質構造是造成煤層底板突水的重要原因之一[1-2]，尤其是斷層為發生底板突水時主要的導水通道，在斷層過奧灰或太灰含水層時會縮短煤層與含水層之間的距離，降低底板隔水層的有效厚度，從而致使突水。對于褶皺構造，其會造成巖層的物理性能易變強度低，且易失穩破壞，承壓水會沿著節理裂隙不斷沖刷形成突水。

本次討論礦井井田為單斜構造且基本無大斷層，但小斷層和巖層間撓曲的情況較多，現已揭露斷層138條，主要為正斷層，平均斷層密度為46條/km2，這些小斷層對局部地區的巖溶發育和積聚地下水起到關鍵作用。

2.2 完整底板突水壓力的計算

在回采工作面底板存在承壓水時，能將煤層到底板承壓水含水層之間的巖層劃分為“三帶”[3]，如圖2（a）所示，圖中h1表示底板采動裂隙帶，h2表示完整有效隔水層，h3表示承壓水導升裂隙帶，其中有效隔水層的厚度和其抗剪強度時底板是否發生突水的關鍵，在長壁工作面所采煤層為傾斜或近水平賦存時，可將上覆采動裂隙帶重力表示為γh1，下部均布水壓力用P表示，隔水層自身體力表示為γh2，如圖2（b）所示。現對有效隔水層能夠承受的極限壓力進行分析。

圖2 底板有效隔水層力學模型

根據彈性力學薄板理論知，該模型能運用Ritz法進行分析[4]，得出有效隔水層能夠承載的突水極限壓力P表達式為：

式中：τ0為底板巖體的平均抗剪強度，MPa；H為底板采動裂隙帶和有效隔水層厚度之和，m；h2為底板有效隔水層厚度，m；γ為底板巖體容重，kN/m3；υ為底板巖體的泊松比；Lx為研究區域長度，m；Ly為研究區域寬度，m。

2.3 遇斷層時底板突水壓力的計算

據相關研究及工程案例表明，斷層或者裂隙帶會很大程度上引起底板突水，且正斷層對底板突水的影響較大，故現對工作面遇到正斷層時底板所能承受的突水極限壓力進行分析，將底板遇正斷層時的力學模型簡化為如圖3所示，圖中H為煤層至承壓水導升帶頂部之間的總厚度，h1為底板采動裂隙帶，h2為底板有效隔水層厚度。

圖3 斷層附近底板力學模型

從圖3力學模型中對底板有效隔水層中任取厚度為dz的單元體，在斷層的影響下，單元體的一側向阻力由 C+σxtanφ 變為 CF+σxtanφF，在單元體達到平衡時，由垂直方向上合力等于零，可列方程：

在底板有效隔水層達到極限平衡狀態時，令λ=1+sinφ/1-sinφ，并根據莫爾-庫倫準則有：

將式（3）帶入到（2）中能夠得出：

對上述微分方程進行求解可得：

將邊界條件 z=0，σz=γh1；z=h2，σz=P-γH 帶入式（5）中能夠得出底板有效隔水層所能承受的極限壓力的表達式為：

式中：C為完整隔水層帶巖石的內聚力，MPa；φ為完整隔水層巖石的內摩擦角，°；CF為斷層帶內巖石的內聚力，MPa；φF為斷層帶內巖石的內摩擦角，°；L為采空區控頂距，m；γ為底板巖石的容重，kN/m3。

根據上述分析知，若P實＜P時，底板不會發生突水，若不成立底板則存在突水危險，便應對底板采取加固防突措施來保證底板隔水層的穩定性。

3 底板突水預測與防治技術

3.1 底板突水預測方法

底板突水危險性的評價方法有很多，如突水系數法、“下三帶”法及理論計算法等，根據本文礦井的實際條件，運用理論計算法對二1煤層底板突水危險性進行預測。根據底板巖層的最大破壞深度h1及煤層塑性區的寬度xa的表達式[5-6]如下：

根據二1煤層地質資料取 m=4.2m，φ=20°，n=4，γ=26kN/m3，H=300m，Cm=1MPa，K1=2，將上述數據帶入式（7）能夠得出xa=5.09m，h1=12m。依據彈性薄板理論，據二1煤層地質資料取 τ0=12MPa，H=48m，Lx=557m，Ly=127m，υ=0.35，故根據底板有效隔水層所能承載的突水極限壓力計算式（1）能夠得出P=6.1MPa，同時根據二1煤層平均水壓高為2.8MPa，知無突水危險性。但井田范圍內的小斷層及層間撓曲較多，由小斷層落差無法進行有效預測，且根據式（6）知斷層會大幅降低有效隔水層能承受的突水極限壓力，承壓水極易在斷層處發生突水，且該礦井1995年的突水事故證實了這一點，故通過分析擬對二1煤層底板進行注漿加固，對底板奧灰水進行有效的防治工作。

3.2 注漿加固底板方案

通過對工作面底板隔水層的薄弱層進行注漿加固，從而為工作面安全生產提供保障。根據井田1995年突水事故后對奧灰水的動態及水文分析，得出突水原因為奧灰水突破斷層形成突水通道致使12106工作面突水，故基于此本次對二1煤層12181工作面底板進行注漿加固，12181工作面傾向長度127m，走向長度557m，所采煤層均厚5m，12181工作面位置如圖4所示，圖中陰影區域是運用音頻物探手段圈定的強含水構造范圍，從圖中能夠看出12181工作面與發生突水事故的12161工作面的含水構造相連通，有嚴重的突水危險性。

圖4 12181工作面位置示意圖

在12181工作面進風巷與回風巷內間隔60m布置鉆探注漿硐室，鉆孔在硐室內成扇形布置，如圖5所示。本次注漿使用水泥-水玻璃作為注漿材料，注漿壓力為6～9MPa，根據相關鉆探注漿經驗，可知底板含水層注漿時，漿液的擴散半徑可達20～30m，各鉆孔終孔層位在含水層L3灰巖。

圖5 注漿鉆孔布置位置示意圖

在對12181工作面底板注漿加固處理完畢后，工作面在回采過程中為出現底板突水、下沉及異常涌水現象，實現了12181工作面安全順利回采。

4 結論

1）通過建立底板完整時及遇斷層時的力學模型，運用彈塑性理論分析得出了底板在完整時及遇斷層時所能承受的突水極限壓力。

2）采用理論分析法對二1煤層底板進行突水預測，得出該煤層底板一般情況下能阻止奧灰水的突出，但底板隔水層中存在較多的小斷層及撓曲，致使底板極有可能發生突水事故，需對底板采取加固防水措施。

3）通過對12181工作面底板的含水性進行分析后，確定注漿參數，制定具體的注漿加固方案對底板進行加固處理，注漿加固后12181工作面在回采過程中未出現突水及涌水異常現象。