辛置煤礦10-425帶壓工作面膏體充填開采技術應用研究

鄭宏旭

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤集團公司辛置煤礦的10-425綜采工作面位于東四左翼采區，東面為10-427設計工作面，南面為H=40m斷層，西面為南土壁保安煤柱，北面為東四左翼軌道巷、皮帶巷。10-425工作面布置詳情如圖1所示。地面位置南面距離橋溝村230m，東面距離閆家莊780m，東北面距離王村370m，西面距離南杜壁村320m。地表多為荒地，黃土覆蓋平均厚度280m，基巖平均厚度72m，無建筑物，無積水體。10-425工作面直接頂為泥巖及9#煤層，厚度2.9m；老頂為K2灰巖，平均厚度7m，深灰色，厚層塊狀，含燧石條帶，下部含較多化石，且裂隙溶洞發育；直接底為中-細砂巖，較堅硬。10-425工作面煤層厚度為2.11～3.3m，平均2.63m，工作面整體為單斜構造，北高南低，煤層傾角2°～4°，為近水平煤層。10-425工作面為帶壓開采，工作面底板帶壓1.50～2.50MPa，工作面底板距下覆奧灰頂面平均間距為32m，工作面突水系數0.088～0.110MPa/m，大于0.06MPa/m，存在較大底板突水的危險。為了保證工作面的安全高效開采，需對其底板承壓水的防治進行研究。

圖1 10-425工作面布置示意圖

2 10-425工作面底板水源現場考察

辛置煤礦10-425工作面的安全回采受到底板奧灰富含水層的威脅，其回采巷道掘進過程和工作面形成后，為詳細了解底板壓力水的賦存情況，在10-4251軌道順槽和10-4252運輸順槽分別對底板進行瞬變電磁勘探。根據工作面現場探測環境選用YCS40（A）型瞬變電磁儀，測點位于兩個順槽內，發射線框采用1.5m×1.5m矩形回線，探測底板向下傾斜30°方向，主要考察底板內含水構造的分布情況。根據瞬變電磁勘探結果，10-425工作面底板存在富水性較強的低阻異常區（A級）共6個，富水性較弱的低阻異常區（B級）6個。整體來說，10-425工作面底板富水異常區域分布范圍廣，工作面安全開采受到底板奧灰承壓水的威脅。

3 10-425工作面膏體充填開采原理及可行性分析

3.1 采空區膏體充填開采原理

若采用傳統的全部垮落法進行10-425工作面的開采，根據突水系數法確定工作面突水系數為0.095MPa/m，大于0.06MPa/m，底板存在很大的突水可能，采用全部垮落法管理采空區頂板時，工作面回采后，底板隔水層失去上覆巖層的垂直應力作用，但是仍受到下方富含水層內承壓水的垂直應力作用，隔水巖層的應力平衡狀態被破壞，隔水層逐漸底鼓變形，最終破斷失穩引起采空區工作面突水事故的發生。因此通過查閱相關的研究成果和實踐經驗[1-2]，該工作面可試用采空區膏體充填開采技術，該方法通過在工作面后方充填適當強度的材料，工作面后方形成“頂板-充填體-底板”相互作用的結構體系（如圖2所示），充填體的強度逐漸提高，將來自頂板的壓力傳遞到底板，并起到及時支護底板作用，隔水層受到下部水壓和上覆巖層的共同作用，最終受力達到平衡（接近原始地應力狀態），隔水層保持穩定不會發生破斷失效，起到很好的隔水作用，最終避免底板承壓水涌入采空區或工作面。

圖2 工作面后方膏體充填開采示意圖

3.2 10-425工作面膏體充填模擬分析

為更加準確地分析辛置煤礦10-425工作面采用膏體充填開采的可行性，采用FLAC3D數值模擬軟件建立固-液耦合本構模型[3-4]，將流體計算與力學計算進行耦合。根據10-425工作面詳細的地質條件，建立數值模型（如圖3所示），模型尺寸：長×寬×高=200×20×100m。10#煤層厚度為2.60m，工作面底板與奧灰含水層間隔水層厚度根據底板水文鉆孔資料，取最小值為30m，與太灰水間隔水層厚度為65m。根據工作面埋深的實際情況在上部施加7.5MPa的均布載荷，奧灰水對隔水層垂直向上的作用力為2.0MPa，太灰水水壓取1.5MPa，工作面后方6m范圍內對頂底板施加應力0.7MPa，模擬液壓支架的支護作用。模型上邊界為自由邊界，下部邊界為固定邊界，垂直方向上位移為0，兩側的邊界x方向為固定鉸支座，y方向無位移約束。通過參考類似地質條件下的生產實例設計模擬過程：工作面共開挖100m，開挖時充填步距為3.6m，充填體28d強度取2.5MPa，分別觀察不同工作面推進距離條件下底板隔水層的破壞情況。

圖3 數值模擬計算模型

由圖4可知，工作面回采60m后，其上覆巖層破壞高度為10m，隨著工作面推進距離的增大，上覆巖層的破壞高度不變；工作面回采60m時，底板塑性破壞深度為11m，隨著工作面推進長度的增加，底板塑性破壞的范圍逐漸增大，但是其破壞深度基本不變；推進長度為80～90m時，奧灰含水層頂部的隔水層出現高度約為2.0m的塑性破壞，但是并沒有將隔水層貫穿，仍保有厚度約為在15m左右的完整隔水層。綜上可知，10-425工作面采用膏體充填底板塑性區范圍未貫通奧灰含水層，不會發生突水事故。

4 10-425工作面膏體充填技術應用

根據前述的研究結果可知，辛置煤礦10-425工作面底板富水異常區分布較廣，工作面回采前，根據瞬變電磁勘探結果配合鉆探法對底板水文地質條件進行探測，在電磁探測富水異常區或揭露的底板承壓水水壓高于2.0MPa的區域，增加水文鉆孔進行疏水降壓，將隔水層底板附近奧灰水的壓力降到1.5MPa以下，疏水降壓的范圍為采煤工作面前方和后方100m及兩側50m范圍內。工作面回采期間，采取采空區膏體充填開采技術，通過試驗確定的配合材料及比例為：膏體質量濃度84%，粉煤灰283kg/m3，膠結料95.4kg/m3，外加劑6.8kg/m3，充填體28d后強度能夠達到2.5MPa，可平衡頂板壓力與承壓水壓力，充填步距為3.6m（6刀/天），充填體高度為2.6m。由于10-425工作面傾斜長度較長，要求充填漿液的坍落度控制在260mm左右，成漿兩個小時后應仍可正常泵送。充填管路干線選用內徑300mm、壁厚15mm的高強度結構鋼無縫鋼管，泵送壓力10MPa，膏體充填過程中，加強對于堵管事故的監測和預防。采用上述疏水降壓和采空區膏體充填等措施，10-425工作面回采過程中，采場頂底板無明顯的礦壓顯現，工作面正常涌水量為35m3/h，最大涌水量為120m3/h，成功地保證了工作面的安全高效開采。10-425工作面疏水減壓及膏體充填開采示意圖如圖5所示。

圖4 工作面回采過程中圍巖塑性破壞情況

圖5 10-425工作面疏水減壓及膏體充填開采示意圖

5 結論和建議

通過對辛置煤礦10-425工作面水文地質條件和底板綜合物探結果的分析表明，底板富水異常區分布較廣，若采用全部垮落法進行開采，出現底板突水事故的危險性很大。通過數值模擬及理論分析研究表明，可采用采空區膏體充填開采技術進行底板承壓水的防治。研究設計了采空區膏體充填工藝的詳細參數，并對底板富水異常區采取疏水降壓措施，工作面實際生產過程中，正常涌水量為35m3/h，最大涌水量為120m3/h，成功地實現了工作面的安全高效開采。