木瓜煤礦10#煤層帶壓開采技術研究與應用

荀庭龍

（霍州煤電集團，山西 霍州031400）

1 工程概況

山西霍州煤電木瓜煤礦位于方山縣大武鎮木瓜村南部，井田面積10.63km2，井田可采煤層共6層，分別為2、3、4、4下、9、10（9+10）號煤層，現階段9#煤層已采掘殆盡，10#煤層即將進入回采階段，位于太原組下部，煤層厚度1.20～6.52m，平均3.27m，10-100工作面位于井田南部一采區準備巷道左翼，為10#煤層的首采工作面，工作面上部9#煤層未采掘，10-100工作面回采巷道及切眼沿10#煤頂板施工。10#煤層下部主要含水層為奧陶系灰巖含水層，10#煤層與下部主要含水層平均距離62m，木瓜煤礦最新奧灰水位標高為+1195m，10#煤層底板標高+895～+1020m，10#煤層采煤工作面為帶壓開采，為實現木瓜煤礦10#煤層采煤工作面的安全回采展開相關研究。

2 10-100工作面帶壓開采安全性評價

1）奧陶系含水層情況。奧陶系巖溶裂隙含水巖組（O2s）巖性主要為灰巖，巖溶裂隙較為發育，據井田內水文孔抽水試驗表明，奧灰水位靜止標高在為+1195m，其單位涌水量為0.0895L/s·m，該含水巖組在任家村北部山坡露頭處接受大氣降水的補給，沿傾向向深部逕流，在汾河河床一帶排泄。

2）主要隔水層。石炭系本溪組隔水巖組（C2b）巖性主要為泥巖、炭質泥巖，厚度52.60～74.70m，平均厚度62m，總體來講為主要可采煤層與下伏奧陶系巖溶裂隙含水巖組的良好的隔水層，使奧灰水不能直接與上覆含水巖組連通。

3）帶壓開采突水系數計算。木瓜煤礦最新奧灰水位標高為+1195m，10-100工作面底板標高最低為+945m，低于奧灰水位標高250m，為具體分析10#煤層10-100首采工作面帶壓開采的可行性，采用“下三帶”理論[1～2]，理論分析計算工作面回采期間，底板隔水層能夠承受的安全水壓：

式中：P為極限水壓，MPa；C為底板隔水層平均內聚力，MPa;L為工作面最大空頂距，m；φ為底板隔水層平均內摩擦角，°；γ為底板巖體容重，kN/m3；K為安全系數，1;h1為采動影響下底板塑性破壞深度，m；h2為有效隔水層厚度，m；h3為導升帶高度，m。

依據礦方提供的相關地質資料，10-100工作面與底板奧灰水間巖層的內聚力C=1.89MPa，內摩擦φ=36°，工作面最大空頂距L=95m，巖體容重γ=34.8 kN/m3，安全系數K取2，底板破壞深度h1=27.5m，導升帶高度h3=4.2m，隔水層總厚度H=62m，有效隔水層厚度h2=H-h1-h3=62m-4.2m-27.5m=30.3m將以上參數代入式（1）計算可得，10-100工作面底板隔水層能夠承受的極限水壓為1.63MPa，工作面底板奧灰水最大壓力達到2.5MPa，由此說明，10-100工作面回采期間底板存在突水的危險。

3 底板注漿加固可行性研究

為確保木瓜煤礦10-100工作面的安全生產，提出采用底板注漿加固的措施來防治底板突水事故的發生，為掌握注漿加固對于底板隔水層的加固效果，采用FLAC3D軟件井下模擬研究[3～4]。工作面沿X軸方向推進，模型Y軸方向為工作面長度方向，模型Z軸方向高度為100m，模型尺寸長、寬、高為350m、240m、90m，三維數值模型詳見圖2（a）。10-100工作面長度為160m，工作面兩側距模型邊界各40m，共推進200m，模型底面為固定邊界，前后、左右邊界面施加水平位移約束，模型頂面為自由邊界，施加6.25MPa應力載荷，模型邊界條件及模擬開挖情況如圖1（b）所示。

圖1 數值模擬方案

首先使模型計算平衡得到初始地應力場，之后進行10-100工作面的回采，模擬底板注漿加固時，注漿深度為62m，漿液采用425普通硅酸鹽水泥，根據李召峰等人的研究成果，注漿后巖層的強度提高1倍，據此調整底板隔水層的物理力學參數，沿工作面推進方向取剖面，觀察底板隔水層的塑性破壞情況，整理得到圖2所示的結果。

圖2 數值模擬結果

圖2 （a）和（b）分別底板注漿前后工作面圍巖塑性區分布模擬結果，由圖2（a）可以看出，工作面前后邊界附近底板塑性破壞深度最大，結合圖2（c）所示底板破壞深度變化規律，工作面由0m回采至120m期間，底板塑性破壞深度不斷增大，最大破壞深度達到27.5m。由圖2（b）所示結果可以看出，對比注漿前，底板塑性破壞深度和范圍顯著減小，底板的塑性破壞呈現明顯的周期規律性，結合圖2(d）所示的統計結果，工作面推進距離由0m增大至50m期間，底板的塑性破壞深度不斷增大，最大破壞深度達到10.5m，顯著小于注漿前。注漿后底板破壞深度減小為10.5m，通過式（1）計算可得，底板隔水層能夠承受的極限水壓P=3.58MPa，奧灰水最大帶壓為2.5MPa，承壓水實際壓力小于極限水壓，由此可認定奧灰含水層突水的危險性解除。綜上可知，底板注漿加固可減小底板塑性破壞的深度和范圍，能夠實現木瓜煤礦10#煤層的帶壓開采。

4 底板注漿改造工程應用

4.1 底板注漿方案

底板注漿加固的原理是通過漿液封堵導水裂隙，注漿改良底板隔水層的力學特性，增大有效隔水層的厚度，木瓜煤礦10#煤層下方主要含水層為L6～L8灰巖，是工作面主要突水水源，因此設計注漿鉆孔的終孔層位為L6灰巖。在對木瓜煤礦10-100工作面底板進行注漿前，首先通過瞬變電磁法探測底板富水異常區[5]，對于重點區域增加注漿鉆孔的密度和注漿量。10-100工作面總長度約1300m，兩側回采巷道內各布置10個鉆場，鉆場間距120m，結合瞬變電磁圈定的富水異常區，設計各個鉆場內鉆孔的布置，共設計238個鉆孔，鉆孔的布置詳情如圖3所示。

圖3 底板注漿鉆孔布置平面圖

鉆孔采用直徑133mm和78mm的鉆頭鉆進，鉆機采用ZDY3200S全液壓鉆機，鉆孔長度大多在100～160m之間。本次底板注漿材料選用425硅酸鹽水泥，添加劑為水玻璃，漿液水灰比為1.6，注漿壓力3～5MPa，每個注漿孔注漿量在20～30m3。

4.2 注漿效果分析

采用瞬變電磁法進行現場探測，整理得到底板注漿前后富水異常區的圈定結果如圖4所示。由圖4（a）所示結果可以看出，底板注漿前，10-100工作面范圍內存在5個A級低阻異常區和9個B級低阻異常區，A級低阻異常區表明底板巖層富水性較強，B級低阻異常區表明底板巖層富水性較弱，由此說明，注漿加固前，底板巖層多處富水性較強，工作面帶壓開采存在突水的危險；由圖4（b）所示結果可以看出，底板注漿后，10-100工作面范圍內存在1個A級低阻異常區和2個B級低阻異常區，底板巖層富水性明顯減弱。對復探的3個低阻異常區可通過補打鉆孔注漿進行治理。綜上可知，通過底板注漿加固，能夠實現10-100工作面的安全帶壓開采。

圖4 注漿前后底板富水異常區分布

5 結論和建議

1）根據木瓜煤礦10#煤層的水文地質條件，采用極限水壓理論計算得到10-100工作面底板隔水層極限水壓為1.63MPa，底板奧灰水最大水壓為2.5MPa，工作面底板存在突水的可能。

2）采用FLAC3D數值軟件模擬分析表明，10-100工作面回采期間底板塑性破壞深度為27.5m，注漿后底板塑性破壞深度減小為10.5m，底板隔水層能夠承受的極限水壓P=3.58MPa，驗證了通過底板注漿加固能夠消除奧灰水的威脅。

3）設計具體的底板注漿加固方案，通過瞬變電磁法檢驗加固效果，注漿后，10-100工作面范圍內底板富水性顯著減弱，通過底板注漿保障了工作面的安全帶壓開采，取得良好的應用效果。