馬蘭礦18506 工作面含斷層防治水研究

2021-02-26 05:26:28張曉峰

煤炭與化工 2021年1期

張曉峰

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西古交 030200）

0 引言

我國華北地區(qū)煤炭資源儲量豐富，但北方礦區(qū)突水事故常有發(fā)生。王朋朋等人通過現(xiàn)場調(diào)研和理論分析得出邢東礦底板突水特征主要為工作面頂板來壓劇烈，頂板難以及時垮落，誘發(fā)底板突水，另外頂板垮落導致深部巖體破壞，貫通底板導水通道而突水；尹立明等人基于導水通道形成機制將底板突水模式進行分類，構(gòu)建了隱伏式構(gòu)造蝴蝶突變模型。本文在上述文獻基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)合，對焦煤馬蘭礦18506 面進行了突水危險性模擬，后期采用注漿改造對其進行防護，改造完成后，工作面得以安全回采。

1 工程背景

山西焦煤馬蘭礦18506 工作面開采8 號煤層，煤層傾角4°，煤層厚度3.80～4.80 m，走向1302 m，傾向251 m，工作面標高831.7—890.1 m。煤層老頂粉砂巖，平均厚度2.33 m，直接頂為L1 泥灰?guī)r，厚度2.32 m，直接底為粉砂質(zhì)泥巖，厚度0.97 m，老底為粉砂巖，厚度3.60 m。工作面回采期間揭露F18506-4 斷層，該斷層為正斷層，走向350°，傾向80°～346°，傾角為48°。工作面奧灰水靜水位標高932 m，工作面全區(qū)帶壓。該面在掘進期間局部頂板發(fā)生淋水，涌水量為24 m3/h，在斷層帶的影響下可能會發(fā)生突水事故，為此對其進行突水危險性評價。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了確定工作面推進過程中斷層對底板突水的影響性，根據(jù)工作面實際情況建立數(shù)值模型，基于FLAC3D 流固耦合模塊建立底板帶壓開采模型，將巖層視為多孔介質(zhì)，模型中包含8 號煤層、斷層、泥巖、奧灰?guī)r及砂巖等巖體，由于巖層較多，僅列出斷層、煤層及煤層下部巖層的相關(guān)力學參數(shù)，見表1。模型尺寸為長×寬×高對應(yīng)為550 m×170 m×15 m，共包含93 500 個單元格，斷層底部與奧灰?guī)r含水層相連，模型四周施加水平方向約束，底板對垂直方向進行約束，另外施加1.4 MPa 的水壓力模擬底板水壓，頂板施加5.1 MPa 的均布載荷模擬巖體上部壓力，模型如圖1所示。

圖1 工作面數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of working face

表1 模型力學參數(shù)設(shè)置Table 1 Mechanical parameter setting of the model

2.2 模擬步驟及結(jié)果分析

模型建立后輸入相關(guān)力學參數(shù)，應(yīng)力平衡后對其進行模擬開挖。此次開切眼位于正斷層上盤，模型左側(cè)邊界與開切眼之間水平距離為171 m，回采方向為從左向右，為了研究斷層帶對回采的影響，開挖步距設(shè)置為先長后短，前兩步設(shè)置為30 m，三至四步設(shè)置為20 m，第五步為10 m，共開挖110 m，分別從底板垂直應(yīng)力場演化云圖、底板滲流矢量對底板突水性進行分析，模擬結(jié)果如圖2～圖4 所示。

圖2 為不同階段內(nèi)底板垂直應(yīng)力的演化云圖，觀察整個變化階段可以看出在回采末端的應(yīng)力集中變高，這是由于斷層帶附近巖層強度低于正常地段，且斷層帶的存在阻礙了工作面前方二次應(yīng)力的傳遞。在工作面開挖初期至開挖30 m 時，內(nèi)部應(yīng)力經(jīng)歷了平衡- 打破- 重新分布3 個階段，觀察圖2（a）可以看出采空區(qū)頂板應(yīng)力分布呈現(xiàn)半圓拱形，采空區(qū)垂直應(yīng)力分布以采空區(qū)中心軸對稱，并在巷道兩端出現(xiàn)壓力區(qū)，采空區(qū)頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力，使頂板出現(xiàn)拱形冒落情況，采空區(qū)底板由上向下出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞，導致出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，該階段內(nèi)由于回采面距離斷層位置較遠，且斷層未發(fā)生活化，應(yīng)力分布受到斷層影響可以忽略。

圖2 底板垂直應(yīng)力演化云圖Fig.2 Cloud of vertical stress evolution of floor

觀察圖2（b）中應(yīng)力分布圖，采空區(qū)左側(cè)及工作面前方煤壁應(yīng)力集中程度出現(xiàn)擴大，但采空區(qū)左側(cè)應(yīng)力影響范圍大于工作面前方煤壁，整體呈現(xiàn)“葫蘆狀”分布，且采空區(qū)頂板和底板變形情況進一步加劇，而工作面前方壓應(yīng)力區(qū)域明顯有所減小，這是因為隨著回采不斷進行，前方斷層帶的存在阻礙了應(yīng)力的傳遞，且煤壁前方巖層強度降低使其無法承載回采應(yīng)力。

觀察圖2（c）中應(yīng)力分布圖，應(yīng)力集中程度隨著回采不斷擴大，但應(yīng)力影響范圍再一次減小，這是因為新出現(xiàn)的采空區(qū)沒有及時垮落，出現(xiàn)“砌體梁結(jié)構(gòu)模型”，即工作面前方巖體對后方采空區(qū)起到了承載作用，另外在該階段內(nèi)采空區(qū)應(yīng)力變化影響較大，前方應(yīng)力傳遞至斷層使其出現(xiàn)活化現(xiàn)象。

觀察圖2（d）中應(yīng)力分布圖，采空區(qū)兩側(cè)剪切區(qū)域不斷擴大，應(yīng)力影響范圍進一步擴大，采空區(qū)頂板垮落；觀察圖2（e）中應(yīng)力云圖可以看出應(yīng)力集中區(qū)開始出現(xiàn)變化，原先直接頂垮落以及老頂?shù)淖冃螌е略葢?yīng)力拱破壞，應(yīng)力集中區(qū)域變得渙散，工作面前方煤壁應(yīng)力集中程度達到最大，這是因為斷層阻礙了應(yīng)力的二次傳遞，此時底板巖體達到應(yīng)力極限開始出現(xiàn)裂隙，隨著繼續(xù)回采會導致斷層活化速度加快，裂隙不斷擴大最終導致承壓水導升。

綜上可得，隨著回采的不斷進行，應(yīng)力集中程度以及范圍不斷擴大，斷層帶的存在阻礙了巖體內(nèi)部應(yīng)力的傳遞，使得工作面前方煤壁應(yīng)力集中不斷增大并出現(xiàn)底板裂隙，最終在采動應(yīng)力和承壓水的作用下導致裂隙不斷擴大，隨后與承壓水導通，導致突水。

圖3 為不同回采階段底板裂隙的演化規(guī)律，在開挖30 m、60 m 以內(nèi)，采空區(qū)上部覆巖及底板巖體發(fā)生拉伸破壞，底板破壞深度分別為7 m 和8 m，產(chǎn)生的裂隙深度分別為0 和14 m，這是由于回采面距離斷層較遠，斷層未發(fā)生活化變化。

觀察圖3（c）裂隙變化圖，可以看出采空區(qū)上部覆巖變形進一步擴大，此時采空區(qū)巖體發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞，底板破壞深度為10 m，導水裂隙高度為19 m，此時斷層受到采動影響出現(xiàn)活化。

觀察圖3（d）可以看出采空區(qū)破壞范圍進一步向深部擴展，且隨著采空區(qū)區(qū)域的擴大導致了工作面兩側(cè)的應(yīng)力集中，此時斷層受到承壓水和采動應(yīng)力的影響，活化速度進一步加快，裂隙進一步擴大為24 m，底板破壞深度為11 m，底板破壞區(qū)域與斷層距離在不斷接近。

觀察圖3（e）中裂隙圖，此時采空區(qū)基本垮落完畢，采空區(qū)頂?shù)装逅苄巫兓緟^(qū)域穩(wěn)定，工作面前方巖層應(yīng)力集中程度最大，裂隙區(qū)域相互導通并向下進一步延伸，此時底板破壞深度為13 m，導水裂隙升為33 m，底板破環(huán)區(qū)域與斷層相互導通，承壓水隨著裂隙進入工作面，導致事故發(fā)生。

綜上所述，隨著回采的進行，距離斷層越來越近，底板破壞深度和裂隙帶高度不斷擴大，最終裂隙帶高度為33 m，在采動壓力和承壓水的作用下裂隙帶導通承壓水發(fā)生突水。

圖3 底板裂隙演化規(guī)律Fig.3 Evolution of floor cracks

3 注漿改造

3.1 底板注漿

為了解決18506 面的突水隱患，決定對其進行注漿改造。該面回風順槽及運輸順槽長度為1302 m，工作面長251 m。此次注漿施工分別在回風巷以及運輸巷進行，上下各6 個鉆場，每組鉆場為3個鉆孔，共布置鉆場12 個，鉆孔36 個，鉆場及鉆場布置如圖4 所示。此次注漿鉆孔漿液比重為1∶3，注漿材料采用粉煤灰以及水泥，漿液比重1.1～1.3 g/cm3，鉆場間距為217 m，鉆孔間距為45 m，注漿壓力為10 MPa，鉆孔深度為47.5～83.0 m，鉆孔總進尺為18 000 m，該面從施工到截止為止，共注漿7 900 m3。