煤層底板破碎帶區域注漿圍巖穩定性分析

任 波，余國峰，牟文強，韓云春，李連崇，魏廷雙

（1.煤炭開采國家工程技術研究院 深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000；2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083；3.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232000；4.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；5.淮南礦業集團 張集煤礦，安徽 淮南 232000）

我國煤礦開采中涌水、突水事故時有發生。事故的發生與采場內地質和生產條件密切相關，而造成突水事故的直接原因是回采破壞原始應力狀態，造成圍巖應力場重新分布，使得部分完整巖體出現應力集中而造成巖體發生破斷[1-3]。含煤地層中的斷層、陷落柱等不良地質體，增大了導水通道延伸擴展的可能性，極易誘發突水事故[4]。針對底板承壓水、陷落柱突水致災機理已趨于成熟，基于現場和數模實驗等方法已做了大量的研究工作[5-9]，為類似開采條件下水害防治技術提供了指導。針對淮南煤田煤層底板較差隔水性能的礦井，鄭士田等[10]提出了低密度連續高壓劈裂注漿探查治理技術。而針對底板承壓水、陷落柱突水致災機理及注漿效果、圍巖穩定性評價方法，許延春等[11]提出了基于注漿鉆孔數據集的注漿工作面底板突水危險性評價體系。謝志鋼等[12]對改造前后的陷落柱進行數值模擬分析，分析了煤層底板隱伏陷落柱破壞狀態，研究了注漿巖體對陷落柱的支撐作用。而鑒于煤礦開采地質條件的復雜性、不同生產礦井開采條件的多變性，煤層底板灰巖水害治理需要不斷在各類地質條件下完善，尤其是針對可能的破碎帶地質缺陷，同時單一分析方法已不能滿足安全評價需求，不能針對注漿采場提出有效的指導意義。而微震監測技術作為預警手段用于工作面回采過程中水害機理研究中，取得了良好的效果[13-15]。因此，可嘗試將數值模擬及微震評價相結合來評價注漿治理效果。

1 工程地質概況

張集煤礦位于淮南煤田中部，目前主采深部的A 組煤[16]，井田為新生界松散層覆蓋的全隱蔽區，主要可采煤層全部隱伏于巨厚松散層下，水文地質單元較完整，包含新生界松散層孔隙、二疊系砂巖裂隙和石灰巖巖溶裂隙3 個主要含水層（組），為新生界松散孔隙水、頂板砂巖水與A 組煤底板巖溶水等多充水水源類型礦井。

張集煤礦1612A 工作面位于西三1 煤上采區，經施工定向長鉆孔，結合前期物探圈定了1613A 工作面底板長約52 m、寬約33 m 的橢圓形富水異常區范圍，該垂向破碎帶底部可能與奧陶系灰巖含水層存在水力聯系，其邊緣距離1612A 運輸巷幫距離約為75 m。通過在破碎帶區域內實施注漿治理，該區域內的裂隙被水泥材料填充，水量減小，破碎體得到了水泥注漿體的加固支撐，由于物探所探明的劃定區域為估計值，鄰近工作面的回采仍然可能會擾動注漿的通道及其圍巖，造成裂隙巖體的過度損傷貫通。

2 注漿圍巖應力演化數值模擬

2.1 數值計算模型

垂向導水破碎帶距離1612A 運輸巷幫距離約為75 m，若回采造成鄰近注漿的破碎區域擾動破壞而形成導水通道，可能存在潛在突水安全隱患。為此，根據張集煤礦1612A 工作面工程地質條件，建立了1612A 工作面采場的FLAC3D模型。

模型尺寸為長×寬×高=600 m×600 m×400 m，巖層傾角為10°，破碎帶區域尺寸為長×寬=52 m×33 m。模擬計算工作面不同開采進尺條件下注漿巖體的應力擾動[17]，分析1612A 工作面采動對鄰近注漿巖體的影響。數值模型所用的巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2.2 注漿前后擾動應力演化

分別獲取巖層處于工作面回采距破碎帶注漿區域40 m、工作面與破碎帶注漿區平行和工作面過破碎帶注漿區50 m 時，注漿前后圍巖應力場分布特征如圖1。

由圖1 可以看出，在未注漿時，由于垂向破碎帶的各項力學參數的異常，導致該區域內的應力出現異常。同時在工作面回采過破碎帶50 m 范圍時，在破碎帶的近工作面一側出現了較大的應力擾動異常區域A，該區域可能導致工作面側向區域巖層與破碎帶發生擾動損傷貫通。而在實施注漿后，破碎帶與其圍巖相互支撐，呈現相近的應力狀態，而在工作面回采過破碎帶50 m 范圍時，相比較未注漿時異常區域減小至B，該區域與破碎帶不再發生貫通擾動。

圖1 注漿前后圍巖應力場分布特征Fig.1 Distribution of surrounding rock stress field before and after grouting

1612A 工作面回采的不同階段對鄰近垂向破碎帶注漿巖體的應力擾動不同，應力擾動大小為工作面采過破碎帶50 m＞工作面與破碎帶平行＞工作面距離破碎帶40 m＞初始應力狀態，工作面開采側向應力的峰值出現在距離工作面巷幫10 m 左右，應力峰后開采應力擾動逐漸減小。不同回采階段在距工作面一定距離之外存在1 個低擾動范圍。而通過對注漿后的破碎帶（導水通道）進行應力監測，可以發現隨著回采持續進行注漿體所受到的應力持續增加，而在過50 m 后曾大至19.5 MPa。此時注漿體的應力集中系數約為1.18，應力變化未出現較大異常。沿工作面傾向的應力變化規律如圖2。

圖2 沿工作面傾向的應力變化規律Fig.2 Variation law of stress along working face inclination

根據隨回采距離變化的應力場分布，選擇峰后應力變化，從而得到了注漿后破碎帶同一水平圍巖應力與距巷幫距離的擬合公式。

根據應力分布擬合公式，可以獲得不同開采階段、不同應力集中系數（取1～1.5）條件下的臨界距離，應力集中系數下的臨界距離見表2。

表2 應力集中系數下的臨界距離Table 2 Critical distances under stress concentration factors

應力集中系數為1.2 時，工作面回采至距注漿巖體40 m、工作面與注漿巖體平行和采過注漿巖體50 m 條件下對應的擾動范圍分別為距離巷幫＞1.65 m、＞53.41 m 和＞60.43 m。應力集中系數為1.1 時，上述3 種開采條件對應的低擾動范圍分別為距離巷幫＞19.33 m、＞59.65 m 和＞64.72 m。隨著應力集中系數取值增大，對應的低擾動范圍不斷擴大。在1612A工作面回采過程中，開采對注漿體圍巖的應力擾動影響較小，始終處于低擾動應力范圍內，注漿巖體穩定。

3 注漿圍巖擾動微震

3.1 1612A 工作面微震監測系統

微震事件是對應力擾動誘發巖層微破裂的宏觀表現，借助微震手段可以對注漿區域圍巖的應力情況進行監測分析。為此，在張集煤礦1612A 工作面軌道巷及其1613A 底抽巷內設計安裝24 個微震監測點，實時監測工作面回采期間的巖層破壞，尤其是底板巖層的采動破壞情況[18]。循環式微震監測技術如圖3。

圖3 循環式微震監測技術Fig.3 Cyclic microseismic monitoring technology

3.2 基于微震監測注漿巖體穩定性

微震監測系統自2019 年2 月底開始正常運行，對鄰近垂向導水注漿區域重點關注，直至工作面回采結束。1612A 工作面逐漸靠近鄰近1613A 工作面注漿巖體過程中，注漿巖體未監測到微震事件發生區域巖體維持穩定。微震監測結果分析如圖4。

圖4 微震監測結果分析Fig.4 Analysis of microseismic monitoring results

選擇開采過注漿區域為對象，通過微震監測系統得到的微震事件在煤層頂底板中的分布可以看出，自開采后1612A 工作面擾動波及1613A 工作面，但是在注漿圍巖后時微震事件發生了“繞路”現象，在其范圍內基本無微震事件發生，表明了圍巖的穩定性。為了分析注漿巖體附近的開采擾動情況，以注漿巖體中心為圓心，分別獲取了半徑距離為30、40、50、60、70、80、90、100 m 范圍內的底板微震事件分布數量。隨著獲取半徑的不斷擴大而靠近工作面巷幫，微震數量逐漸增大，開采擾動引發的微震事件主要集中在距1612A 工作面約40 m 范圍內，而在超過70 m 幾乎無微震事件發生，未受到開采擾動影響，該結果與數值模擬結果一致。注漿圍巖體改變了微震事件的空間分布特性，這與數值模擬結果的應力集中降低有密切關系，未發生進一步破壞，注漿巖體穩定。

4 結 語

1）注漿前后破碎帶的圍巖應力分布存在明顯差異，未注漿的破碎帶回采后存在與鄰近應力擾動而導致擾動損傷貫通；注漿后應力異常區減小，加固的破碎帶與其圍巖不再發生耦合影響，圍巖穩定。

2）存在1 個應力擾動影響較大的集中范圍，微震事件誘發區也進一步驗證，且事件在注漿體附近表現出繞路現象，表明了有效的注漿效果。

3）工作面的安全回采，驗證了圍巖的穩定及所提出的注漿工程效果的分析方法是可行的，即數值模擬和微震監測相結合的綜合評估方法，可有效為注漿工程提供重要支撐，進一步保證礦井安全。