榆樹坡礦5 號(hào)煤首采面底板突水危險(xiǎn)性分析及防治技術(shù)

馮巍

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司井田屬華北地區(qū)寧武煤田北部，位于寧武縣城東北約2 km 處，礦井采用斜井開拓方式，生產(chǎn)規(guī)模為120 萬t/a，分別在2 號(hào)煤層設(shè)主水平，在5 號(hào)煤層設(shè)輔助水平，主、輔水平通過斜巷聯(lián)系。主水平標(biāo)高+1 022.575 m，輔助水平標(biāo)高+980 m。主要地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主，斷距從2.2 m 至48.4 m 不等，平均斷距5～9 m。全礦井通過多次三維地震、鉆孔探測、回采揭露等探明陷落柱6 個(gè)，斷層48 條，其中正斷層46條，逆斷層2 條。井田地質(zhì)、水文地質(zhì)程度均劃分為中等類型。

榆樹坡礦5 號(hào)煤首采面為5105 工作面，地表位于北同蒲鐵路東部，西部為北同蒲鐵路，北東部為原神高速公路保護(hù)煤柱，地面溝谷縱橫，黃土覆蓋局部有巖石出露，上部為1201 采空區(qū)和1201 小1 采空區(qū)，四周無其他采空區(qū)存在，埋藏深度為311～437 m。工作面進(jìn)風(fēng)順槽長1 496 m，回風(fēng)順槽長1 511 m，工作面切巷長177 m。5 煤厚度16.27 m，煤層傾角2°～11°，平均6°，工作面標(biāo)高+980—1 115 m。5105 工作頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，底板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖為主。頂板泥巖厚度22.65 m，底板泥巖厚度2.6 m。除工作面開切眼周圍局部較小范圍不帶壓外，其余工作面進(jìn)、回風(fēng)及其系統(tǒng)巷道均帶壓，受奧灰含水層威脅影響，需采取針對(duì)性技術(shù)措施才可實(shí)現(xiàn)該工作面安全帶壓開采，防止采掘過程中出現(xiàn)突水事故。

2 首采面突水危險(xiǎn)性探查分析

2.1 突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)榆樹坡礦現(xiàn)有地質(zhì)勘探資料和其它工作面地質(zhì)資料可知，5105 工作面奧灰水位標(biāo)高+1 078—+1 092 m，5號(hào)煤底板標(biāo)高+980—+1 115 m，隔水層厚度23～37 m，平均隔水層厚35 m。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中突水計(jì)算公式：

式中：T 為突水系數(shù)；P 為底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。帶入工作面數(shù)據(jù)計(jì)算得，5105 工作面突水系數(shù)為0.01～0.04 6 MPa/m。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦防治水細(xì)則》有關(guān)規(guī)定，底板受構(gòu)造破壞區(qū)塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常區(qū)塊段不大于0.1 MPa/m，可以帶壓開采。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，5105 工作面受奧灰水突出影響為帶壓開采，但因工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，增加奧灰水突出的危險(xiǎn)性，加之5 號(hào)煤層厚度大，埋深較深，回采后的底板破壞帶和奧灰導(dǎo)升帶可能會(huì)使隔水層失效，而突水系數(shù)評(píng)價(jià)沒有包含以上因素，因此計(jì)算結(jié)果具有較大的局限性。

2.2 隔水層破壞深度模擬研究

為了探究首采面回采過程中隔水層突水危險(xiǎn)性以及可能發(fā)生的隔水層破壞情況，采用FLAC3D 軟件建立回采模擬。模擬采用空間三維直角坐標(biāo)系，奧灰頂部水頭壓力為0.723～1.2 MPa，計(jì)算模型走向長度（Y） 為440 m，傾向長度（X） 為380 m，高度（H） 為439 m，如圖1 所示，結(jié)果如圖2 所示。

圖1 5105 工作面采場開挖數(shù)值模擬Fig.1 Numerical simulation of stope excavation in No.5105 Face

圖2 不同推進(jìn)度“三場”分布規(guī)律Fig.2 Distribution of'three fields'with different propulsion degrees

模擬結(jié)果表明，底板最大破壞深度發(fā)生在采面推進(jìn)度210 m 時(shí)，開切眼下方底板破壞深度最大值達(dá)到22.81 m，兩巷下方底板破壞深度最大值達(dá)到32.98 m。

2.3 奧灰導(dǎo)升高度分析

統(tǒng)計(jì)礦井施工的奧灰含水層探查鉆孔，導(dǎo)升帶涌水量大于5 m3/h 的鉆孔有9 個(gè)，出水層位均在底板隔水層內(nèi)，計(jì)算奧灰導(dǎo)升帶最大高度為14.8 m，平均高度8.5 m。

2.4 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)突水系數(shù)計(jì)算、底板破壞深度模擬研究、奧灰導(dǎo)升高度分析，5 號(hào)煤底板至奧灰頂面平均間距為34.8 m，采后底板破壞深度為32.98 m，導(dǎo)升高度平均8.5 m，底板有效隔水層薄、底板破壞深度大、奧灰導(dǎo)升現(xiàn)象顯現(xiàn)以及各類含導(dǎo)水通道的存在，首采面回采后，底板有效隔水層幾乎消失，難以阻隔奧灰承壓水，易發(fā)生底板奧灰突水，如圖3所示。因此，5104 工作面需要采取有效的防治水工程。

圖3 奧灰突水模式示意Fig.3 The schematic diagram of Ordovician limestone water outburst model

3 帶壓開采防治技術(shù)

底板奧灰水害的主要防治技術(shù)包括疏水降壓和帶壓開采2 種。對(duì)于華北型煤田而言，基底奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層的突水威脅是煤層底板的主要水害防治對(duì)象，奧陶系含水層富水性較強(qiáng)，疏水降壓可能性小，因此榆樹坡礦5105 工作面主要考慮帶壓開采。

針對(duì)5105 工作面現(xiàn)狀，回采前應(yīng)按照先分析、探查礦井工作面水文地質(zhì)條件，探查隱伏導(dǎo)水通道及充水水源，再通過鉆探探查驗(yàn)證，經(jīng)過安全評(píng)價(jià)后，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)治理措施，治理工程竣工后提出工程總結(jié)及安全回采建議的技術(shù)思路，由工作面推廣到采區(qū)及全礦，形成一套成熟、高效、科學(xué)的防治水技術(shù)體系，如圖4 所示。

圖4 帶壓開采技術(shù)路線Fig.4 Technical route of mining under pressure

4 工程實(shí)踐

4.1 物探探查工程

采用槽波地震勘探技術(shù)，對(duì)5105 工作面進(jìn)行構(gòu)造發(fā)育情況探查，探查結(jié)果如圖5、圖6 所示。探測區(qū)域內(nèi)共發(fā)育斷層5 條，分別為DF40、DF41、DF44、DF52、CF2 斷層，均為正斷層，對(duì)4 條斷層位置進(jìn)行了修正。按斷距落差區(qū)分，DF40、DF52 斷距落差大于1/2 煤厚小于煤厚，DF41、DF44、CF2 斷距落差在1/2 煤厚左右；按可靠程度區(qū)分，均為可靠存在斷層。

圖5 5105 工作面槽波透射CACT 成像結(jié)果Fig.5 CACT imaging results of in-seam wave transmission in No.5105 face

圖6 5105 面槽波透射RACT 成像結(jié)果Fig.6 RACT imaging results of in-seam wave transmission in No.5105 face

采用直流電法和音頻電透技術(shù)進(jìn)行探查，結(jié)果如圖7 所示。5105 工作面區(qū)段范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5 處異常區(qū)段。

圖7 5105 工作面底板下0 ~ 60 m層段音頻電穿透平面異常Fig.7 Abnormal plane of audio electrical transmission in 0~60 m layer under floor of 5105 Working Face

1 號(hào)異常主要集中在回風(fēng)巷1 號(hào)點(diǎn)沿巷道東北方向30～50 m 以及進(jìn)風(fēng)巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道東北方向0～40 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱；2 號(hào)異常主要集中在進(jìn)風(fēng)巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道東北方向200～240 m、310～350 m、420～440 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱；3 號(hào)異常主要在回風(fēng)巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道400～560 m、570～600 m 和進(jìn)風(fēng)巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道500～640 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)；4 號(hào)異常主要在回風(fēng)巷0號(hào)點(diǎn)沿巷道向東北850～920 m、1 100～1 120 m、1 250～1 360 m 以及下巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道東北方向760～780 m、840～950 m、1 050～1 250 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)；5 號(hào)異常主要在上巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道東北方向1 420～1 430 m、1 500～1 53 0m 以及下巷0 號(hào)點(diǎn)沿巷道東北方向1 400～1 420 m、1 540～1 560 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱。

4.2 鉆探探查工程

依據(jù)槽波、音頻電穿等物探結(jié)果，對(duì)5105 工作面低阻值異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)塊段進(jìn)行重點(diǎn)加密布設(shè)鉆探鉆孔，其他區(qū)域兼顧探查治理，如圖8 所示。

圖8 探查治理工程平面布置Fig.8 Plane layout of exploration and control projects

4.3 注漿治理工程

根據(jù)探查結(jié)果，5105 工作面底板的富水性不均衡、底板隔水層較薄，根據(jù)治理理論與實(shí)踐，對(duì)工作面隔水層工作面進(jìn)行注漿加固，設(shè)計(jì)采用分段下行注漿工藝。

（1） 漿液濃度選擇。根據(jù)鉆孔的出水量和吸漿量，對(duì)漿液密度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，水灰比3∶1～1.6∶1，密度1.21～1.38 g/cm3。

（2） 漿液材料選擇。注漿材料以礦用P42.5水泥為主，在注漿的過程中，如出現(xiàn)注漿壓力長時(shí)間保持穩(wěn)定不變，或者巷道的底板出現(xiàn)跑漿漏液等狀況，則改進(jìn)原注漿材料，在吸漿池中均勻地撒上鋸沫，同時(shí)要注意控制鋸沫的摻入量，不能影響攪拌泵和注漿泵的正常運(yùn)行。

（3） 注漿標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)技術(shù)壓力為3 MPa，在單孔注漿工序完成后，一檔注漿壓力達(dá)到所設(shè)定的壓力值后，進(jìn)行二檔注漿，注漿時(shí)要保持恒壓時(shí)間10～30 min，壓力和注漿保持恒壓時(shí)間均達(dá)到設(shè)計(jì)值后方可結(jié)束注漿。

4.4 技術(shù)效果與效益評(píng)價(jià)

施工完成后采用鉆探工程進(jìn)行驗(yàn)證，共計(jì)施工27 個(gè)檢查孔，單孔涌水量均小于2 m3/h，說明底板注漿加固有效地加強(qiáng)了底板隔水性能，改性了奧灰頂部含水層為相對(duì)隔水層。該工作面已安全回采結(jié)束，未發(fā)生底板涌水，生產(chǎn)實(shí)踐證明，該帶壓開采技術(shù)有效、可行，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

（1） 榆樹坡礦5105 工作面奧灰水位標(biāo)高為+1 078—+1 092 m，5 號(hào)煤底板標(biāo)高+980~+1 115 m，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.01～0.046 MPa/m，受奧灰水突出影響，為帶壓開采。

（2） 底板最大破壞深度發(fā)生在采面推進(jìn)度210 m，開切眼下方底板破壞深度最大值達(dá)到22.81 m，兩巷下方底板破壞深度最大值達(dá)到33 m。

（3） 采用物探、鉆探等相關(guān)技術(shù)手段，探查工作面順槽同層和底板等全方位富水情況、構(gòu)造發(fā)育情況，確定注漿方案類型，通過對(duì)底板隔水層進(jìn)行加固，改造奧灰頂部隔水、含水層，保證了工作面的安全回采。