榆樹坡礦5 號煤首采面底板突水危險性分析及防治技術

馮巍

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

山西寧武榆樹坡煤業有限公司井田屬華北地區寧武煤田北部，位于寧武縣城東北約2 km 處，礦井采用斜井開拓方式，生產規模為120 萬t/a，分別在2 號煤層設主水平，在5 號煤層設輔助水平，主、輔水平通過斜巷聯系。主水平標高+1 022.575 m，輔助水平標高+980 m。主要地質構造以斷層為主，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，斷層48 條，其中正斷層46條，逆斷層2 條。井田地質、水文地質程度均劃分為中等類型。

榆樹坡礦5 號煤首采面為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 采空區和1201 小1 采空區，四周無其他采空區存在，埋藏深度為311～437 m。工作面進風順槽長1 496 m，回風順槽長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°，工作面標高+980—1 115 m。5105 工作頂板以泥巖、砂質泥巖、細砂巖為主，底板以砂質泥巖、細砂巖、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、回風及其系統巷道均帶壓，受奧灰含水層威脅影響，需采取針對性技術措施才可實現該工作面安全帶壓開采，防止采掘過程中出現突水事故。

2 首采面突水危險性探查分析

2.1 突水系數計算

根據榆樹坡礦現有地質勘探資料和其它工作面地質資料可知，5105 工作面奧灰水位標高+1 078—+1 092 m，5號煤底板標高+980—+1 115 m，隔水層厚度23～37 m，平均隔水層厚35 m。根據《煤礦防治水細則》中突水計算公式：

式中：T 為突水系數；P 為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。帶入工作面數據計算得，5105 工作面突水系數為0.01～0.04 6 MPa/m。

根據《煤礦安全規程》和《煤礦防治水細則》有關規定，底板受構造破壞區塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，正常區塊段不大于0.1 MPa/m，可以帶壓開采。根據計算結果，5105 工作面受奧灰水突出影響為帶壓開采，但因工作面內構造發育，增加奧灰水突出的危險性，加之5 號煤層厚度大，埋深較深，回采后的底板破壞帶和奧灰導升帶可能會使隔水層失效，而突水系數評價沒有包含以上因素，因此計算結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性以及可能發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系，奧灰頂部水頭壓力為0.723～1.2 MPa，計算模型走向長度（Y） 為440 m，傾向長度（X） 為380 m，高度（H） 為439 m，如圖1 所示，結果如圖2 所示。

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

圖2 不同推進度“三場”分布規律Fig.2 Distribution of'three fields'with different propulsion degrees

模擬結果表明，底板最大破壞深度發生在采面推進度210 m 時，開切眼下方底板破壞深度最大值達到22.81 m，兩巷下方底板破壞深度最大值達到32.98 m。

2.3 奧灰導升高度分析

統計礦井施工的奧灰含水層探查鉆孔，導升帶涌水量大于5 m3/h 的鉆孔有9 個，出水層位均在底板隔水層內，計算奧灰導升帶最大高度為14.8 m，平均高度8.5 m。

2.4 突水危險性評價

根據突水系數計算、底板破壞深度模擬研究、奧灰導升高度分析，5 號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、奧灰導升現象顯現以及各類含導水通道的存在，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

底板奧灰水害的主要防治技術包括疏水降壓和帶壓開采2 種。對于華北型煤田而言，基底奧陶系灰巖強含水層的突水威脅是煤層底板的主要水害防治對象，奧陶系含水層富水性較強，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5105 工作面現狀，回采前應按照先分析、探查礦井工作面水文地質條件，探查隱伏導水通道及充水水源，再通過鉆探探查驗證，經過安全評價后，根據評價結果采取相應治理措施，治理工程竣工后提出工程總結及安全回采建議的技術思路，由工作面推廣到采區及全礦，形成一套成熟、高效、科學的防治水技術體系，如圖4 所示。

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

4 工程實踐

4.1 物探探查工程

采用槽波地震勘探技術，對5105 工作面進行構造發育情況探查，探查結果如圖5、圖6 所示。探測區域內共發育斷層5 條，分別為DF40、DF41、DF44、DF52、CF2 斷層，均為正斷層，對4 條斷層位置進行了修正。按斷距落差區分，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；按可靠程度區分，均為可靠存在斷層。

圖5 5105 工作面槽波透射CACT 成像結果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進行探查，結果如圖7 所示。5105 工作面區段范圍內共發現5 處異常區段。

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

4.2 鉆探探查工程

依據槽波、音頻電穿等物探結果，對5105 工作面低阻值異常區、構造發育區塊段進行重點加密布設鉆探鉆孔，其他區域兼顧探查治理，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

根據探查結果，5105 工作面底板的富水性不均衡、底板隔水層較薄，根據治理理論與實踐，對工作面隔水層工作面進行注漿加固，設計采用分段下行注漿工藝。

（1） 漿液濃度選擇。根據鉆孔的出水量和吸漿量，對漿液密度進行適當調整，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，如出現注漿壓力長時間保持穩定不變，或者巷道的底板出現跑漿漏液等狀況，則改進原注漿材料，在吸漿池中均勻地撒上鋸沫，同時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行。

（3） 注漿標準。設計技術壓力為3 MPa，在單孔注漿工序完成后，一檔注漿壓力達到所設定的壓力值后，進行二檔注漿，注漿時要保持恒壓時間10～30 min，壓力和注漿保持恒壓時間均達到設計值后方可結束注漿。

4.4 技術效果與效益評價

施工完成后采用鉆探工程進行驗證，共計施工27 個檢查孔，單孔涌水量均小于2 m3/h，說明底板注漿加固有效地加強了底板隔水性能，改性了奧灰頂部含水層為相對隔水層。該工作面已安全回采結束，未發生底板涌水，生產實踐證明，該帶壓開采技術有效、可行，保證了礦井的安全生產。

5 結 論

（1） 榆樹坡礦5105 工作面奧灰水位標高為+1 078—+1 092 m，5 號煤底板標高+980~+1 115 m，經計算突水系數為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生在采面推進度210 m，開切眼下方底板破壞深度最大值達到22.81 m，兩巷下方底板破壞深度最大值達到33 m。

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