馬蘭礦復雜構造下工作面綜合防治水技術

胡美琳

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 概況

1.1 工作面情況

馬蘭礦18502 工作面主采8 號煤層，為石炭系太原組煤層，煤層傾角1°～21°，煤層厚度3.70～4.80 m，平均4.40 m，屬穩定可采厚煤層，含1 層穩定夾矸，厚度0.10～0.26 m，平均厚度0.15 m，普氏硬度1.5。煤層頂底板巖性情況見表1。

表1 煤層頂底板結構Table 1 The structure of coal seam roof and floor

續表

18502 工作面位于南五下組煤采區左翼，工作面埋深426～483 m，走向長度1 192 m，傾向長度251 m。工作面北距18310 采空區97～146 m，南側實體間隔24.7 m 為18504 采空區，東側最小間距208.2 m（上部46 m 左右） 為南八南九膠帶機運輸大巷，西側為實體煤。

1.2 水文地質條件

（1） 含水層水。

直接頂L1 泥灰巖（厚2.20 m） 及煤層上部17.77 m 左右的K2 灰巖（厚2.68 m） 均為承壓裂隙巖溶含水層，局部含水豐富，工作面在回采過程中預計有滴水現象，遇構造及裂隙發育頂板淋滴水增大，預計正常涌水量2～3 m3/h，最大涌水量15 m3/h。回采期間頂板含水層水淋滴水隨回采出煤時帶走，對回采無影響。

（2） 奧灰水。

工作面所在區域奧灰水靜水位標高950—962 m，工作面標高845—903 m，回采段全部帶壓，8煤底板至奧灰頂界面間距78～82 m。

（3） 采空水。

工作面本煤層周邊分布有2 個采空區，分別為18310、18504 采空區，工作面上部2 號煤分布4個采空區，分別為12502、12108、12504、12506采空區。因采空區內無補給水源，且采空區形成時間較長，老空區頂底板已重合壓實，無蓄水條件，采空區內未富存大量采空積水，因此回采不受采空積水影響。

1.3 工作面周邊構造

根據鄰近工程、物探控制及巷道實際揭露，工作面共發育28 條斷層，落差0.2～3.5 m，其中F02、F07、F23、F24 斷層為巷道揭露并經槽波、鉆探驗證控制，落差較大，在工作面內延伸長度較長，對回采影響較大；其它斷層落差較小，對回采影響中等至較小。

陷落柱情況見表2。S91 陷落柱為2 號煤工程揭露控制，位于工作面內部；根據鉆探資料分析，X2 三維勘探陷落柱范圍未見異常情況，分析為小型隱伏構造發育影響所致。據該區鄰近工作面揭露情況分析，該區域陷落柱發育，回采中可能會有新的隱伏小型陷落柱揭露。

表2 陷落柱情況Table 2 The situation of collapse column

2 水文地質勘查

2.1 奧灰含水層富水性探查

為分析奧灰含水層的水文地質特征，通過在煤層底板開設水文觀測孔對其進行長期觀測，得出奧灰含水層的單位涌水量為4.47～5.65 L/(s·m)，富水性較強。

采用瞬變電磁法對煤層底板奧灰含水層進行綜合探查，得出南五下組煤采區的低電阻異常區主要分布在北部、西北部和東南部，且異常信號較強，分布范圍較大，反映出奧灰水的富水性較強且富水范圍較大。

2.2 構造導水性探查

在采區內選取一條同時穿過Fx1、F26 和DF3斷層的測線，采用大地音頻電磁法，探查構造的導水性，探測結果如圖1所示。

圖1 斷層導水性探查剖面圖Fig.1 The profile of fault water conductivity exploration

由圖1可以看出，F26 斷層及DF3 斷層附近的視電阻率等值線起伏較大，分布不均勻，并且兩斷層處的8 號煤層與奧灰含水層之間響應特征較為明顯，由此推斷F26 和DF3 斷層具有較強的導水性，而Fx1 斷層附近的視電阻率等值線分布均勻且平緩，推測其導水性相對較弱。

根據綜合探查結果，結合采區內已查明構造的導水性分析，綜合推斷出導水性較強的斷層有F07、F11、F15、F20、F26、DF3 級DF5，不具導水條件的斷層為F02、F24 及DF6，其余斷層及陷落柱S91、X2 的導水性較弱。

3 底板破壞規律模擬分析

3.1 建立模型

采用FLAC3D 數值模擬軟件并考慮流固耦合作用分析煤層底板的破壞規律，依據18502 工作面的實際賦存條件建立模型，模型尺寸長×寬×高=400 m×200 m×100 m，根據工作面埋深，在模型頂部施加9.6 MPa 的垂直應力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對模型兩側和底部進行約束，奧灰含水層的四周及底板設定為水頭邊界，并根據水壓的垂直梯度生成孔隙水壓力，模擬流固耦合作用。煤巖體的物理力學參數見表3，并以此進行賦參。

表3 煤巖體物理力學參數Table 3 Physical mechanics parameters of coal rock

3.2 模擬結果分析

煤層底板在采動應力及奧灰承壓水的流固耦合作用下發生破壞，模擬中依據塑性破壞的底界面來確定煤層底板的破壞深度。模擬中每40 m 進行循環開挖，共開挖360 m，底板破壞深度隨工作面推進的變化規律如圖2所示。由圖2可知，工作面推進初期，底板破壞深度持續增大，基本呈線性趨勢，工作面推進至240 m后，底板的破壞深度不再變化，最大破壞深度為22 m。

圖2 煤層底板破壞情況Fig.2 The situation of coal seam floor damage

4 工作面突水分析及防治水措施

4.1 工作面突水性分析

由于18502 工作面為帶壓開采，且開采范圍內存在多個構造發育，為保證工作面的安全回采，需對其進行突水危險性分析。

（1） 數值模擬得出18502 工作面底板最大破壞深度為22 m，奧灰隔水層的厚度為78～82 m，根據《煤礦防治水規定》 中突水系數進行評價，18502 工作面的突水性系數為0.025～0.043 MPa/m，接近于帶壓開采突水臨界值0.06 MPa/m，有一定的突水危險性。

（2） 工作面開采范圍內存在10 個斷層，其中F07、F11、F15 斷層的導水性較強，受煤層頂板含水層影響，在斷層破壞帶附近的頂板裂隙發育處會有含水現象，揭露時涌水可能增大，對回采有一定影響。

4.2 工作面防治水措施

（1） 為防止斷層帶導水威脅工作面的安全生產，應根據《煤礦防治水規定》留設構造隔水煤柱，設計隔水煤柱寬度時，按照最危險的情況考慮，突水性系數取0.06 MPa/m，結合采區實際條件最終確定斷層隔水煤柱寬度為50 m。

（2） 由于奧灰含水層具有一定的突水危險性，因此考慮采用底板注漿加固隔水層的方式，保證工作面安全帶壓開采。注漿施工時，注漿孔采用三角形布置，并呈放射狀展開，孔深不低于15 m，孔間距不大于30 m，在富水異常區及斷層構造處應適當加密注漿孔，保證工作面安全回采。

5 結論

（1） 通過綜合物探技術，對南五下組煤采區的水文地質情況進行了勘查，發現奧灰含水層的富水性較強且范圍較大，采區內存在7 條導水性較強的斷層。

（2） 通過流固耦合數值模擬得出18502 工作面帶壓開采時的底板最大破壞深度為22 m，結合突水系數評價，表明奧灰含水層有一定的突水危險性。

（3） 基于采區內的水文地質條件，提出了設置斷層隔水煤柱及底板注漿加固的綜合防治水措施，保證了工作面安全帶壓開采。