干河煤礦2-126 工作面異常涌水原因及防治技術研究

王志超

（霍州煤電集團有限責任公司霍寶干河煤礦，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-126 工作面井下位于2#煤層二采區東南部，南部為井田邊界，西側鄰近2-128 工作面（未采掘），北部為二采區回采大巷。工作面煤層均厚3.78 m，煤層傾角7°～11°，工作面相對地面位置為霍州市西北部山梁、溝谷一帶，可采走向長665 m，可采傾向長193 m，地面標高1130～1210 m，施工巷道標高535～570 m，區域內沒有水體及建筑物對施工影響。工作面呈一走向SW、傾向NW 的單斜構造。2-126 工作面推采期間揭露斷層3 條，工作面節理發育，主節理走向SW51°，次節理走向NW39°。兩側回采巷道沿2#煤層走向布置，工作面切巷長216 m。采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤。

2 工作面水文地質情況分析

2-126 工作面回采過程中預計影響工作面主要水源為山西組上部砂巖含水層，富水性不均一，為弱含水層；底板主要含水層為石炭系上統太原組K2 灰巖和奧陶系中統峰峰組O2灰巖，2#煤層與石炭系上統太原組K2之間的隔水層平均厚度64.03 m，與奧陶系O2石灰巖之間隔水巖層平均厚度118 m。工作面底板標高為+515～+547 m，計算得出石炭系上統太原組K2 帶壓3.13～3.45 MPa，奧陶系中統峰峰組O2帶壓3.72～4.05 MPa。

底板突水系數計算：

式中：T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層的水頭壓力，MPa（水位標高K2 采用860 m、水頭壓力采用3.45 MPa，水位標高O2采用920 m、水頭壓力采用4.05 MPa）；M為底板隔水層厚度，m。

由此得到太原組K2 突水系數為0.054 MPa/m，峰峰組O2突水系數為0.034 MPa/m，均小于規范要求的臨界值0.06 MPa/m。2#煤層開采通常情況下不會引起太灰水、奧灰水涌入工作面，但2-126 工作面回采初期，采空區及工作面產生了大量的涌水。對2-126 工作面地質情況進行勘探，根據對涌水水源分析，底板涌水來自太灰、奧灰混合型水源。根據現場三維地震地勘分析報告并結合工作面回采前的槽波地震勘探結果（圖1a），確定工作面底板內存在本溪組隔水層破碎區，破碎區水平投影呈橢圓形分布，如圖1（b）～（c），破碎帶可能使得奧灰水與太原組K2 灰巖水導通，進入回采工作面。

圖1 底板破碎帶示意圖

3 底板采動變形破壞規律研究

根據國內相關研究表明[1-2]，工作面回采將引起底板巖體受到一定程度的破壞，底板巖層的滲透性將發生變化，當底板隔水層滲透性全部變化時，承壓含水層水將涌入回采工作面及采空區。為探究2-126工作面底板破碎區對底板涌水可能性的影響，結合FLAC3D數值模擬軟件建立數值模型。根據2-126 工作面地質條件及開采參數，建立煤層上方覆巖厚度11 m，煤層厚度取4.0 m，煤層底板巖層厚度118 m，模型總寬度為250 m，切眼設置在距模型左邊界30 m 處，埋深取500 m，頂面施加12.5 MPa 均布載荷。依據三維地震地勘結果建立底板破碎帶模型，破碎帶為橢球型，底部邊長140 m，高度為84 m，頂部距離煤層底面34 m，巖體采用摩爾-庫倫準則進行計算，完整底板條件下及底板含有破碎帶條件下數值模型如圖2。

圖2 數值模型及邊界條件示意圖（m）

工作面每開挖5 m 進行一次計算，計算平衡后查看沿工作面推進方向底板巖層的塑性區分布。當開挖190 m 時底板巖層破壞情況如圖3（a），底板破壞最大深度隨工作面推進距離的變化如圖3（b）。采煤工作面開挖后，底板一定深度范圍內的巖層發生塑性破壞，破壞深度在原開切眼處及工作面正下方附近較大，而中部較淺，整體形狀類似倒馬鞍形，由此說明采空區深部邊緣附近及工作面附近最易發生底板突水事故。結合圖3（b）可知，底板塑性破壞最大深度與工作面開采距離呈正相關，工作面推進至110 m 時，底板最大破壞深度達到18.5 m，工作面推進距離繼續增大但底板破壞最大深度并未增加，表明底板巖層最大破壞深度為18.5 m。

圖3 常規底板條件下底板塑性破壞模擬結果

底板含有破碎區情況下，工作面回采120 m 底板塑性破壞情況如圖4（a），工作面回采40 m、80 m、120 m 條件下底板塑性破壞區及破碎帶塑性破壞區邊界線如圖4（b）。

圖4 底板含破碎帶條件下底板塑性破壞模擬結果

由圖4 可知，工作面回采40 m 時，底板巖層破壞深度10.5 m；回采80 m 時，底板巖層破壞深度18.0 m，同時底板破碎帶頂部巖層開始發生塑性破壞，破壞高度達到4.0 m，兩個塑性破壞區域未貫通底板巖層；工作面回采120 m，底板塑性破壞深度最大值達到26 m，同時塑性破壞帶頂部塑性破壞高度達到8.0 m，底板塑性區與破碎帶頂部相互連通。綜上可知，由于2-126 工作面底板破碎帶的影響，工作面開采期間底板塑性破壞深度增大，且破碎帶頂部區域巖層發生塑性破壞，導致工作面與下部承壓含水層導通，從而引起采空區及工作面出現大量涌水現象。

4 底板隔水層注漿改造方案及應用效果

根據前文研究結論可知，干河煤礦2-126 工作面底板導水通道位于破碎帶區域，為減小采空區涌水量、實現保水開采，設計對底板進行原位注漿改造，增加底板的阻隔水性能[3-4]。2#煤層距奧灰含水層頂部平均距離為118 m，根據地層巖性特征，將注漿層位確定為本溪組上部的灰巖巖層。該巖層厚度為10.65～16.34 m，距奧灰含水層頂面約30 m，距煤層底板約88 m。注漿鉆孔沿著巖層走向鉆進，注漿材料為水泥和黏土，水泥與黏土的質量比為1:1，漿液水灰比為5.5:1。注漿泵站設計在地面2#井場，設計1 個垂直主孔及3 個水平支孔，水平孔注漿區域間距50 m。首先通過中部的2-1#水平支孔進行注漿作業，注漿終壓8 MPa，之后再根據現場實際情況進行2-2#、2-3#水平注漿孔的施工。注漿孔布置詳情如圖5。

圖5 底板注漿鉆孔布置示意圖

注漿加固前2-126 工作面涌水量穩定在120～150 m3/h，2-1#鉆孔開始注漿后，涌水量開始顯著下降，注漿約16 d 后，涌水量減小約65 m3/h；2-2#鉆孔開始注漿后，涌水量繼續減小，注漿5 d 后，涌水量減小約30 m3/h，最終采空區涌水量基本穩定在45 m3/h 左右，如圖6。由此表明，底板隔水層原位注漿改造工程使2-126 工作面采空區涌水量顯著減小，實現了對底板奧灰含水層保護的目的，為2#煤層后續工作面帶壓開采提供寶貴實踐經驗。

圖6 2-126 工作面采空區涌水量變化規律

5 結論與建議

結合三維地震勘探結果分析2-126 工作面底板破碎帶具體賦存特征，通過數值模擬研究，分析確定正常底板條件下工作面回采底板塑性破壞最大深度為18.5 m，底板存在塑性破壞帶條件下工作面回采引起采空區與底板破碎帶連通形成導水通道，這正是2-126工作面開采期間采空區大量涌水的原因。設計對本溪組上部的灰巖巖層進行注漿改造，注漿后采空區涌水量減小約95 m3/h，底板隔水性能顯著提升，實現了工作面的帶壓保水開采。