同安礦深部帶壓開采底板突水機(jī)理及控制技術(shù)研究

程 亮

(山西焦煤霍州煤電同安煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 035200)

煤炭是中國(guó)重要的能源資源[1],在中國(guó)的一次性能源消費(fèi)中占70%左右,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的戰(zhàn)略作用。中國(guó)許多煤田的水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜,在煤礦開采過程中會(huì)受到各種水體的威脅,因此,煤礦水害構(gòu)成了煤礦安全生產(chǎn)的重大技術(shù)難題,亟待控制和預(yù)防。隨著礦區(qū)淺層煤炭資源的枯竭,煤炭開發(fā)已轉(zhuǎn)向深部開采[2],承壓水含水層的水壓不斷增加,煤層底板的開采破壞深度也在不斷增加。此外,有效隔水層的阻水能力較差,導(dǎo)致煤層底板涌水風(fēng)險(xiǎn)增加。

本文以同安煤礦9號(hào)煤層9102工作面為工程實(shí)例,對(duì)采場(chǎng)底板破壞深度和保護(hù)層厚度等進(jìn)行了研究,并提出了采場(chǎng)底板注漿堵水技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果表明注漿效果顯著,研究結(jié)果可為類似工程地質(zhì)條件的煤層底板突水控制提供借鑒,同時(shí)有助于確保煤炭資源的安全和高效開采。

1 工程概況

同安煤礦9號(hào)煤層位于太原組中下部L1石灰?guī)r之下,上距7號(hào)煤層19.69～29.59 m,平均24.64 m.煤層厚度7.75～14.69 m,平均厚11.22 m,屬全井田穩(wěn)定可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-極復(fù)雜,含0～7層夾矸,單層夾矸最大厚度為0.45 m.煤層頂板為L(zhǎng)1石灰?guī)r,底板為泥巖粉、砂質(zhì)泥巖及砂巖。其中北部屬帶壓突水危險(xiǎn)嚴(yán)重區(qū),煤層底板標(biāo)高小于700 m,均低于奧灰水水位標(biāo)高1 127 m,屬帶壓開采區(qū),該區(qū)內(nèi)SW2號(hào)鉆孔、38號(hào)鉆孔突水系數(shù)分別為0.118 MPa/m、0.145 MPa/m,均大于0.1 MPa/m,為突水危險(xiǎn)嚴(yán)重區(qū)。

9102工作面位于奧灰?guī)r及K2砂巖含水層上,屬于承壓開采工作面,回風(fēng)巷側(cè)與F4、F5斷層和已突水的91042 工作面采空區(qū)相鄰,水文地質(zhì)條件和開采條件十分復(fù)雜,深部帶壓開采底板突水危險(xiǎn)性較高。

2 采場(chǎng)底板突水影響因素及機(jī)理

2.1 突水影響因素

承壓含水層是造成煤層底板突水的主要內(nèi)在因素。K2砂巖含水層的富水性相對(duì)較弱,并不會(huì)造成煤層底板大的突涌水事故,但底板巖層的裂隙較為發(fā)育,K2灰?guī)r含水層中的水可以通過奧灰含水層中的水進(jìn)行補(bǔ)給,增強(qiáng)其富水性,從而增大煤層底板突水的可能性;隔水層的厚度是影響煤層阻水性能大小的關(guān)鍵因素。位于煤層底部的隔水層,在承壓水壓的作用下,煤層底板裂隙較為發(fā)育,承壓水易通過煤層底板裂隙通道而發(fā)生突水。

采動(dòng)影響是影響煤層底板發(fā)生突水的外因。在采掘的過程中,煤層底板的隔水層遭到不同程度和連續(xù)的擾動(dòng)破壞,產(chǎn)生裂隙發(fā)育破壞帶,增加了煤層底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 突水機(jī)理

采場(chǎng)底板突水是承壓水壓力和礦山壓力共同作用的結(jié)果,二者導(dǎo)致煤層底板產(chǎn)生大小不同的裂隙,當(dāng)煤層底板裂隙帶與承壓水貫通時(shí),就會(huì)造成突水事故;當(dāng)煤層底板裂隙帶與承壓水沒有貫通時(shí),裂隙帶的產(chǎn)生將減少底板關(guān)鍵層的厚度,同時(shí)底板隔水層受到承壓水的向上垂直壓力,底板隔水層在壓力的影響下關(guān)鍵層斷裂破壞時(shí),就會(huì)發(fā)生煤層底板突然爆水事故[3-5]。

3 采場(chǎng)底板突水評(píng)價(jià)

3.1 采場(chǎng)底板破壞深度

煤層底板在煤層的開采過程中易發(fā)生變形破壞,產(chǎn)生大量深淺不同的裂隙,而裂隙的深度即為煤層底板隔水層的破壞深度。煤層底板下方的裂隙是連通含水層、引發(fā)煤層底板突涌水的通道,同時(shí)裂隙的存在也增加了煤層底板突涌水的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。

煤層底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下:

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中:h為煤層底板破壞深度,m;H為煤層開采深度,m;α為地層傾角,取15°;L為工作面長(zhǎng)度,取150 m.

根據(jù)9號(hào)煤層9102工作面現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)所得數(shù)據(jù),繪制煤層底板破壞深度等值線圖,如圖1所示。

圖1 煤層底板破壞深度等值線圖

由圖1可知,煤層底板破壞深度在東部區(qū)域范圍內(nèi)較大,西部區(qū)域范圍內(nèi)較小,東部區(qū)域范圍最大破壞深度約為43 m,西部區(qū)域范圍最小破壞深度約為19 m.同時(shí)可看出,礦區(qū)的中心等值線較密集,說明該處受煤層開采擾動(dòng)影響較大。

3.2 采場(chǎng)底板保護(hù)層厚度

采場(chǎng)底板保護(hù)層厚度是煤層底板和承壓含水層頂面之間的巖層厚度,根據(jù)9號(hào)煤層9102工作面研究數(shù)據(jù)繪制9號(hào)煤層底板保護(hù)層厚度等值線圖,如圖2所示。

圖2 煤層底板保護(hù)層厚度等值線圖

由圖2可知,9號(hào)煤層底板保護(hù)層厚度的變化范圍在3～49 m,變化幅度較大;西部和中部區(qū)域范圍內(nèi)煤層底板保護(hù)層厚度的變化幅度較小,均值約為26 m;其他區(qū)域范圍內(nèi)煤層底板保護(hù)層厚度的變化幅度相對(duì)較大,均值約為16 m.

3.3 有效隔水層厚度

根據(jù)底板破壞深度和保護(hù)層厚度計(jì)算的煤層底板有效隔水層厚度圖如圖3所示。

圖3 煤層底板有效隔水層厚度圖

由圖3可知,9號(hào)煤層底板的有效隔水層厚度呈東薄西厚分布,其主要原因是東部的埋深較大,在煤層采動(dòng)下更容易造成較大的破壞。同時(shí)可看出,在底板的東部、南部以及西南部區(qū)域有效隔水層厚度為0 m,此部位十分容易發(fā)生突水事故。

3.4 帶壓系數(shù)

帶壓系數(shù)是指單位巖層可抵抗的最大水壓力,同時(shí)也是總抗壓強(qiáng)度與實(shí)際承受水壓的差值。當(dāng)帶壓系數(shù)>0 MPa 時(shí),隔水層可以抵抗實(shí)際的承受水壓力,為安全區(qū);反之,為危險(xiǎn)區(qū)。

由圖4可知,9號(hào)煤層底板隔水層呈條帶狀分布,且由東向西逐漸減小,所承受水壓值范圍為1.6～10.5 MPa.

圖4 煤層底板有效隔水層承受水壓力等值線圖

3.5 煤層底板突水評(píng)價(jià)結(jié)果

利用煤層底板破壞深度等值線圖、煤層底板保護(hù)層厚度等值線圖、煤層底板有效隔水層厚度等值線圖、有效隔水層承受水壓力等值線圖的評(píng)價(jià)指標(biāo),得出煤層底板奧灰突水五圖雙系數(shù)評(píng)價(jià)分區(qū)圖,如圖5所示。

由圖5可知,煤層底板劃分為Ⅲ區(qū)非直通式突水危險(xiǎn)區(qū)及Ⅳ區(qū)直通式突水危險(xiǎn)區(qū)。Ⅲ區(qū)非直通式突水危險(xiǎn)區(qū)很有可能發(fā)生底板的突水事故,在煤層開采過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。Ⅳ區(qū)直通式突水危險(xiǎn)區(qū),底板發(fā)生直通式突水的概率很大,需要采取防治水措施。

4 采場(chǎng)底板突水控制

4.1 采場(chǎng)底板注漿堵水原理

根據(jù)同安煤礦以往煤層底板治水經(jīng)驗(yàn),底板注漿堵水最為有效。通過一定數(shù)目的鉆孔向煤層底板的破壞區(qū)域進(jìn)行注漿加固,注漿漿液在煤層底板的破壞區(qū)域擴(kuò)散,有效填充了裂隙通道,最后與煤巖層凝結(jié)為一個(gè)整體,從而提高了煤層底板的整體強(qiáng)度以及隔水層防突水的能力,阻止煤層底板事故的發(fā)生。

4.2 采場(chǎng)底板注漿方案

分別在同安煤礦9102工作面的開切眼位置、運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道內(nèi)布置2個(gè)、8個(gè)、8個(gè)鉆場(chǎng),鉆場(chǎng)的長(zhǎng)×寬×高=4 m×4 m×3 m,每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置3個(gè)鉆孔,其中:開切眼鉆場(chǎng)位置鉆孔的方位角分別為20°、110°、290°,鉆孔傾角分別為40°、40°、30°;運(yùn)輸巷道鉆場(chǎng)位置鉆孔的方位角分別為275°、355°、5°,鉆孔傾角分別為30°、40°、50°;回風(fēng)巷道鉆場(chǎng)位置鉆孔的方位角分別為95°、140°、185°,鉆孔傾角分別為30°、40°、50°.根據(jù)同安煤礦以往的底板注漿經(jīng)驗(yàn),注漿有效擴(kuò)散半徑取值40 m,而注漿范圍為煤層底板破壞區(qū)域,即煤層底板深度15 m的范圍,可以保證漿液有效在煤層底板破壞區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散,進(jìn)而提高煤層底板破壞區(qū)域的整體強(qiáng)度。

交替使用粘土和水泥漿液、純水泥漿液兩種漿液。采用粘土和水泥漿液雙液漿時(shí),漿液的比重為1∶1.2左右,純水泥漿液中水灰質(zhì)量比為0.85∶1,均采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥。

4.3 注漿效果探測(cè)

為驗(yàn)證9102工作面煤層底板注漿效果,采用EMRSm-3型脈沖瞬變電磁儀分別對(duì)9102工作面底板注漿前后進(jìn)行探測(cè),探測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖7 底板注漿后視電阻率等值線斷面圖

由圖6、圖7可知,9102工作面底板深度在0～35 m范圍注漿前后探測(cè)結(jié)果基本相同,地層相對(duì)較為完整,破壞區(qū)域及裂隙發(fā)育帶在注漿加固后,裂隙被充填,整體性較好;在9102工作面底板深度在35～50 m范圍,在奧灰?guī)r含水層頂面注漿前后差異性較大,在注漿加固后,視電阻率值發(fā)生變化,局部范圍內(nèi)出現(xiàn)單點(diǎn)低阻條帶或者閉合圈異常,說明奧灰?guī)r含水層頂面巖層注漿的效果較為明顯。

5 結(jié) 語

本文以同安煤礦9102工作面深部帶壓開采為工程背景,分析了底板突水影響因素及機(jī)理,并對(duì)底板突水治理技術(shù)展開了研究,得出以下結(jié)論:

1) 通過理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),得出煤層底板最大破壞深度約為43 m,最小破壞深度約為19 m,煤層底板保護(hù)層厚度的變化范圍在3～49 m之間,并對(duì)底板有效隔水層厚度分布進(jìn)行劃分,據(jù)此對(duì)底板突水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)。

2) 確定了采場(chǎng)底板注漿堵水技術(shù)參數(shù),通過EMRSm-3型脈沖瞬變電磁儀對(duì)煤層底板注漿效果進(jìn)行探測(cè),發(fā)現(xiàn)破壞區(qū)域、裂隙發(fā)育帶及奧灰?guī)r含水層頂面巖層注漿的堵水效果顯著。