帶壓開采煤層底板破壞深度及承壓水防治研究

古 君 張 衡

（駐馬店市吳桂橋煤礦集團有限公司）

我國主要的聚煤期及含煤地層眾多，造成煤炭資源賦存環境多變和水文地質條件復雜［1］。長期以來，我國眾多煤炭科技工作者對底板突水問題進行了系統性的研究。代表性成果有突水系數法［2］、下三帶理論［3］、原位張裂理論［4］、薄板理論［5］和底板關鍵層理論［6］等。這些成果從不同角度研究了底板突水，對煤礦底板突水防治起到了積極的指導作用。

在承壓水上采煤，由于受采掘的各種外力（放炮、機械開挖、應力釋放的張力）及承壓水的作用，改變了工作面附近煤巖體的原巖應力場，這將導致煤巖層中裂隙開度的變化，從而引起煤巖體滲透性質的變化。承壓含水層上部采煤的關鍵問題之一，是確定采動礦壓所引起的底板巖層破壞深度。

華北型的石炭二疊紀煤田煤系底部奧陶系及太原群巖溶含水層富水性強，水壓高，隔水層薄，水害事故頻發，嚴重威脅生產安全。本文以某煤礦帶壓開采工作面為背景，基于具體的開采技術條件，通過理論研究分析，掌握受采動影響的煤層底板破壞深度，并提出針對性的底板加固注漿的防治技術措施，實現承壓水上安全開采。

1 工作面開采條件

1.1 煤層及頂底板巖層

某煤礦13203F 工作面位于礦井南翼132 采區，工作面東部為13203 采空區，南部為13205F 泄水巷，北部為11207 采空區。井下標高為-345～-316 m，對應地表標高為+72.0～+72.4 m。工作面主采煤層為二22煤層，煤層傾角為6°～11°，煤層厚度為2.5～5.5 m、平均煤厚3.5 m，工作面為單斜構造，煤層南高北低，直接頂為砂質泥巖，灰黑色，塊狀，含植物化石和黃鐵礦結核，平均厚度為6.4 m；基本頂為中粒砂巖，深灰色，塊狀，含較多的植物化石和煤屑，平均厚度為8.5 m；直接底為泥巖（局部正長斑巖侵入），灰色，塊狀，中間夾有鋁質泥巖，厚度為3.9～5.3 m，老底為塊狀正長斑巖，厚度為2.4～4.5 m。根據該區地質資料，工作面下巷向前128 m 處為DF2斷層尖滅端，該斷層由三維地震勘探控制，走向323°，傾角70°，落差10.0 m。

二22煤層平均地溫23 ℃，無沖擊地壓，相對瓦斯涌出量為0.63 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.22 m3/min，煤層具有爆炸危險性，自燃發火等級屬Ⅲ類，不易自燃。

1.2 水文地質情況

影響13203F 工作面開采的主要含水層有二22煤層頂板砂巖裂隙含水層、煤層底板石炭系太原組灰巖承壓含水層和奧陶系灰巖承壓含水層。

砂巖裂隙含水層為煤層頂板直接充水含水層，由砂質泥巖組成，平均厚度6.39 m，裂隙不發育，該含水層普遍富水性較弱。太原組灰巖一般致密完整，裂隙不發育，且常被方解石脈充填，平均厚45.06 m，屬富水性中等的巖溶裂隙承壓水。工作面太原組灰巖共發育2～6 層，其中主要為2 層，上層為L6 灰巖含水層，該含水層厚10.6～11.77 m，平均11.2 m，上距二22煤底14.99～24.95 m。下層為L4 灰巖含水層，該含水層厚6.8～11.1m，平均10.26 m，上距二22煤 底36.5～64.9 m。奧陶系灰巖承壓含水層，奧陶系灰巖厚約230 m，二22煤層底板至奧灰頂部厚度為60 m，該含水層局部巖溶裂隙發育，富水性不均一，屬富水性強的巖溶孔隙承壓水。

1.3 開采技術

工作面走向長度199 m，傾向長度109 m。采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區。爆破落煤，當工作面煤層松軟時，采用風鎬落煤，設計采高3.0 m，循環進度0.7 m。工作面共安裝104 架ZH2000/20/30Z 型整體頂梁懸移液壓支架支護頂板，機頭安裝4架ZH2000/20/30Z（F）型端頭支架，機尾安裝3 架ZH2000/20/30Z（F）型端頭支架，端頭支架距上、下巷巷道超過0.3 m 時采用單體柱配合π 型梁對頂板進行支護。最大控頂距3.65 m，最小控頂距2.95 m，放頂步距0.7 m。

2 工作面底板突水危險性評價

2.1 底板突水系數

《煤礦防治水細則》（2018）中突水系數的計算公式為［7］

式中，T為突水系數，MPa/m；P為隔水巖層底面實際承受的水壓值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

根據國內已有的防治水經驗，底板受構造破壞的地段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段不大于0.1 MPa/m。

近3 a來，L6灰、L4灰、奧灰含水層觀測水位最高值分別為-231、-171、-31 m，L6灰、L4灰、奧灰含水層距離二22煤層底板最小值分別為15、36.5、66 m，工作面底板標高取最低值取-345 m，則工作面底板隔水層承受的實際水頭值分別為L6 灰1.31 MPa，L4 灰2.14 MPa、奧灰3.77 MPa。利用式（1）計算突水系數結果如表1所示。

由于13203F 工作面底板范圍內存在構造破壞帶，根據計算結果，L6 灰含水層的突水系數超過臨界值0.06 MPa/m，L4 灰含水層的突水系數接近臨界值，2個含水層都具有底板突水危險性。

2.2 工作面開采底板破壞深度

2.2.1 規程經驗計算

原《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中，礦山壓力作用下工作面底板采動破壞h深度可按統計式（2）計算［8］：

式中，H為工作面內的煤層埋藏深度，m；α為煤層傾角，（°）；L為壁式工作面的斜長，m。

13203F 工作面煤層最大埋藏深度H為417.4 m，煤層最大傾角α為11°；工作面斜長L為109 m。根據式（2），計算13203F 工作面底板最大破壞深度為12.78 m。

2.2.2 底板破壞的塑性解

工作面底板下一定范圍內的巖體，當作用在其上的支承壓力達到或超過其臨界強度值時，巖體中將產生塑性變形，形成塑性區；當支承壓力達到導致部分巖體完全破壞的最大載荷時，支承壓力作用區域周圍的巖體塑性區將連成一片，致使采空區內底板隆起，已發生塑性變形的巖體向采空區內移動，并且形成一個連續的滑移面。此時底板巖體遭受的采動破壞最嚴重。

根據底板破壞的塑性解理論［5］，底板巖體最大破壞深度為h1：

式中，xa為超前支承壓力產生的塑性區寬度，m；φ0為底板巖石的平均內摩擦角，（°）。

超前支承壓力產生的塑性區長度xa可根據極限平衡理論，利用式（4）計算［9］：

式中，K為應力集中系數；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m；m為煤層采厚，m；φ為煤層面間內摩擦角，（°）；c為層面間黏聚力，MPa；Px為支架對煤壁的支護力，MPa。

支承壓力的峰值與煤層及其頂板的極限強度有關，二22煤層的平均極限強度為6.8 MPa，直接頂為砂質泥巖的平均極限強度為21.8 MPa，取應力集中系數為2.1，支承壓力的峰值為21.8 MPa。巖層平均容重γ=25 kN/m3，煤層埋深H=417.4 m，煤層面間內摩擦角φ=24°，層面間黏聚力c=0.3 MPa，煤層采厚m=3 m，底板巖層的平均內摩擦角為40°，根據式（4）計算塑性區寬度xa為3.76 m。根據式（3）計算底板巖層最大破壞深度為h1為17.65 m。

3 工作面底板突水治理

3.1 方案選擇

L6 灰巖含水層上距二22煤底14.99～24.95 m，L4灰巖含水層上距二22煤底36.5～64.9 m。工作面在僅考慮底板礦壓破壞帶深度的情況下，工作面亦可與L6 灰巖含水層導通，存在極大的底板突水風險。同時，由于煤礦地質構造的復雜性，當工作面存在未查明的隱伏斷層時，隱伏斷層可能導通煤層底板含水層（L6灰巖水，L4灰巖水和奧陶系灰巖水），通過隱伏斷層煤層底板含水層之間也可能發生水力聯系，互相補給，增加治理難度。

在煤礦生產過程中，一方面要認真開展水害預測預報及隱患排查工作，加強對斷層的探測觀察與收集分析，遇斷裂構造時，應當測定其產狀、斷距、斷層帶寬度，觀測斷裂帶充填物成分、膠結程度及導水性等；做好巷道突水的預防措施，保證安全生產。更重要的是煤礦企業應落實防治水的主體責任，防治水工作應由過程治理向源頭預防、局部治理向區域治理的轉變。根據礦井實際，采取地面區域治理、井下注漿加固底板或者改造含水層、疏水降壓、充填開采等防治水措施，消除水害威脅。

L6 灰巖水和L4 灰巖含水層的補給水源充沛，不具備疏水降壓和帷幕注漿的條件。結合礦井實際，采用局部底板注漿的方法對13203F工作面底板灰巖含水層進行注漿加固，在評估注漿工程治理效果達標后，工作面方可進行開采。

3.2 注漿方案設計

L6灰和L4灰全層全覆蓋式加固，改造后單孔出水量為10 m3/h以下。鉆孔注漿擴散半徑為30 m，均勻布孔，改造范圍覆蓋工作面以及工作面外30 m 的范圍。加固層位至L4灰含水層底部，鉆孔終孔深度為二22煤層底板以下50 m。鉆孔平面上呈圓周布置。根據鉆探情況，施工中適當地調整鉆孔個數和施工參數。

底板注漿加固工程設計4 個鉆場、39 個鉆孔，鉆孔總工程量為3 519 m，預計注漿量2 000 t 左右。篇幅所限，僅給出3 號鉆場鉆孔設計方案，鉆孔平面設計圖見圖1，施工參數見表2。

3.3 設備及材料

固管注漿選用42.5#袋裝水泥、45°Bé 水玻璃、鋸末、麻繩等；常規注漿選用32.5#水泥、45°Bé 水玻璃、黃土、鋸末等。

注漿孔使用ZDY4000S 型鉆機，采用φ133 mm 鉆頭開孔，開孔15 m 左右下φ127 mm 一級套管（下入穩固巖層），固管耐壓試驗壓力不低于4 MPa，穩壓時間不低于30 min；一級管固管試壓合格后，采用φ113 mm 鉆頭掃孔鉆進，鉆進至過一級套管10 m 后下φ108 mm 二級套管，固管耐壓試驗壓力不低于6 MPa，穩壓時間不低于30 min；二級管固管試壓合格后，安裝閘閥，然后采用φ92 mm 鉆頭無芯鉆至設計終孔位置。

地面選用SGB6-10 型注漿泵，將水泥漿從攪拌池中抽出，沿井上和井下注漿管路，到達井下注漿孔。采用分孔序含水層全層連續注漿的方式，直至達到終孔壓力為止。若注漿過程中出現跑漿，串漿等情況時，可采用間歇式注漿方式，間歇時間至少為24 h。按照注漿質量的要求，注漿終壓應大于含水層靜水壓力的1.5～2 倍。達到最大允許壓力，進漿量小于50 L/min，注漿壓力達到受注點靜水壓的1.5～2 倍，可結束本段注漿。

3.4 注漿質量檢查

注漿改造質量檢查采用鉆探檢查、物探檢查和鉆孔測斜。

鉆探檢查：根據鉆孔出水情況及吃漿量大小適當補打檢查孔，檢查孔位置一般選取在單孔水量較大或單孔吃漿量較大的鉆孔附近，檢查孔水量以小于10 m3/h為合格。

物探檢查：利用TEMHZ75+TEMJF50型瞬變電磁儀對工作面加固后的底板區域進行效果驗證，驗證結果以工作面底板覆蓋范圍內無低阻異常區為合格。

鉆孔測斜：根據底板注漿鉆孔測斜率不小于總加固孔的10%的原則，對工作面每個鉆場內底板注漿加固孔最后施工完畢的鉆孔進行測斜。

底板注漿改造工程完成后，2022 年7 月，13203F工作面開始回采，2023 年2 月，工作面達到設計停采線，開采結束。通過底板注漿改造，13203F 實現了承壓水上安全開采。

4 結論

（1）開采受底板承壓水威脅的煤層時，應開展底板突水危險性的評估。L6 灰巖含水層的突水系數超過臨界值0.06 MPa/m，L4 灰巖含水層的突水系數接近臨界值。規程及理論計算工作面底板最大破壞深度為12.78～17.65 m。L6 灰巖含水層上距二22煤底最近為14.99 m，L4 灰巖含水層上距二22煤底最近為36.5 m。2個含水層都具有底板突水的危險性。

（2）煤礦企業應落實防治水的主體責任，防治水工作應由過程治理向源頭預防、局部治理向區域治理的轉變。由于灰巖含水層的補給水源充沛，采用工作面局部底板注漿加固的方法對底板灰巖含水層進行治理。

（3）工作面局部底板注漿加固改造隔水層后，采用物探與鉆探相結合的方法評估注漿工程治理效果，治理達標。13203F 工作面實現了承壓水上安全開采。