同安矿深部带压开采底板突水机理及控制技术研究

程 亮

(山西焦煤霍州煤电同安煤业有限公司,山西 吕梁 035200)

煤炭是中国重要的能源资源[1],在中国的一次性能源消费中占70%左右,在国民经济中发挥着重要的战略作用。中国许多煤田的水文地质条件非常复杂,在煤矿开采过程中会受到各种水体的威胁,因此,煤矿水害构成了煤矿安全生产的重大技术难题,亟待控制和预防。随着矿区浅层煤炭资源的枯竭,煤炭开发已转向深部开采[2],承压水含水层的水压不断增加,煤层底板的开采破坏深度也在不断增加。此外,有效隔水层的阻水能力较差,导致煤层底板涌水风险增加。

本文以同安煤矿9号煤层9102工作面为工程实例,对采场底板破坏深度和保护层厚度等进行了研究,并提出了采场底板注浆堵水技术,现场探测结果表明注浆效果显著,研究结果可为类似工程地质条件的煤层底板突水控制提供借鉴,同时有助于确保煤炭资源的安全和高效开采。

1 工程概况

同安煤矿9号煤层位于太原组中下部L1石灰岩之下,上距7号煤层19.69～29.59 m,平均24.64 m.煤层厚度7.75～14.69 m,平均厚11.22 m,属全井田稳定可采煤层。煤层结构简单-极复杂,含0～7层夹矸,单层夹矸最大厚度为0.45 m.煤层顶板为L1石灰岩,底板为泥岩粉、砂质泥岩及砂岩。其中北部属带压突水危险严重区,煤层底板标高小于700 m,均低于奥灰水水位标高1 127 m,属带压开采区,该区内SW2号钻孔、38号钻孔突水系数分别为0.118 MPa/m、0.145 MPa/m,均大于0.1 MPa/m,为突水危险严重区。

9102工作面位于奥灰岩及K2砂岩含水层上,属于承压开采工作面,回风巷侧与F4、F5断层和已突水的91042 工作面采空区相邻,水文地质条件和开采条件十分复杂,深部带压开采底板突水危险性较高。

2 采场底板突水影响因素及机理

2.1 突水影响因素

承压含水层是造成煤层底板突水的主要内在因素。K2砂岩含水层的富水性相对较弱,并不会造成煤层底板大的突涌水事故,但底板岩层的裂隙较为发育,K2灰岩含水层中的水可以通过奥灰含水层中的水进行补给,增强其富水性,从而增大煤层底板突水的可能性;隔水层的厚度是影响煤层阻水性能大小的关键因素。位于煤层底部的隔水层,在承压水压的作用下,煤层底板裂隙较为发育,承压水易通过煤层底板裂隙通道而发生突水。

采动影响是影响煤层底板发生突水的外因。在采掘的过程中,煤层底板的隔水层遭到不同程度和连续的扰动破坏,产生裂隙发育破坏带,增加了煤层底板突水的风险。

2.2 突水机理

采场底板突水是承压水压力和矿山压力共同作用的结果,二者导致煤层底板产生大小不同的裂隙,当煤层底板裂隙带与承压水贯通时,就会造成突水事故;当煤层底板裂隙带与承压水没有贯通时,裂隙带的产生将减少底板关键层的厚度,同时底板隔水层受到承压水的向上垂直压力,底板隔水层在压力的影响下关键层断裂破坏时,就会发生煤层底板突然爆水事故[3-5]。

3 采场底板突水评价

3.1 采场底板破坏深度

煤层底板在煤层的开采过程中易发生变形破坏,产生大量深浅不同的裂隙,而裂隙的深度即为煤层底板隔水层的破坏深度。煤层底板下方的裂隙是连通含水层、引发煤层底板突涌水的通道,同时裂隙的存在也增加了煤层底板突涌水的风险[6-7]。

煤层底板破坏深度经验计算公式如下:

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中:h为煤层底板破坏深度,m;H为煤层开采深度,m;α为地层倾角,取15°;L为工作面长度,取150 m.

根据9号煤层9102工作面现场勘测所得数据,绘制煤层底板破坏深度等值线图,如图1所示。

图1 煤层底板破坏深度等值线图

由图1可知,煤层底板破坏深度在东部区域范围内较大,西部区域范围内较小,东部区域范围最大破坏深度约为43 m,西部区域范围最小破坏深度约为19 m.同时可看出,矿区的中心等值线较密集,说明该处受煤层开采扰动影响较大。

3.2 采场底板保护层厚度

采场底板保护层厚度是煤层底板和承压含水层顶面之间的岩层厚度,根据9号煤层9102工作面研究数据绘制9号煤层底板保护层厚度等值线图,如图2所示。

图2 煤层底板保护层厚度等值线图

由图2可知,9号煤层底板保护层厚度的变化范围在3～49 m,变化幅度较大;西部和中部区域范围内煤层底板保护层厚度的变化幅度较小,均值约为26 m;其他区域范围内煤层底板保护层厚度的变化幅度相对较大,均值约为16 m.

3.3 有效隔水层厚度

根据底板破坏深度和保护层厚度计算的煤层底板有效隔水层厚度图如图3所示。

图3 煤层底板有效隔水层厚度图

由图3可知,9号煤层底板的有效隔水层厚度呈东薄西厚分布,其主要原因是东部的埋深较大,在煤层采动下更容易造成较大的破坏。同时可看出,在底板的东部、南部以及西南部区域有效隔水层厚度为0 m,此部位十分容易发生突水事故。

3.4 带压系数

带压系数是指单位岩层可抵抗的最大水压力,同时也是总抗压强度与实际承受水压的差值。当带压系数>0 MPa 时,隔水层可以抵抗实际的承受水压力,为安全区;反之,为危险区。

由图4可知,9号煤层底板隔水层呈条带状分布,且由东向西逐渐减小,所承受水压值范围为1.6～10.5 MPa.

图4 煤层底板有效隔水层承受水压力等值线图

3.5 煤层底板突水评价结果

利用煤层底板破坏深度等值线图、煤层底板保护层厚度等值线图、煤层底板有效隔水层厚度等值线图、有效隔水层承受水压力等值线图的评价指标,得出煤层底板奥灰突水五图双系数评价分区图,如图5所示。

由图5可知,煤层底板划分为Ⅲ区非直通式突水危险区及Ⅳ区直通式突水危险区。Ⅲ区非直通式突水危险区很有可能发生底板的突水事故,在煤层开采过程中应加强监测。Ⅳ区直通式突水危险区,底板发生直通式突水的概率很大,需要采取防治水措施。

4 采场底板突水控制

4.1 采场底板注浆堵水原理

根据同安煤矿以往煤层底板治水经验,底板注浆堵水最为有效。通过一定数目的钻孔向煤层底板的破坏区域进行注浆加固,注浆浆液在煤层底板的破坏区域扩散,有效填充了裂隙通道,最后与煤岩层凝结为一个整体,从而提高了煤层底板的整体强度以及隔水层防突水的能力,阻止煤层底板事故的发生。

4.2 采场底板注浆方案

分别在同安煤矿9102工作面的开切眼位置、运输巷道和回风巷道内布置2个、8个、8个钻场,钻场的长×宽×高=4 m×4 m×3 m,每个钻场内布置3个钻孔,其中:开切眼钻场位置钻孔的方位角分别为20°、110°、290°,钻孔倾角分别为40°、40°、30°;运输巷道钻场位置钻孔的方位角分别为275°、355°、5°,钻孔倾角分别为30°、40°、50°;回风巷道钻场位置钻孔的方位角分别为95°、140°、185°,钻孔倾角分别为30°、40°、50°.根据同安煤矿以往的底板注浆经验,注浆有效扩散半径取值40 m,而注浆范围为煤层底板破坏区域,即煤层底板深度15 m的范围,可以保证浆液有效在煤层底板破坏区域进行扩散,进而提高煤层底板破坏区域的整体强度。

交替使用粘土和水泥浆液、纯水泥浆液两种浆液。采用粘土和水泥浆液双液浆时,浆液的比重为1∶1.2左右,纯水泥浆液中水灰质量比为0.85∶1,均采用425号普通硅酸盐水泥。

4.3 注浆效果探测

为验证9102工作面煤层底板注浆效果,采用EMRSm-3型脉冲瞬变电磁仪分别对9102工作面底板注浆前后进行探测,探测结果如图6、图7所示。

图7 底板注浆后视电阻率等值线断面图

由图6、图7可知,9102工作面底板深度在0～35 m范围注浆前后探测结果基本相同,地层相对较为完整,破坏区域及裂隙发育带在注浆加固后,裂隙被充填,整体性较好;在9102工作面底板深度在35～50 m范围,在奥灰岩含水层顶面注浆前后差异性较大,在注浆加固后,视电阻率值发生变化,局部范围内出现单点低阻条带或者闭合圈异常,说明奥灰岩含水层顶面岩层注浆的效果较为明显。

5 结 语

本文以同安煤矿9102工作面深部带压开采为工程背景,分析了底板突水影响因素及机理,并对底板突水治理技术展开了研究,得出以下结论:

1) 通过理论计算及现场勘测,得出煤层底板最大破坏深度约为43 m,最小破坏深度约为19 m,煤层底板保护层厚度的变化范围在3～49 m之间,并对底板有效隔水层厚度分布进行划分,据此对底板突水风险进行了分区评价。

2) 确定了采场底板注浆堵水技术参数,通过EMRSm-3型脉冲瞬变电磁仪对煤层底板注浆效果进行探测,发现破坏区域、裂隙发育带及奥灰岩含水层顶面岩层注浆的堵水效果显著。