薛小勇，南晶晶，胡曉亮，王興明

（1.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安）

引言

承壓水上采煤底板突水是我國礦井主要的水文工程地質(zhì)問題，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)，有效遏制礦井突水事故的發(fā)生，一直是煤礦工業(yè)急需解決的難題[1]。由于大部分埋深淺的煤炭資源已經(jīng)接近枯竭，導(dǎo)致煤炭開采深度逐年增加，煤礦底板突水問題變得愈發(fā)嚴(yán)重[2]。

2011 年，中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司首次將水平定向鉆技術(shù)引入到煤層底板水害超前注漿治理中[3]。超前區(qū)域治理理念在邯邢、兩淮、黃河北等煤田煤層底板水害治理中大面積推廣應(yīng)用，并迅速發(fā)展到斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造治理，形成了集超前區(qū)域探查與面狀治理于一體的煤層底板水害超前區(qū)域治理技術(shù)[4-7]。但在工程實(shí)踐中，普遍面臨水平定向鉆孔漿液運(yùn)移規(guī)律不明、鉆遇隱伏導(dǎo)水通道判識(shí)與治理難度高等問題[8]。

因此，筆者以西卓煤礦為研究背景，針對1509 工作面受底板水害威脅嚴(yán)重的問題，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法對采場底板破壞深度進(jìn)行計(jì)算分析，確定了以K2下含水層為目標(biāo)層位進(jìn)行底板水害超前區(qū)域治理。研究方法為渭北地區(qū)煤層底板水害治理提供了新參考。

1 工程概況

西卓煤礦位于陜西省渭北石炭二疊紀(jì)煤田澄合礦區(qū)中深部，礦井設(shè)計(jì)主采煤層為4 號(hào)煤、5 號(hào)煤，其中4 號(hào)煤平均厚度為1.32 m，5 號(hào)煤平均厚度為4.90 m，煤層平均埋深550 m，礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為187.69 Mt。首盤區(qū)5 號(hào)煤的回采方法為一次采全高，全部垮落法管理頂板。礦井水文地質(zhì)類型為“復(fù)雜”型。1509工作面位于井田西南部，為5 煤首采工作面，工作面煤層底板標(biāo)高為+168～+191 m，傾角0°～8°。

2 采場底板破壞深度分析

采場底板由于受到工作面回采過程中采動(dòng)的影響而發(fā)生一定范圍的變形破壞，使得底板有效隔水帶厚度減小，當(dāng)承壓水壓力過大時(shí)，采場底板承壓導(dǎo)升帶與破壞帶相連容易引發(fā)礦井突水事故[10]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測承壓水上采場底板最大破壞深度是預(yù)防煤礦底板突水的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測底板破壞深度

澄合礦區(qū)內(nèi)礦井針對煤層底板破壞深度開展了大量的實(shí)測工作，總結(jié)出了澄合礦區(qū)底板破壞深度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[9]。

式中：H- 煤層埋深，m；Lx- 工作面傾向長度，m；α- 煤層傾角，°。

根據(jù)西卓煤礦1509 工作面礦壓規(guī)律、圍巖特性等條件。取相關(guān)力學(xué)參數(shù)：煤層埋深H=550 m；工作面傾向長度Lx=240 m；煤層傾角α=3°。將以上各參數(shù)代入到公式中可以得到西卓煤礦1509 工作面底板破壞深度為17.94 m。

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 模型建立 FLAC3D軟件在計(jì)算分析過程中使得所建模型的每個(gè)網(wǎng)格單元在給定的邊界條件下遵循規(guī)定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系模型。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對西卓煤礦1509 工作面底板破壞特征進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。模型設(shè)計(jì)為300 m(X 軸)×100 m(Y 軸)×120 m(Z 軸)，采用Mohr-Coulomb 模型，開啟大應(yīng)變模式。模型上表面采用應(yīng)力邊界條件，上表面按上覆巖層的自重計(jì)算，施加相對應(yīng)的垂直應(yīng)力12.65 MPa，水平應(yīng)力13.92 MPa。煤層頂?shù)装鍘r性及力學(xué)參數(shù)以井田勘探孔數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.2.2 結(jié)果分析 隨著工作面的推進(jìn)，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，底板發(fā)生塑性破壞變形。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件可以分析得到西卓煤礦1509 工作面回采過程中采場底板巖體破壞特征。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，數(shù)值模擬得到采場底板在靠近工作面邊緣彈塑性交界處破壞深度最大，達(dá)到16.8 m，破壞形式主要為剪切破壞。位于采空區(qū)卸壓區(qū)段，采場底板破壞深度較小，破壞形式主要為剪切破壞及拉伸破壞。

綜上分析可得，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的西卓煤礦1509 工作面底板破壞深度為17.94 m；通過數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果為16.8 m。兩者結(jié)果比較接近，絕對誤差為1.14 m，相對誤差為6.35%。因此，為了安全起見，取底板破壞深度為17.94 m。

3 底板水害超前區(qū)域治理分析

3.1 治理必要性分析

西卓煤礦1509 工作面主要受底板K2和奧灰含水層的威脅。K2灰?guī)r含水層發(fā)育較穩(wěn)定，一般厚度8 m，分K2上層和K2下層。煤層底板距離K2含水層頂面一般為17～19 m。K2含水層裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)，接受下部強(qiáng)富水奧灰垂向和側(cè)向補(bǔ)給，且上層位于底板破壞深度范圍內(nèi)，為工作面直接充水水源，對工作面回采威脅較大。通過對底板K2下含水層進(jìn)行注漿改造，探查含水層裂隙及垂向?qū)ǖ溃{加固底板隔水層薄弱帶，切斷奧灰垂向補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)工作面的安全回采。

3.2 鉆探工程

3.2.1 鉆孔布設(shè) 本次采用梳狀和扇骨狀布孔為主，總體布設(shè)3 個(gè)孔組，孔間距設(shè)計(jì)為60 m，底板水害超前區(qū)域治理鉆孔布設(shè)平面如圖1 所示。

圖1 區(qū)域鉆孔布設(shè)平面圖

3.2.2 鉆探工藝 地面定向鉆孔結(jié)構(gòu)為：一開孔徑φ311.15 mm，一開套管為φ244.5×8.94 mm，進(jìn)入基巖層10 m 后一開完鉆。二開孔徑φ215.9 mm，二開套管為φ177.8×8.04 mm，二開完鉆要求進(jìn)入目標(biāo)K2下含水層頂面以下2 m。三開孔徑為φ152.4 mm，裸眼完鉆。

在施工過程中，通過巖屑、鉆時(shí)、鉆井液錄井，對整個(gè)鉆進(jìn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)按，通過多源信息對比，對鉆孔軌跡進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，有效保障鉆孔穿層率。

3.3 注漿工程

3.3.1 注漿工藝 注漿采用分段下行式注漿法，連續(xù)與間歇相結(jié)合。鉆進(jìn)過程中當(dāng)漏失量大于5 m3/h 時(shí)或者在不漏失的情況下鉆進(jìn)200 m，立即起鉆注漿。本次選用純水泥漿液注漿，漿液比重取1.1～1.5，鉆遇大型導(dǎo)水通道時(shí)，可根據(jù)情況增加粉煤灰或灌注骨料。

3.3.2 注漿壓力 不同注漿壓力直接反映地層中裂隙發(fā)育情況，西卓煤礦1509 首采工作面底板薄層灰?guī)r注漿鉆孔終孔孔壓設(shè)計(jì)10～12 MPa。本次選取D1主孔第六次注漿數(shù)據(jù)（圖2）進(jìn)行分析。

圖2 區(qū)域治理D1 主孔第六次注漿曲線圖

通過分析可以看出，在整體注漿過程中，注漿孔口“起壓”后，注漿鉆孔壓力呈現(xiàn)“階梯式”遞增趨勢，先后經(jīng)歷“微壓充填- 低壓擴(kuò)散- 中壓加固- 高壓劈裂”4 個(gè)階段。

（1） 微壓充填階段。注漿孔口壓力為0，注漿目的層發(fā)育較大原始裂隙，地層可注性極強(qiáng)，漿液主要對含水層的天然裂隙進(jìn)行充填加固。

（2） 低壓擴(kuò)散階段。注漿孔口壓力閾值為0～4 MPa，注漿目的層原始裂隙發(fā)育良好或裂隙已經(jīng)部分充填，地層可注性較好。隨著壓力不斷提升，原地層裂隙再次擴(kuò)展，漿液的擴(kuò)散距離逐漸增大，對灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固或改造。

（3） 中壓加固階段。注漿孔口壓力閾值為4～8 MPa，注漿目的層原始發(fā)育裂隙基本充填，地層可注性一般，并且隨著注漿孔口壓力的持續(xù)上升，灰?guī)r含水層進(jìn)一步被加固，改造形成隔水層。

（4） 高壓劈裂階段。注漿孔口壓力大于8 MPa，注漿目的層裂隙完全充填，灰?guī)r含水層內(nèi)發(fā)生劈裂，并形成新的充填裂縫。隨著壓力上升，充填變得密實(shí)，原始裂隙和劈裂作用形成的新裂隙已經(jīng)達(dá)到較充分的擴(kuò)散和充填。

3.4 區(qū)域治理結(jié)果分析

西卓煤礦1509 工作面底板水害超前區(qū)域治理工程D1、D2、D8 孔組累計(jì)鉆探進(jìn)尺19 971.98 m；累計(jì)注漿量24 799.05 t。

D1 孔組共發(fā)生漏失12 次，注漿24 次，累計(jì)注水泥9 418 t，其中含粉煤灰22 t，平均單米注漿量1.74 t。D2孔組共發(fā)生漏失6 次，注漿30 次，注水泥5 561 t，其中含粉煤灰155 t，平均單米注漿量0.81 t。D8 孔組共發(fā)生漏失15 次，注漿47 次，注水泥9 997.05 t，其中含粉煤灰40.05 t，平均單米注漿量1.85 t。

4 治理效果檢驗(yàn)

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》要求，西卓煤礦1509 工作面采前開展了兩次音頻電透視探測。音頻探測結(jié)果圈定出2 個(gè)探測異常區(qū)，1 號(hào)異常區(qū)在底板下17～25 m 深度有發(fā)育，推測為底板K2灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育相對富水所致；2 號(hào)異常區(qū)在底板48 m 以下深度有發(fā)育，呈條帶狀分布在工作面內(nèi)部，推測為底板奧灰?guī)r溶裂隙發(fā)育并富水所致。根據(jù)音頻電透視探測結(jié)果，對富水異常區(qū)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證和補(bǔ)充治理。累計(jì)完成鉆孔21 個(gè)，鉆探進(jìn)尺2 139 m，注水泥151.95 t。

綜上，西卓煤礦1509 工作面通過地面定向鉆探技術(shù)實(shí)現(xiàn)了底板水害超前區(qū)域治理，并在工作面回采前同時(shí)采用物探、鉆探方法進(jìn)行了效果驗(yàn)證，達(dá)到了《煤礦防治水細(xì)則》要求。

5 結(jié)論

（1） 筆者分別采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測法和數(shù)值模擬計(jì)算法對西卓煤礦1509 工作面底板破壞深度進(jìn)行分析。兩者結(jié)果比較接近，絕對誤差為1.14 m，相對誤差為6.35%。為安全起見，取底板破壞深度為17.94 m。（2） 通過對礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)進(jìn)行分析，并結(jié)合底板破壞深度，確定底板水害超前區(qū)域治理目的層位為含水層。底板水害超前區(qū)域治理工程總體布設(shè)3 個(gè)孔組，累計(jì)鉆探進(jìn)尺19 971.98 m，注漿量24

799.05 t。在整體注漿過程中，注漿孔口壓力呈現(xiàn)“階梯式”遞增趨勢，先后經(jīng)歷“微壓充填- 低壓擴(kuò)散- 中壓加固- 高壓劈裂”4 個(gè)階段。（3） 西卓煤礦1509 工作面通過地面定向鉆探技術(shù)實(shí)現(xiàn)了底板水害超前區(qū)域治理，并在工作面回采前同時(shí)采用物探、鉆探方法進(jìn)行了效果驗(yàn)證，達(dá)到了《煤礦防治水細(xì)則》要求，工作面可以進(jìn)行安全回采。