庞庞塔矿9-301工作面底板突水危险性分析及防治

陈为盛

(霍州煤电集团吕临能化有限公司 庞庞塔矿，山西 临县 033200)

庞庞塔矿隶属霍州煤电集团，位于山西省临县境内，该矿9#煤层3采区9-301工作面长度为110 m，煤厚为11.8 m，煤层平均倾角为24°，倾向为东西方向，煤层直接顶底板分别为5～7 m的泥质灰岩和1～2 m的泥岩，顶板裂隙发育程度低，底板遇水无膨胀软化现象。底板含水层为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组，单位涌水量为0.851 L/s·m，而底板距含水层的距离即隔水层为55 m，岩性为泥岩类，隔水性能较好。但9-301工作面内存在断层构造，在掘进过程中揭露9条，尤其是位于9-3011巷27#前17 m的F393正断层对回采影响较大，该断层倾向190°，倾角75°，落差4 m. 断层在回采的影响下可能会活化形成导水裂隙带引发突水。因此，需要对工作面回采进行相关计算模拟，保证工作面的安全回采。

1 突水危险性分析

1.1 突水系数计算

根据相关地质资料可知，3采区奥灰水位在+800～+825 m，而工作面标高在+703～+851 m，由此可以看出该工作面部分区域在奥灰水位之下，水压最大为1.77 MPa. 9#煤层与奥灰水之间隔水层厚度约为55 m，根据2018版《煤矿防治水细则》中突水系数计算公式T=P/M，式中P代表奥灰水压，M代表隔水层厚度，计算得到该工作面突水系数为0.032 MPa/m.

2018版《煤矿防治水细则》规定：底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m，可以带压开采。由此可以得出该工作面为带压开采，但不能确定断层对回采期间影响情况，为此需对该工作面进行数值模拟。

1.2 数值模拟

为了探究9-301工作面开采过程中底板突水危险性以及可能发生的底板破坏情况，采用FLAC3D软件进行开采模拟。模拟采用本构模型，采用空间三维直角坐标系，上下左右边界均施加自由约束，上部载荷为15 MPa，底部水压采用实际水压1.77 MPa，模型整体尺寸为300 m×200 m×110 m，断层所在坐标为X=120 m，建立模型见图1,相关力学参数见表1.

图1 模型图

表1 模型力学参数表

1.3 计算设置及结果分析

该次模拟主要是对回采期间工作面巷道垂直方向受力情况进行分析，得出断层对回采的影响。模拟过程初次开挖为20 m，随后每隔30 m进行记录。断层对巷道的影响大小用底板垂直应力大小进行评判，该方法是通过有限元计算得出每一点应力大小，并根据其状态判断该处是否发生破坏。为了得出其应力分布规律，选择在巷道顶板上方30 m和底板下方30 m之间布置测点，对应力进行记录。

开挖前模型进行迭代模拟，不同开挖步距垂直应力图见图2，从图2可以看出：煤层刚开始推进时对岩层的扰动较大，在断层附近出现应力集中现象，竖向应力最大值为15.8 MPa. 当工作面推进20 m时，推进两端竖向应力为9～13 MPa，在断层面上有较大的应力集中，产生导水裂隙，形成薄弱面。推进50 m时，岩层应力趋于稳定，推进两端竖向应力为12～14.6 MPa；推进80 m时，岩层应力稳定，推进两端竖向应力为14～17.4 MPa；推进110 m时，推进两端竖向应力为15～18 MPa. 由此可见，随着开采的逐步推进，竖向应力最大值始终位于已采煤层的两端，且距离断层越近竖向应力越大。

图2 不同开挖步距垂直应力图

1.4 采动后位移分析

该次模拟从采动后巷道位移变化情况进行分析，记录不同开挖步距下巷道位移变化情况，得出位移变化云图，见图3.

图3 巷道底板破坏位移云图

由图3可以发现，煤层开采后岩体受到采动矿压发生剪切破坏，原岩应力被破坏；推进20 m后，底板塑性破坏深度达到4.7 m，底板位移变化量为1.83 cm，表明此阶段回采产生的应力集中程度较低；在推进50 m之后，底板破坏深度增长迅速，表明此阶段内应力集中化程度迅速提高，破坏深度达到了13.4 m；在推进80 m后，底板破坏深度增长速度变缓，但其破坏深度也增长至19.6 m；在推进110 m后，底板破坏深度增长至峰值为23.2 m，从上述数据可以看出底板在回采及断层带影响下产生裂隙，最大深度为23.21 m，对工作面安全回采造成了影响。

模拟结果表明，在工作面掘进过程中，逐渐靠近断层，巷道垂直应力的增大，应力区域也随着开采的进行而扩大，整个过程中9301工作面内垂直应力波动较大，且工作面前方应力不断集中；工作面回采以及断层的存在导致底板产生裂隙带，当回采至110 m附近时，距离断层最近，底板破坏范围达到峰值。因此，在工作面开采的过程当中，要加强煤层底板的抗压强度，避免底板破坏范围增大。

2 防治方案选择

2.1 底板注浆

通常防治水治理措施有疏水降压和对底板进行改造，结合现场地质条件以及相关经验可知，对底板奥灰水进行疏水降压在经济和技术上难以实现，采用底板注浆方案对该工作面进行注浆支护，底板可以分为底板破坏层、加固层以及改造层，通过打钻孔对改造层进行注浆，并形成加固层，最终保证底板破坏层的稳定，底板注浆加固支护图见图4.

图4 底板注浆示意图

2.2 工程实践

根据数值模拟结果发现工作面推进过程中底板破坏深度在110 m左右达到峰值23.21 m，为了保障注浆的有效性，注浆终孔层位设置在煤层底板下方30 m即铝土质泥岩层位。对9-301工作面进行注浆改造，为使注浆浆液在改造区内均匀分布，对导水裂隙进行有效封堵，钻孔布置采用网格法。在该工作面运输顺槽布置16个钻场，回风顺槽布置了14个钻场，左右间距为58 m，上下间距为33 m，共计30个，最终布置钻孔为210个，注浆压力为15 MPa，注浆材料选用水泥和粉煤灰，根据模拟结果，确定注浆浆液扩散半径为25～30 m，注浆钻孔d75 mm，每个钻孔下布置二级套管，终孔在铝土质泥岩层位，底板隔水层注浆加固共施工钻孔3 153 m，共注水泥浆2 000余t，粉煤灰等3 000余t，钻孔布置见图5，其中工作面底板柱状图见图6.

图5 底板注浆加固钻孔布置示意图

图6 工作面底板柱状图

2.3 钻探验证

施工完成后采用钻探进行验证，交叉布置在9-301工作面风巷以及运输巷，共布置5个45 m深的验证钻孔，检验期间对涌水量进行了统计，1#检验钻孔涌水量1.7 m3/h，2#检验钻孔涌水量3.3 m3/h，3#检验钻孔涌水量3.5 m3/h，4#检验钻孔涌水量4.1 m3/h，5#检验钻孔涌水量6.9 m3/h.

由统计结果可以看出，检验钻孔最大涌水量为6.9 m3/h，各个钻孔涌水量均小于10 m3/h，说明底板注浆加固可以有效地加强底板隔水性能，保证安全回采。

3 总 结

1) 庞庞塔矿9-301工作面采区奥灰水水位标高+800～+825 m，工作面最低标高为+703 m，经计算得出其突水系数为0.032 MPa/m，为带压开采。

2) 模拟结果表明，工作面回采导致了底板应力的不断增大，且工作面前方应力不断集中，造成了前方底板的破坏，当回采至110 m附近时，距离断层最近，底板塑性破坏深度达到峰值。

3) 采用底板注浆加固方案，底板隔水层注浆加固共施工钻孔3 153 m，经验证发现各个验证钻孔涌水量均小于10 m3/h，保证了工作面的安全回采。