承压工作面奥灰水破坏深度测试与模拟研究

赵 剑

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿山西吕梁033200）

关键字：地质；承压；底板；破坏；模拟

0 引言

辛置煤矿位于山西省山西省临汾市北缘，处于霍西煤田中部，井田北与曹庄矿相邻，南部至南部边界断层，西部以河底断层、赤峪断层为界[1-2]，东至11#号煤层基岩露头线，矿井面积为59 km2，生产核定能力280万吨/年。目前有三个水平+540 m、+450 m,+310 m 和两个生产采区，开采煤层有2#、10#、11#煤，其中东四采区现开采太原组10#煤层，下一步还将开采11#煤层，两煤层位于太原组K2 灰岩和奥陶系灰岩含水层之间，10#煤层与11#煤层间距在10 m 左右，11#煤层距下伏奥陶系灰岩20 m 左右，两层煤层埋深均在奥灰静水位线+520 m左右以下，为带压开采。

1 矿井水文地质条件

矿区内地层由老至新有古生界奥陶系、石炭系、二叠系及新生界第三系、第四系。构造发育，正断层十分发育是本井田的重要地质构造特征，井田内部陷落柱也较为发育。主要的含水层有第四系松散层孔隙含水层组、第三系泥灰岩含水层组、二叠系砂岩孔隙裂隙含水层、石炭系上统太原组薄层灰岩岩溶裂隙含水层组和奥陶系中统岩溶裂隙含水层[3-4]。其中：下石盒子组砂岩孔隙裂隙水为矿井开采的直接充水水源，奥灰含水层是矿井的突水水源的重点。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层厚度大，补给条件好，富水性强，本溪组为下组煤的底板，厚度14.4 m～21.94 m。奥灰水压力水头较高，煤层底板处承受水压最大可达2.3 MPa，开采11#煤时，煤层底板距奥灰含水层距离约为20 m，奥灰水将成为主要的底板突水威胁。

图1 主要煤层与上、下含水层位置关系示意图

2 采动条件下东四采区10#煤层底板破坏深度测试

2.1 测试工作面概况

10-409 工作面位于东四采区+540 水平，地面标高+723 m～+790 m，工作面标高+416 m～+448 m，走向长1 002 m，倾斜长180 m。煤层平均厚度2.63 m，倾角6°。工作面北部为10-407 工作面采空区，西至皮带、轨道巷，南为10-411 工作面掘进巷道，见图2，临近工作面之间留设30 m宽煤柱。

图2 测试工作面示意图

工作面直接顶为9#煤和1.8 m厚的黑色、薄层状泥岩；老顶为K2 灰岩，深灰色，致密坚硬，厚度为8.5 m；直接底为砂质泥岩，厚度为1.5 m，老底为厚度为5.5 m的中砂岩，单轴抗压强度大于40 MPa，底板岩层较硬。工作面内部发育有3个陷落柱，揭露断层有5条，落差均小于2 m，对工作面有一定影响。

2.2 测试过程

钻窝位置位于10-4112 巷，距巷道口410 m，钻窝长×宽×高=5 m×5 m×5 m。钻进191.64 m，完成底板破裂深度测试钻孔3 个。钻窝布置和钻孔平剖面如图3中所示。

图3 钻窝布置和钻孔平剖面图

钻探设备：选用IIIA型钻机，KBY双液注浆泵及其相应配套设备。

钻具组合：采用φ50内丝钻杆，加设防斜扶正器，并能保持足够的钻压，不同规格的钻头采用不同的钻具进行组合。

钻进方法：3#、4#、5#钻孔采用无岩芯钻头钻进。

2.3 采动破坏深度确定

10-409 工作面布置底板破裂深度测试钻孔3 个，其中3#孔长度为13.92 m，单栓塞压水试验结果为7.51 m～12.37 m，3#孔双栓塞压水试验结果为8.98 m～9.03 m、9.96 m～10 m、10.94 m～11 m，4#孔测试段长度为8.72 m，单栓塞压水试验结果为12.4 m～14.43 m。结合压水试验和渗透系数公式计算（α取1.1）可知10-409工作面的采动破裂深度在8.98 m～9 m处，详见表1。

表1 测试段渗透系数

3 10#煤开采底板破坏深度模拟分析

3.1 模型建立

结合围岩岩体参数表2，建立模型，设计模拟采动方向共200 m，工作面宽度180 m，工作面顶板120 m，其余上覆地层按照荷载施加，工作面底板模拟厚度约40 m。X 轴、Y 轴和Z 的下底界面均设置为位移边界，顶界面设置为应力边界，垂直界面、底界面设置为滚动界面，X 方向200 m，60 个单元；Y 方向180 m，50 个单元，数值模型见图4。

图4 地质模型图

表2 模型岩体参数

3.2 开挖过程结果分析

在开挖中，设置开挖距离为120 m，从X 方向的-60 m～60 m。每天开挖5 m，开挖后计算150步，进行开挖模拟，开挖时垂向应力分布规律如下:

图5 开挖后Z=-9平面垂向应力分布图

从图中可以看出，在工作面推进过程中垂向应力的重分布区域为（从工作面推进方向）：1 应力释放区—2应力集中区—3应力降低区。其中1应力释放区是由于采动后，顶板岩层虽然有一些会跨落下来，有一定得压力，但是在这一时间段内，应力依然保持降低。2应力集中区，由于前方煤层没有开采，后方以及回采，所以在掘进头处垂向应力集中，区域宽度约为30 m。3 应力降低区是由于中部形成应力集中区域，为应力降低区域宽度约为50 m。从图b 和图c 中X 方向和Y方向的应力在采空区范围均出现降低，对于采空区两侧则是逐渐增大。

3.3 煤层采动底板影响深度

图6 开挖后Z=0平面以下煤层破裂图

在矿井开采中虽然侧向压力较大，但是对煤层破裂起到控制左右的应力主要仍然是垂向应力，从图中可以看出底板破裂深度发育深度为8.7 m，与工作面底板破裂深度9 m相接近，现该工作面已安全回采，说明10-409 工作面底板奥灰承压含水层破裂模拟具有一定的理论和现实意义[5-6]。

4 构造带对底板破坏性特征及临界突水系数分析

4.1 构造带对底板破坏性特征分析

东四采区底板以砂岩为主，岩层阻隔水能力较强，奥陶系灰岩岩溶溶蚀性较弱，埋深较深基本上处于奥灰补给区域，而补给区域奥陶系灰岩的渗透性较弱，鉴于测试工作面断层、陷落柱比较发育，并受到新构造运动的影响，如果造成奥灰含水层与太灰含水层对接，甚至与开采煤层对接，可能由于重新活动而导水，因此可以判断以测试工作面为代表的东四采区底板含水层突水最主要影响因素就是地质构造。

4.2 临界突水系数

测试工作面10#煤下距奥灰水含水层28.9 m，带压水2.3 MPa，按照《煤矿防治水规定》，采用突水系数法评价公式，式中：h1－矿压破坏隔水层厚度（m），M－隔水层厚度（m）,P－隔水层底板承受的水压（MPa）。

底板岩层采动破坏深度按照计算，T=0.07 96 MPa/m，均小于无构造地段的临界突水0.06 MPa/m，一般情况下是安全的。若底板破坏深度内岩层不按隔水层考虑，综合底板影响带受采动影响极小情况，取底板破坏深度为9 m，则M=19.9 m，T=0.115 MPa/m，故测试工作面底板破坏深度的突水系数大于《煤矿防治水规定》的一般情况下的临界突水系数。东四采区10#煤层底板结构相同，测试工作面的地质特征基本代表了东四采区的情况，在没有本区更多的突水材料时，测试工作面所处东四采区最小临界突水系数可表述为Ts≥0.115 MPa/m。

5 底板破坏防治主要技术措施

5.1 补充勘探

矿井自普查以来虽已作过一定的地质和水文地质工作，对井田的地质条件已基本查明，但是前期未进行过专门矿井水文地质勘探工作，现有资料远不能满足矿井防治水的要求，必须进行水文地质补充勘探，通过钻探和物探等技术手段重点对主采煤层威胁最严重的K2薄层灰岩和奥陶系灰岩充水含水层进行勘探。

5.2 进行隔水层加固与含水层改造

为防止奥陶系灰岩裂隙水突入矿井，在探查工程实施完成后，采用含水层改造技术可有效地加厚、加固煤层底板隔水层或构造断裂等技术，针对奥陶系灰岩导升高度较高的区域进行实施注浆改造，以加厚奥陶系灰岩的隔水层，实现煤层底板隔水层的连续性和整体性，以提高对奥陶系灰岩水的阻抗能力，为安全开采创造有利条件。

5.3 加强矿井防排水系统建设

奥灰水位高于所采煤层标高，奥灰水有可能通过陷落柱、断层和裂隙密集带等地质异常体涌入矿井，造成底板突水。按照煤矿安全规程的要求进一步核定矿井排水能力，对矿井防排水系统进行规划，配置排水设施，完善与维护避灾系统，对放水闸门及其替代技术进行水害范围控制，加强煤层底板突水动态预测预报等手段，以保证煤矿安全生产。

6 结论

（1）辛置煤矿东四采区10-409工作面底板岩层采动破裂深度在9 m，与软件模拟得出的破裂深度在8.7 m，结果一致。

（2）东四采区在没有更多突水资料情况下，最小临界突水系数为Ts≥0.115 MPa/m，底板含水层突水最主要影响因素就是地质构造。

（3）10#煤层在一般开采条件下，是安全的。煤层底板奥灰含水层顶部有7.5 m～8.5 m厚度的不含水层，可作为相对隔水层，奥灰水突水机理为存在构造形成突水通道或是底部奥灰含水层导升高度减小隔水层厚度。