干河煤矿2-126 工作面异常涌水原因及防治技术研究

王志超

（霍州煤电集团有限责任公司霍宝干河煤矿，山西 临汾 041602）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电霍宝干河煤矿2-126 工作面井下位于2#煤层二采区东南部，南部为井田边界，西侧邻近2-128 工作面（未采掘），北部为二采区回采大巷。工作面煤层均厚3.78 m，煤层倾角7°～11°，工作面相对地面位置为霍州市西北部山梁、沟谷一带，可采走向长665 m，可采倾向长193 m，地面标高1130～1210 m，施工巷道标高535～570 m，区域内没有水体及建筑物对施工影响。工作面呈一走向SW、倾向NW 的单斜构造。2-126 工作面推采期间揭露断层3 条，工作面节理发育，主节理走向SW51°，次节理走向NW39°。两侧回采巷道沿2#煤层走向布置，工作面切巷长216 m。采用一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤。

2 工作面水文地质情况分析

2-126 工作面回采过程中预计影响工作面主要水源为山西组上部砂岩含水层，富水性不均一，为弱含水层；底板主要含水层为石炭系上统太原组K2 灰岩和奥陶系中统峰峰组O2灰岩，2#煤层与石炭系上统太原组K2之间的隔水层平均厚度64.03 m，与奥陶系O2石灰岩之间隔水岩层平均厚度118 m。工作面底板标高为+515～+547 m，计算得出石炭系上统太原组K2 带压3.13～3.45 MPa，奥陶系中统峰峰组O2带压3.72～4.05 MPa。

底板突水系数计算：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层的水头压力，MPa（水位标高K2 采用860 m、水头压力采用3.45 MPa，水位标高O2采用920 m、水头压力采用4.05 MPa）；M为底板隔水层厚度，m。

由此得到太原组K2 突水系数为0.054 MPa/m，峰峰组O2突水系数为0.034 MPa/m，均小于规范要求的临界值0.06 MPa/m。2#煤层开采通常情况下不会引起太灰水、奥灰水涌入工作面，但2-126 工作面回采初期，采空区及工作面产生了大量的涌水。对2-126 工作面地质情况进行勘探，根据对涌水水源分析，底板涌水来自太灰、奥灰混合型水源。根据现场三维地震地勘分析报告并结合工作面回采前的槽波地震勘探结果（图1a），确定工作面底板内存在本溪组隔水层破碎区，破碎区水平投影呈椭圆形分布，如图1（b）～（c），破碎带可能使得奥灰水与太原组K2 灰岩水导通，进入回采工作面。

图1 底板破碎带示意图

3 底板采动变形破坏规律研究

根据国内相关研究表明[1-2]，工作面回采将引起底板岩体受到一定程度的破坏，底板岩层的渗透性将发生变化，当底板隔水层渗透性全部变化时，承压含水层水将涌入回采工作面及采空区。为探究2-126工作面底板破碎区对底板涌水可能性的影响，结合FLAC3D数值模拟软件建立数值模型。根据2-126 工作面地质条件及开采参数，建立煤层上方覆岩厚度11 m，煤层厚度取4.0 m，煤层底板岩层厚度118 m，模型总宽度为250 m，切眼设置在距模型左边界30 m 处，埋深取500 m，顶面施加12.5 MPa 均布载荷。依据三维地震地勘结果建立底板破碎带模型，破碎带为椭球型，底部边长140 m，高度为84 m，顶部距离煤层底面34 m，岩体采用摩尔-库伦准则进行计算，完整底板条件下及底板含有破碎带条件下数值模型如图2。

图2 数值模型及边界条件示意图（m）

工作面每开挖5 m 进行一次计算，计算平衡后查看沿工作面推进方向底板岩层的塑性区分布。当开挖190 m 时底板岩层破坏情况如图3（a），底板破坏最大深度随工作面推进距离的变化如图3（b）。采煤工作面开挖后，底板一定深度范围内的岩层发生塑性破坏，破坏深度在原开切眼处及工作面正下方附近较大，而中部较浅，整体形状类似倒马鞍形，由此说明采空区深部边缘附近及工作面附近最易发生底板突水事故。结合图3（b）可知，底板塑性破坏最大深度与工作面开采距离呈正相关，工作面推进至110 m 时，底板最大破坏深度达到18.5 m，工作面推进距离继续增大但底板破坏最大深度并未增加，表明底板岩层最大破坏深度为18.5 m。

图3 常规底板条件下底板塑性破坏模拟结果

底板含有破碎区情况下，工作面回采120 m 底板塑性破坏情况如图4（a），工作面回采40 m、80 m、120 m 条件下底板塑性破坏区及破碎带塑性破坏区边界线如图4（b）。

图4 底板含破碎带条件下底板塑性破坏模拟结果

由图4 可知，工作面回采40 m 时，底板岩层破坏深度10.5 m；回采80 m 时，底板岩层破坏深度18.0 m，同时底板破碎带顶部岩层开始发生塑性破坏，破坏高度达到4.0 m，两个塑性破坏区域未贯通底板岩层；工作面回采120 m，底板塑性破坏深度最大值达到26 m，同时塑性破坏带顶部塑性破坏高度达到8.0 m，底板塑性区与破碎带顶部相互连通。综上可知，由于2-126 工作面底板破碎带的影响，工作面开采期间底板塑性破坏深度增大，且破碎带顶部区域岩层发生塑性破坏，导致工作面与下部承压含水层导通，从而引起采空区及工作面出现大量涌水现象。

4 底板隔水层注浆改造方案及应用效果

根据前文研究结论可知，干河煤矿2-126 工作面底板导水通道位于破碎带区域，为减小采空区涌水量、实现保水开采，设计对底板进行原位注浆改造，增加底板的阻隔水性能[3-4]。2#煤层距奥灰含水层顶部平均距离为118 m，根据地层岩性特征，将注浆层位确定为本溪组上部的灰岩岩层。该岩层厚度为10.65～16.34 m，距奥灰含水层顶面约30 m，距煤层底板约88 m。注浆钻孔沿着岩层走向钻进，注浆材料为水泥和黏土，水泥与黏土的质量比为1:1，浆液水灰比为5.5:1。注浆泵站设计在地面2#井场，设计1 个垂直主孔及3 个水平支孔，水平孔注浆区域间距50 m。首先通过中部的2-1#水平支孔进行注浆作业，注浆终压8 MPa，之后再根据现场实际情况进行2-2#、2-3#水平注浆孔的施工。注浆孔布置详情如图5。

图5 底板注浆钻孔布置示意图

注浆加固前2-126 工作面涌水量稳定在120～150 m3/h，2-1#钻孔开始注浆后，涌水量开始显著下降，注浆约16 d 后，涌水量减小约65 m3/h；2-2#钻孔开始注浆后，涌水量继续减小，注浆5 d 后，涌水量减小约30 m3/h，最终采空区涌水量基本稳定在45 m3/h 左右，如图6。由此表明，底板隔水层原位注浆改造工程使2-126 工作面采空区涌水量显著减小，实现了对底板奥灰含水层保护的目的，为2#煤层后续工作面带压开采提供宝贵实践经验。

图6 2-126 工作面采空区涌水量变化规律

5 结论与建议

结合三维地震勘探结果分析2-126 工作面底板破碎带具体赋存特征，通过数值模拟研究，分析确定正常底板条件下工作面回采底板塑性破坏最大深度为18.5 m，底板存在塑性破坏带条件下工作面回采引起采空区与底板破碎带连通形成导水通道，这正是2-126工作面开采期间采空区大量涌水的原因。设计对本溪组上部的灰岩岩层进行注浆改造，注浆后采空区涌水量减小约95 m3/h，底板隔水性能显著提升，实现了工作面的带压保水开采。