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煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 1工程概况 山西霍州煤电木瓜煤矿位于方山县大武镇木瓜 村南部， 井田面积 10.63km2， 井田可采煤层共 6 层， 分 别为 2、 3、 4、 4下、 9、 10 （910 ） 号煤层， 现阶段 9 煤层 已采掘殆尽， 10 煤层即将进入回采阶段，位于太原 组下部， 煤层厚度 1.20～6.52m， 平均 3.27m， 10- 100 工作面位于井田南部一采区准备巷道左翼， 为 10 煤 层的首采工作面， 工作面上部 9 煤层未采掘， 10- 100 工作面回采巷道及切眼沿 10 煤顶板施工。 10 煤层 下部主要含水层为奥陶系灰岩含水层， 10 煤层与下 部主要含水层平均距离 62m， 木瓜煤矿最新奥灰水位 标高为 1195m， 10 煤层底板标高 8951020m， 10 煤层采煤工作面为带压开采，为实现木瓜煤矿 10 煤层采煤工作面的安全回采展开相关研究。 210- 100 工作面带压开采安全性评价 1 ）奥陶系含水层情况。奥陶系岩溶裂隙含水岩 组 （O2s ） 岩性主要为灰岩， 岩溶裂隙较为发育， 据井田 内水文孔抽水试验表明，奥灰水位静止标高在为 1195m， 其单位涌水量为 0.0895L/s m， 该含水岩组 在任家村北部山坡露头处接受大气降水的补给， 沿倾 向向深部迳流， 在汾河河床一带排泄。 2 ）主要隔水层。石炭系本溪组隔水岩组 （C2b ） 岩 性主要为泥岩、 炭质泥岩， 厚度 52.6074.70m， 平均厚 度 62m， 总体来讲为主要可采煤层与下伏奥陶系岩溶 裂隙含水岩组的良好的隔水层， 使奥灰水不能直接与 上覆含水岩组连通。 3 ）带压开采突水系数计算。木瓜煤矿最新奥灰 水位标高为 1195m， 10- 100 工作面底板标高最低为 945m， 低于奥灰水位标高 250m， 为具体分析 10 煤 层 10- 100 首采工作面带压开采的可行性， 采用 “下三 带” 理论[12]， 理论分析计算工作面回采期间， 底板隔水 层能够承受的安全水压 P （Ccotφγh1） e 2h2tanφ KL - Ccotφ （H- h3）（1 ） 式中 P 为极限水压， MPa； C 为底板隔水层平均 内聚力， MPa;L 为工作面最大空顶距， m； φ 为底板隔 水层平均内摩擦角， ； γ 为底板岩体容重， kN/m3； K 为安全系数， 1;h1为采动影响下底板塑性破坏深度， m； h2为有效隔水层厚度， m； h3为导升带高度， m。 依据矿方提供的相关地质资料， 10- 100 工作面 与底板奥灰水间岩层的内聚力 C1.89MPa，内摩擦 φ36， 工作面最大空顶距 L95m， 岩体容重 γ34.8 木瓜煤矿 10 煤层带压开采技术研究与应用 荀 庭 龙 （霍州煤电集团 ，山西 霍州 031400 ） 摘要 为解决木瓜煤矿 10 煤层带压开采的问题， 以 10-100 首采工作面为背景， 综合运用理论分 析、 数值模拟及现场探测等方法， 探讨工作面带压开采的安全性， 验证采用底板注浆加固措施的可行 性， 设计具体的注浆方案， 工程应用期间通过现场探测验证应用效果， 成功实现了 10 煤层的带压开 采， 对类似地质条件下工作面的安全开采具有重要借鉴意义。 关键词 带压开采 ； 数值模拟 ； 注浆加固 ； 瞬变电磁法 中图分类号 TD745文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0066-03 Research and Application of Mining 10 Coal Seam Under Pressure Mining Technology XUN Tinglong （Huozhou coal Power Group , Huozhou 031400 ， China ） Abstract In order to solve the problem of pressure mining in the 10 coal seam of Mugua Coal Mine, taking the 10-100 first mining face as a background, comprehensively using theoretical analysis, numerical simulation and on-site detection, etc. to discuss the safety of min- ing under pressure and verify the use of the bottom The feasibility of grouting reinforcement measures, designing a specific grouting plan, and verifying the application effect through on-site detection during engineering application, successfully realized the pressure mining of 10 coal seam, which has important reference significance for the safe mining of working face under similar geological conditions . Keywords Mining under pressure ; numerical simulation ; grouting reinforcement ; transient electromagnetic 66 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 kN/m3， 安全系数 K 取 2， 底板破坏深度 h127.5m， 导 升带高度 h34.2m， 隔水层总厚度 H62m， 有效隔水 层厚度 h2H- h1- h362m- 4.2m- 27.5m30.3m 将以上 参数代入式 （1 ） 计算可得， 10- 100 工作面底板隔水 层能够承受的极限水压为 1.63MPa，工作面底板奥 灰水最大压力达到 2.5MPa，由此说明， 10- 100 工作 面回采期间底板存在突水的危险。 3底板注浆加固可行性研究 为确保木瓜煤矿 10- 100 工作面的安全生产， 提 出采用底板注浆加固的措施来防治底板突水事故的 发生， 为掌握注浆加固对于底板隔水层的加固效果， 采用 FLAC3D 软件井下模拟研究[34]。工作面沿 X 轴 方向推进， 模型 Y 轴方向为工作面长度方向， 模型 Z 轴方向高度为 100m， 模型尺寸长、 宽、 高为 350m、 240m、 90m， 三维数值模型详见图 2 （a ） 。 10- 100 工作 面长度为 160m，工作面两侧距模型边界各 40m， 共 推进 200m， 模型底面为固定边界， 前后、 左右边界面 施加水平位移约束，模型顶面为自由边界，施加 6.25MPa 应力载荷，模型边界条件及模拟开挖情况 如图 1 （b ） 所示。 a三维数值模型 b模拟方案及边界条件示意图 图 1数值模拟方案 首先使模型计算平衡得到初始地应力场， 之后进 行 10- 100 工作面的回采， 模拟底板注浆加固时， 注浆 深度为 62m， 浆液采用 425 普通硅酸盐水泥， 根据李 召峰等人的研究成果，注浆后岩层的强度提高 1 倍， 据此调整底板隔水层的物理力学参数， 沿工作面推进 方向取剖面， 观察底板隔水层的塑性破坏情况， 整理 得到图 2 所示的结果。 a未注浆工作面顶底板b注浆后工作面顶底板 塑性区分布塑性区分布 c未注浆底板破坏深度d注浆后底板破坏深度 变化规律变化规律图 图 2数值模拟结果 图 2 （a ） 和 （b ） 分别底板注浆前后工作面围岩塑 性区分布模拟结果， 由图 2 （a ） 可以看出， 工作面前后 边界附近底板塑性破坏深度最大， 结合图 2 （c ） 所示 底板破坏深度变化规律，工作面由 0m 回采至 120m 期间， 底板塑性破坏深度不断增大， 最大破坏深度达 到 27.5m。 由图 2 （b ） 所示结果可以看出， 对比注浆前， 底板塑性破坏深度和范围显著减小， 底板的塑性破坏 呈现明显的周期规律性， 结合图 2d ） 所示的统计结 果， 工作面推进距离由 0m 增大至 50m 期间， 底板的 塑性破坏深度不断增大，最大破坏深度达到 10.5m， 显著小于注浆前。注浆后底板破坏深度减小为 10.5m， 通过式 （1 ） 计算可得， 底板隔水层能够承受的 极限水压 P3.58MPa， 奥灰水最大带压为 2.5MPa， 承 压水实际压力小于极限水压， 由此可认定奥灰含水层 突水的危险性解除。综上可知， 底板注浆加固可减小 底板塑性破坏的深度和范围， 能够实现木瓜煤矿 10 煤层的带压开采。 4底板注浆改造工程应用 4.1底板注浆方案 底板注浆加固的原理是通过浆液封堵导水裂隙， 注浆改良底板隔水层的力学特性， 增大有效隔水层的 厚度， 木瓜煤矿 10 煤层下方主要含水层为 L6L8灰 岩， 是工作面主要突水水源， 因此设计注浆钻孔的终 孔层位为 L6灰岩。 在对木瓜煤矿 10- 100 工作面底板 进行注浆前， 首先通过瞬变电磁法探测底板富水异常 区 [5]，对于重点区域增加注浆钻孔的密度和注浆量。 10- 100 工作面总长度约 1300m，两侧回采巷道内各 67 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 布置 10 个钻场， 钻场间距 120m， 结合瞬变电磁圈定 的富水异常区， 设计各个钻场内钻孔的布置， 共设计 238 个钻孔， 钻孔的布置详情如图 3 所示。 a工作面前半部 （b） 工作面中部 （c ） 工作面后半部 图 3底板注浆钻孔布置平面图 钻孔采用直径 133mm 和 78mm 的钻头钻进， 钻 机采用 ZDY3200S 全液压钻机，钻孔长度大多在 100160m之间。本次底板注浆材料选用 425 硅酸盐 水泥， 添加剂为水玻璃， 浆液水灰比为 1.6， 注浆压力 35MPa， 每个注浆孔注浆量在 2030m3。 4.2注浆效果分析 采用瞬变电磁法进行现场探测， 整理得到底板注 浆前后富水异常区的圈定结果如图 4 所示。由图 4 （a ） 所示结果可以看出， 底板注浆前， 10- 100 工作面 范围内存在 5 个 A 级低阻异常区和 9 个 B 级低阻异 常区， A 级低阻异常区表明底板岩层富水性较强， B 级低阻异常区表明底板岩层富水性较弱，由此说明， 注浆加固前， 底板岩层多处富水性较强， 工作面带压 开采存在突水的危险； 由图 4 （b ） 所示结果可以看出， 底板注浆后， 10- 100 工作面范围内存在 1 个 A 级低 阻异常区和 2 个 B 级低阻异常区，底板岩层富水性 明显减弱。 对复探的 3 个低阻异常区可通过补打钻孔 注浆进行治理。 综上可知， 通过底板注浆加固， 能够实 现 10- 100 工作面的安全带压开采。 a注浆前 b注浆后 图 4注浆前后底板富水异常区分布 5结论和建议 1 ）根据木瓜煤矿 10 煤层的水文地质条件， 采 用极限水压理论计算得到 10- 100 工作面底板隔水层 极限水压为 1.63MPa，底板奥灰水最大水压为 2.5MPa， 工作面底板存在突水的可能。 2 ） 采用 FLAC3D 数值软件模拟分析表明， 10- 100 工作面回采期间底板塑性破坏深度为 27.5m， 注浆后底板塑性破坏深度减小为 10.5m， 底板隔水层 能够承受的极限水压 P3.58MPa， 验证了通过底板注 浆加固能够消除奥灰水的威胁。 3 ）设计具体的底板注浆加固方案，通过瞬变电 磁法检验加固效果， 注浆后， 10- 100 工作面范围内底 板富水性显著减弱， 通过底板注浆保障了工作面的安 全带压开采， 取得良好的应用效果。 参考文献 [1] 郭瑞睿.潞安矿区司马煤矿 15 号煤层带压开采分区划分 [J].山西煤炭,2020,40 （01） 86- 90. [2] 张嘉耀. 榆树坡煤矿 5 号煤带压开采可行性及安全性评 价[J].江西化工,2020 （01） 290- 292. [3] 郑宏旭.辛置煤矿 10- 425 带压工作面膏体充填开采技术 应用研究[J].山东煤炭科技,2020 （01） 84- 86. [4] 牟义. 综采工作面带压区域电磁波 CT 探测小构造技术 [J].煤矿安全,2019,50 （12） 69- 75. [5] 张小波.带压开采对采场底板的破坏规律研究[J].同煤科 技,2019 （06） 15- 17. 作者简介 荀庭龙 （1989-） ， 男， 山西省霍州市人， 2009 年 7 月毕业 于阳泉职业技术学院， 助理工程师， 现从事工作 霍州煤电集 团办公室督查科科员。 （收稿日期 2020- 5- 6） 68 ChaoXing
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