煤层底板突水预测与注浆加固技术研究_李建武(1).pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1工程概况 某矿井田属于华北型石炭二叠系含煤构造， 煤系 地层为二叠系山西组，井田范围内煤层总厚为 7.30m， 二1煤层大部分可采， 其他煤层属于局部可采 或不可采煤层。可采煤层的总厚为 4.22m， 其含煤系 数 0.73。井田由下至上的地层依次为 上元古界震 旦系、 古生界寒武系、 奥陶系、 石炭系、 二叠系及第四 系。 石炭系、 奥陶系及含煤的下二叠系是可能导致煤 层底板突水的地层， 二1煤层底板含水及隔水层依次 为硅质泥岩、 L7灰岩、 砂泥岩、 L3灰岩、 铝土质泥岩及 奥陶系灰岩， 含水层主要为太原群灰岩岩溶裂隙承压 含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层， 根据矿井 勘探钻孔资料知奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层厚 度为 64.9～120m， 井田北部灰岩浅埋区及裸露区岩溶 发育， 含水性强； 太原群灰岩岩溶裂隙承压水含水层 岩性主要为硅质泥岩、 薄层灰岩、 砂岩和薄煤层组成， 总厚约为 35～56m， L7灰岩属于直接充水含水层， L1-3 灰岩属于间接充水含水层。 二1煤层至奥灰距离等值 线图如图 1 所示。 图 1二1煤层至奥陶系灰岩距离等值线图 2煤层底板突水机理研究 2.1底板突水的影响因素 煤层底板突水会受到工作面底板岩性、地质构 造、 采煤工艺及水源等因素的影响。 下面对水源、 底板 岩层组合形式及地质构造对底板突水的影响进行具 体分析。 1 ）水源。煤层底板下方的承压含水层中水压力 的大小决定着底板是否会发生突水现象， 我国华北煤 矿主要受到奥灰岩含水层的威胁， 该含水层是造成底 板突水的主要源泉， 煤层底板突水中主要有以下几种 方式 底板岩层完整时突水、 底板岩层存在导水断层 煤层底板突水预测与注浆加固技术研究 李 建 武 （霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿 ， 山西 临县 033200 ） 摘要 为保证二1煤层回采工作面的安全正常回采， 通过建立二1煤层底板力学模型， 对底板在完 整时或遇断层时所能承受突水极限压力具体分析，根据理论分析法结合地质条件对煤层底板突水性 进行预测， 并对 12181 工作面采取注浆加固的防突措施。结果表明 二1煤层底板在完整时能够阻止 奥灰水的突出， 但在断层及岩层挠曲段存在突水危险； 在对 12181 工作面底板采取注浆加固处理后， 保证了工作面的安全顺利回采。 关键词 底板突水 ； 突水预测 ； 奥灰水 ； 注浆加固； 中图分类号 TD 74文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0012-04 Research on water inrush prediction and grouting reinforcement technology of coal floor LI Jianwu （Pangpangta Colliery, Lvlin Energy Chemistry Co., Ltd. Of Huozhou Coal Electricity Group , Linxian 033200 , China） Abstract In order to ensure the safety normal 21coal seam mining working face, mining, through the establishment of the second 1 coal seam floor mechanical model, on the floor in full or in fault limit water bursting pressure concrete analysis, according to the theory analy- sis combined with geological conditions, to predict the outburst coal seam floor water of 12181 working face grouting reinforcement of outburst prevention measures. The results show that the overburden of ordovician ash water can be prevented when the coal seam floor is intact, but there is water inrush risk in the fault and the flexure of rock strata. After the grouting reinforcement treatment for the bottom of the 12181 working face, the safe and smooth recovery of working face is guaranteed. Key words water inrush from seam floor； Water inrush prediction； Ordovician limestone groundwater； Grouting reinforcement 12 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 时突水及承压水上部岩层透水时突水。根据该矿二1 煤层基底存在奥陶系岩溶含水层，其含水性较强， 与 二1煤层之间的距离范围为 43.8～74.8m， 平均水压高 为 2.8MPa， 属于有突水危险的状态。 2 ）底板岩层组成形式。 底板有效隔水岩层厚度、 岩性及其组合状态对底板突水起到重要的制约作用， 在底板隔水层由软硬相间的岩层组成时， 能够提升岩 层的抗水压能力，且硬岩层中裂隙易于向软岩层扩 展， 但软岩中的裂隙， 不易向硬岩层扩展。 根据二1煤层底板岩层的组合特性分析知， 底板 岩层属于软硬交替型组合， 利于阻止奥灰突水事故的 发生。 3 ）地质构造。地质构造是造成煤层底板突水的 重要原因之一[1-2]， 尤其是断层为发生底板突水时主要 的导水通道， 在断层过奥灰或太灰含水层时会缩短煤 层与含水层之间的距离，降低底板隔水层的有效厚 度， 从而致使突水。 对于褶皱构造， 其会造成岩层的物 理性能易变强度低， 且易失稳破坏， 承压水会沿着节 理裂隙不断冲刷形成突水。 本次讨论矿井井田为单斜构造且基本无大断层， 但小断层和岩层间挠曲的情况较多，现已揭露断层 138 条， 主要为正断层， 平均断层密度为 46 条 /km2， 这些小断层对局部地区的岩溶发育和积聚地下水起 到关键作用。 2.2完整底板突水压力的计算 在回采工作面底板存在承压水时，能将煤层到 底板承压水含水层之间的岩层划分为 “三带” [3]， 如图 2 （a ） 所示， 图中 h1表示底板采动裂隙带， h2表示完 整有效隔水层， h3表示承压水导升裂隙带， 其中有效 隔水层的厚度和其抗剪强度时底板是否发生突水的 关键，在长壁工作面所采煤层为倾斜或近水平赋存 时， 可将上覆采动裂隙带重力表示为 γh1， 下部均布 水压力用 P 表示， 隔水层自身体力表示为 γh2， 如图 2 （b ） 所示。现对有效隔水层能够承受的极限压力进 行分析。 ab 图 2底板有效隔水层力学模型 根据弹性力学薄板理论知，该模型能运用 Ritz 法进行分析[4]， 得出有效隔水层能够承载的突水极限 压力 P 表达式为 P τ0h 2 2π3L 4 xL 4 y2L 2 xL 2 y ［］ 6LxLyLxυLy γh（1 ） 式中 τ0为底板岩体的平均抗剪强度， MPa； H 为 底板采动裂隙带和有效隔水层厚度之和， m； h2为底 板有效隔水层厚度， m； γ 为底板岩体容重， kN/m3 ； υ 为底板岩体的泊松比； Lx为研究区域长度， m； Ly为研 究区域宽度， m。 2.3遇断层时底板突水压力的计算 据相关研究及工程案例表明， 断层或者裂隙带会 很大程度上引起底板突水， 且正断层对底板突水的影 响较大， 故现对工作面遇到正断层时底板所能承受的 突水极限压力进行分析， 将底板遇正断层时的力学模 型简化为如图 3 所示，图中 H 为煤层至承压水导升 带顶部之间的总厚度， h1为底板采动裂隙带， h2为底 板有效隔水层厚度。 图 3断层附近底板力学模型 从图 3 力学模型中对底板有效隔水层中任取厚 度为 dz的单元体， 在断层的影响下， 单元体的一侧向 阻力由 Cσxtanφ 变为 CFσxtanφF， 在单元体达到平衡 时， 由垂直方向上合力等于零， 可列方程 σ zdσzL- σzLCσxtanφCFσxtanφFdz dσz dz - tanφtanφF L σx- CCF L ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0 （2 ） 在底板有效隔水层达到极限平衡状态时， 令 λ1sinφ/1-sinφ， 并根据莫尔 - 库伦准则有 σx σz λ 1-λCcotφ λ （3 ） 将式 （3 ） 带入到 （2 ） 中能够得出 dσz dz - tanφtanφF λL σz- CCF L C1-λtanφtanφF λLtanφ CCF L （4 ） 对上述微分方程进行求解可得 σzAe ztanφtanφF λL -1-λCcotφ- λCCF tanφtanφF （5 ） 13 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 将边界条件 z0， σzγh1； zh2 ， σ zP- γH 带入式 （5 ） 中能够得出底板有效隔水层所能承受的极限压力 的表达式为 PBγh1e tanφtanφFh2 λL -BγH （6 ） 式中 C 为完整隔水层带岩石的内聚力， MPa； φ 为完整隔水层岩石的内摩擦角， ； CF为断层带内岩 石的内聚力， MPa； φF为断层带内岩石的内摩擦 角， ； L 为采空区控顶距， m； γ 为底板岩石的容重， kN/m3。 根据上述分析知， 若 P实＜P时， 底板不会发生突 水， 若不成立底板则存在突水危险， 便应对底板采取 加固防突措施来保证底板隔水层的稳定性。 3底板突水预测与防治技术 3.1底板突水预测方法 底板突水危险性的评价方法有很多， 如突水系数 法、“下三带” 法及理论计算法等， 根据本文矿井的实 际条件， 运用理论计算法对二1煤层底板突水危险性 进行预测。根据底板岩层的最大破坏深度 h1及煤层 塑性区的宽度 xa 的表达式[5-6]如下 h1 xacosφ0 2cosπ 4 φ0 2 e π 4 φ0 2 tanφ0 xa m 2K1tanφ ln nγHCmcotφ K1Cmcotφ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ （7 ） 根据二 1煤层地质资料取 m4.2m， φ20， n4， γ26kN/m3， H300m， Cm1MPa， K12，将上述数 据带入式 （7 ） 能够得出 xa5.09m， h112m。依据弹性 薄板理论 ， 据 二 1煤 层 地 质 资 料 取 τ012MPa， H48m， Lx557m， Ly127m， υ0.35， 故根据底板有效 隔水层所能承载的突水极限压力计算式 （1 ） 能够得 出 P6.1MPa，同时根据二 1煤层平均水压高为 2.8MPa， 知无突水危险性。但井田范围内的小断层及 层间挠曲较多，由小断层落差无法进行有效预测， 且 根据式 （6 ） 知断层会大幅降低有效隔水层能承受的突 水极限压力， 承压水极易在断层处发生突水， 且该矿 井 1995 年的突水事故证实了这一点，故通过分析拟 对二1煤层底板进行注浆加固， 对底板奥灰水进行有 效的防治工作。 3.2注浆加固底板方案 通过对工作面底板隔水层的薄弱层进行注浆加 固， 从而为工作面安全生产提供保障。 根据井田 1995 年突水事故后对奥灰水的动态及水文分析， 得出突水 原因为奥灰水突破断层形成突水通道致使 12106 工 作面突水， 故基于此本次对二1煤层 12181 工作面底 板进行注浆加固， 12181 工作面倾向长度 127m， 走向 长度 557m，所采煤层均厚 5m， 12181 工作面位置如 图 4 所示， 图中阴影区域是运用音频物探手段圈定的 强含水构造范围， 从图中能够看出 12181 工作面与发 生突水事故的 12161 工作面的含水构造相连通， 有严 重的突水危险性。 图 412181 工作面位置示意图 在 12181 工作面进风巷与回风巷内间隔 60m 布 置钻探注浆硐室， 钻孔在硐室内成扇形布置， 如图 5 所示。本次注浆使用水泥 - 水玻璃作为注浆材料， 注 浆压力为 6～9MPa， 根据相关钻探注浆经验， 可知底板 含水层注浆时， 浆液的扩散半径可达 20～30m， 各钻孔 终孔层位在含水层 L3 灰岩。 图 5注浆钻孔布置位置示意图 在对 12181 工作面底板注浆加固处理完毕后， 工 作面在回采过程中为出现底板突水、 下沉及异常涌水 现象， 实现了 12181 工作面安全顺利回采。 4结论 1 ） 通过建立底板完整时及遇断层时的力学模型， 运用弹塑性理论分析得出了底板在完整时及遇断层 时所能承受的突水极限压力。 2 ） 采用理论分析法对二1煤层底板进行突水预 测， 得出该煤层底板一般情况下能阻止奥灰水的突 出， 但底板隔水层中存在较多的小断层及挠曲， 致使 底板极有可能发生突水事故， 需对底板采取加固防水 措施。 3 ） 通过对 12181 工作面底板的含水性进行分析 后， 确定注浆参数， 制定具体的注浆加固方案对底板 （下转第 17 页 ） 14 ChaoXing （上接第 14 页 ） 进行加固处理， 注浆加固后 12181 工作面在回采过程 中未出现突水及涌水异常现象。 参考文献 [1] 李小孟.矿井工作面底板含水性探测和突水预测技术研 k 究[D].山东科技大学,2011. 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[6] 高航,孙振鹏.煤层底板采动影响的研究[J].山东矿业学院 学报,1987 （01） 12- 17. 作者简介 李建武 （1987-） ， 男， 汉族， 山西省方山县， 2015 年 7 月 毕业于中国矿业大学地质工程专业， 助理工程师， 现从事煤 矿地质测量方面工作。（收稿日期 2018- 11- 8） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 来， 表明上煤层开采对下煤层巷道影响甚微。当错距 为 9m 时，巷道围岩塑性破坏情况近似于错距为 7m 的情况， 因此， 将巷道错距设定为 7m。 4.3不同错距下围岩变形情况 表 2 显示， 当错距为 3m 时， 回采巷道围岩变形 量较大，当错距为 5m 时，巷道围岩变形量明显缩 小， 错距为 9m 时的围岩变形量与 7m 时相近， 变形 量较小。 表 22 号煤回采巷道围岩变形情况 5回采巷道的支护设计方案 图 3支护布置方式图 2 号煤回采巷道的支护方案设计如下 采用规格为 24mm2500mm 的螺纹钢锚杆，间排距设定为 800mm800mm， 16 根 /排， 锚杆外露的部分介于10mm 到 40mm之间； 选用 1 卷 CK2340 型树脂锚固剂和 1 卷 K2360 型锚固剂；锚杆托盘的碟形托板规格为 150mm150mm10mm； 帮锚杆扭矩力为100N m， 抗拔 力为 150kN，金属网的规格为 900mm2000mm 6mm。 锚索采用 21.6mm8000m的钢绞线， 间排距为 1300mm1600mm， 4 根 / 排； 托盘的碟形托板规格为 300mm200mm20mm， 选用 1 卷CK2340 型树脂锚 固剂和 1 卷 K2360 型锚固剂； 抗拔力为 200kN， 外露 的部分介于 150mm到 200mm之间； 帮锚索采用规格 为 15.245300mm 的钢绞线， 排距为 3200mm， 上下 两帮各 1 根， 为每根锚索配置球形锁具， 并结合巷道 岩层变化合理调整支护参数。 6结论 1 ）通过理论计算认为，下煤层回采巷道应采取 内错式布置方式， 错距在 4.88m以上。通过对围岩塑 性破坏特征、围岩应力变化以及变形量进行分析， 降 下煤层巷道错距设定为 7m。 2 ）基于外错式布置且错距为 7m的情况下， 应结 合井下实际情况， 对支护方案进行调整。 参考文献 [1] 李想.极近距离煤层回采巷道支护技术研究[J].煤矿现代 化,2019 （02） 49- 51. [2] 王龙飞,常泽超,杨战标,王旭锋,秦冬冬.深井近距离煤层 群采空区下回采巷道联合支护技术[J].采矿与安全工程 学报,2018,35 （04） 686- 692. [3] 任仲久.近距离煤层下行开采下煤层回采巷道布置[J].煤 矿安全,2018,49 （03） 136- 139. 作者简介 杜康 （1988-） ， 男， 山西乡宁县人， 工程师， 现任山西乡宁 焦煤集团申南凹焦煤有限公司副总经理。 （收稿日期 2019- 3- 14） 错距 /m3m5m7m9m 顶板下沉量311304287281 实体煤帮移近量588557515515 回采帮移近量532517480477 17 ChaoXing