经坊煤矿3-807工作面近距离承压水上开采技术研究.pdf

822023 年第 9 期经坊煤矿 3-807 工作面近距离承压水上开采技术研究冯 旭（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）摘 要 针对经坊煤矿 3-807 综采工作面的水害防治问题，以水文地质及开采技术条件为基础，通过突水系数法确定该工作面底板太灰水存在突水危险性，提出采用底板注浆改造工艺来实现工作面的带压开采，采用数值模拟手段验证其可行性，确定注浆终孔层位为 L8灰岩。注浆改造后检验钻孔出水比例仅为 9.3%，底板灰岩含水层内裂隙得到有效封堵，实现了工作面的带压安全开采。关键词 承压水；综采；底板；注浆中图分类号 TD823.83 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.026Research on Close Distance Confined Water Upper Mining Technology in the 3-807 Working Face of Jingfang Coal MineFeng Xu(Shanxi Province Changzhi Jingfang Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Changzhi 047100)Abstract:Aiming at the problem of water damage prevention and control in the 3-807 fully mechanized mining face of Jingfang Coal Mine,based on hydrogeological and mining technical conditions,the water inrush coefficient method is used to determine the risk of water inrush from the bottom plate of the working face.It is proposed to use the floor grouting transformation process to achieve pressure mining on the working face.Numerical simulation is used to verify its feasibility,and the final hole layer level of grouting is determined to be L8 limestone.After the grouting transformation,the proportion of water output from inspection boreholes is only 9.3%,The cracks in the floor limestone aquifer are effectively sealed,achieving safe mining under pressure in the working face.Key words:confined water;fully mechanized mining;floor;grouting收稿日期 2023-02-02作者简介 冯旭（1988），男，山西长治人，2010 年毕业于山西师范大学社会体育专业，本科，2017 年毕业于太原理工大学安全工程专业，助理工程师，现就职于山西省长治经坊煤业有限公司，研究方向：煤矿水文地质及井下防治水。冯 旭：经坊煤矿 3-807 工作面近距离承压水上开采技术研究1 工作面概况经坊煤业 3-807 工作面位于八采区准备巷道南翼，北邻三条准备大巷，南靠井田边界，西为规划的 3-806 工作面，东为实体煤。工作面开采山西组3#煤层，均厚 6.3 m，盖山厚度 554615 m，受底板灰岩承压水威胁，需进行安全论证和治理。2 工作面充水因素分析2.1 顶板水害山 西 组 3#煤 层 顶 板 含 三 层 砂 岩（K2、K3、K4），砂岩含水层组单位涌水量 0.065 71.734 L/sm，渗透系数为0.147 76.92 m/d，属HCO3-Cl-NaCa型水。顶板水源以 3#煤顶板 K2砂岩裂隙水为主，K2灰岩裂隙含水层富水性弱。巷道掘进期间，遇到顶板局部淋水量较大的区域已疏放，因此顶板砂岩裂隙水对于工作面回采影响不大。2.2 底板水害石 炭 系 太 原 组 上 段 L11L8灰 岩 渗 透 系 数0.521.54 m/d，单位涌水量 0.0970.287 L/sm，岩溶裂隙较为发育，属于富水性中等的含水层。L11灰岩含水层与山西组 3#煤层平均间距为 43.64 m，L10灰岩与 3#煤层间距为 58.63 m，L8灰岩与 3#煤层间距为 75.85 m。太原组灰岩岩溶裂隙水是山西组 3#煤层开采期间底板的主要间接充水水源，煤层底板静水压力 3.53.7 MPa，突水系数 Ts=P/M，3-807 工作面底板 L11、L10、L8灰岩含水层突水系数分别为0.085 MPa/m、0.063 MPa/m、0.049 MPa/m，突水系832023 年第 9 期冯 旭：经坊煤矿 3-807 工作面近距离承压水上开采技术研究数均小于 0.1 MPa/m，表明正常块段不存在底板突水的可能性。3-807 工作面范围内地质构造见表 1，受构造影响，部分区域 L11、L10灰岩含水层的突水系数可能大于临界突水系数，底板存在较大的突水危险性，因此需要采取合理的底板加固措施，方可保障工作面的安全生产。表 1 3-807 地质构造情况表断层编号性质走向/（）倾向/（）倾角/（）落差/m对回采影响程度F1正断层214124504.2无影响F2正断层210120605.0无影响F3正断层201291655.7无影响F4正断层22531565753.09.1无影响F5正断层223133601.5有一定影响F6正断层22281601.5有一定影响F7正断层230320653.9影响较大F8正断层229319601.0有一定影响F9正断层248158503.2影响较大F10正断层214304700.4无影响F11正断层239149653.1影响较大F12正断层48138551.5有一定影响F13正断层48138501.8有一定影响F14正断层31848603.0有一定影响3 底板注浆加固模拟研究为探究 3-807 工作面回采期间底板岩层破坏区的发育规律，准确预测注浆前后底板破坏带发育深度的变化，采用 FLAC3D软件建立工作面开挖模型。结合以往数值模拟研究案例表明1，数值模拟结果的精确性与模型物理力学参数的准确与否密切相关，参考 3-807 工作面附近的地质钻孔确定岩层的岩性、厚度等参数，构建工作面开采数值模型，由煤层底板至上覆岩层共构建 13 层岩层，煤岩体的破坏遵循莫尔-库伦屈服准则。最终建立走向长300 m、倾斜方向长 280 m、高度 130 m 的数值模型，工作面倾斜长度 120 m，模型两侧各保留 40 m 的煤柱，工作面共推进 180 m。数值模型边界条件及网格划分如图 1。模拟研究时，工作面开挖步距设定为 10 m，对底板注浆改造进行模拟时，参考李召峰等人的研究成果2-3，注浆材料为 425 硅酸盐水泥，养护 28 d条件下加固系数为 2.01，据此对注浆后底板岩层的物理力学参数进行调整，得到工作面回采 180 m 条件下底板注浆前后顶底板岩层塑性区分布规律如图2（a）、（b），底板破坏深度随着工作面开挖距离的变化曲线如图 2（c）、（d）。（a）模型边界条件 （b）三维数值模型图 1 数值模型边界条件及三维模型示意图 （a）工作面回采 180 m（未注浆）（b）工作面回采 180 m（已注浆）（c）底板破坏深度变化曲线（未注浆）842023 年第 9 期（d）底板破坏深度变化曲线（已注浆）图 2 数值模拟结果根据图 2 所示结果分析可知，随着工作面回采距离的增大，底板破坏深度持续增大。工作面回采距离达到 120 m 及以上时，底板采动破坏深度最大达到 27 m。在此情况下，太原组 L11灰岩含水层与工作面间有效隔水层厚度仅剩 17 m，灰岩水压 3.7 MPa，突水系数达到 0.218 MPa/m，远超出突水系数临界值，底板存在极大的突水危险性，说明底板注浆加固的必要性。底板注浆改造后，工作面开挖距离达到 50 m 时，底板破坏深度达到峰值，底板采动破坏最大深度为 10 m，考虑灰岩水压为 3.53.7 MPa，突水系数临界值 0.06 MPa/m，底板隔水层厚度应不小于 61.67 m，注浆加固岩层厚度最少为71.67 m，因此应将注浆终孔层位布置在 L8灰岩内，此时 L8上部岩层均成为隔水层的一部分，隔水层平均厚度达到 75.85 m，预计可保证 3-807 工作面的安全回采作业。4 3-807 工作面底板注浆改造4.1 底板注浆改造措施结合 3-807 工作面水文地质及开采技术条件，设计在工作面两侧顺槽及堵水措施巷内布置若干个钻场，向底板岩层内施工注浆钻孔进行底板改造。注浆的终孔层位为太原组 L8灰岩，注浆钻孔垂直深度平均值为 75.85 m，设计钻孔倾角多为30 45，钻孔长度 125175 m，采用 ZDY3200S（MKD-5S）全液压钻机进行钻孔的施工。钻孔结构详见图 3（a），共设计 13 个钻场，注浆钻孔布设平面示意图如图 3（b）。注浆材料为 425 硅酸盐水泥添加水玻璃溶液，水灰比 1.6，注浆终压 56 MPa。在进行 3-807 工作面底板钻孔施工期间，当遇到涌水量增大的情况时，停止钻进，开始注入浆液至设计压力。若注入大量浆液但是注浆压力达不到设计值时，采取间歇性注浆方法，注浆完成后再继续钻进。钻孔钻进至设计层位后，出水量大于 5 m3/h 时，连接管路进行注浆，当出水量小于 5 m3/h 时，进行封孔作业。底板钻孔注浆施工具体流程如图 4。（a）注浆钻孔结构（b）注浆钻孔布置平面图图 3 3-807 工作面注浆钻孔示意图图 4 底板注浆工艺流程4.2 改造效果分析为检验底板注浆改造效果，记录各钻孔的实际进尺和注浆量，并在各个钻场注浆完成后施工检验852023 年第 9 期冯 旭：经坊煤矿 3-807 工作面近距离承压水上开采技术研究钻孔，检验钻孔的涌水情况见表 2。钻孔揭露灰岩含水层时涌水量普遍较大，实际施工的 132 个注浆钻孔仅有 4 个钻孔在钻进期间出水量较小，其余 128个钻孔在钻进过程中均出现涌水量大于 5 m3/h 的情况，表明底板灰岩裂隙较为发育、富水性较强；在各钻场共施工 43 个检验钻孔，仅 4 个钻孔出现少量出水的情况，出水钻孔占比仅为 9.3%。由此说明，底板灰岩含水层内裂隙得到有效封堵，L8灰岩与工作面间岩层均成为良好的隔水层，可实现 3-807 工作面的带压开采。表 2 底板注浆钻孔及检验钻孔施工情况统计钻场名称注浆改造钻孔检验钻孔钻孔总数/个总进尺/m注浆量/t钻孔总数/个总进尺/m出水孔数/个出水孔数占比/%上 13413.5584.62261.800上 26795.81 187.33405.400上 381 143.71 943.51132.200上 45712.2974.34514.4125补 15697.41 043.85684.000补 25765.21 107.14572.5125堵 3141 649.32 845.33457.300一号171 987.62 389.92283.400二号141 598.51 974.84550.200三号131 413.91 524.16986.0116.7四号161 645.82 143.54579.0125五号181 879.41 813.83419.800六号81 054.7643.82263.400合计13215 75720 175.8436 109.449.35 结论以经坊煤业3-807工作面水文地质资料为依据，通过分析研究表明，工作面顶板砂岩含水层无水害威胁，工作面下方太原组溶洞裂隙承压含水层存在较大的突水危险性，需采取合理有效的加固措施方可保障工作面的生产安全。通过数值模拟研究表明，正常情况下3-807工作面回采底板破坏深度为27 m，注浆改造提高底板岩层的完整性和有效隔水层厚度，将注浆终孔层位布置在 L8灰岩内，可使底板隔水层厚度达到要求。对 3-807 工作面底板注浆改造后，检验钻孔出水比例仅为 9.3%，钻孔出水比例较注浆改造前显著减小，底板灰岩含水层内裂隙得到有效封堵，底板注浆改造效果良好，能够实现工作面的带压安全开采。【参考文献】1 冯巍.榆树坡矿 5 号煤首采面底板突水危险性分析及防治技术 J.煤炭与化工，2022，45（07）：82-85+88.2 李召峰，李术才，刘人太，等.富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究J.岩石力学与工程学报，2017，36（01）：198-207.3 李召峰，李术才，刘人太，等.富水破碎岩体注浆加固材料试验研究与应用 J.岩土力学，2016，37（07）：1937-1946.