肖 楠

（霍州煤電集團有限責任公司山西臨汾041000）

0 引言

煤炭資源具有不可再生性，隨著淺部煤層資源的枯竭，煤礦開采逐漸向深部開采，隨之而來的是日益復雜的地質條件，尤其是深部地層中含水層對工作面煤層開采帶來了新的考驗。煤礦安全事故中工作面突水具有極強的破壞性，一旦發(fā)生會對煤礦和社會造成不可預估的損失和惡劣影響，據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示我國重點煤礦中受到水患威脅的礦井占據(jù)47.5%[1]，深部開采中由于底板下含水層的存在，工作面普遍存在帶壓開采。針對深部帶壓開采，國內相關學者對其進行了大量研究，其中“下三帶理論”[2]是依據(jù)頂板上三帶相關理論和工程實踐得出，將底板覆巖劃分為導水破壞帶、有效保護層帶、隱伏水頭帶，對解決底板防治水問題提供了相關理論基礎?！瓣P鍵層理論”[3]認為破化帶和含水層之間存在一關鍵層，該關鍵層的承載能力強弱對底板突水性起到?jīng)Q定作用。為此本文針對山西焦煤辛置煤礦10-428B 工作面為研究對象，采用數(shù)值模擬分析了該面回采時底板受到破壞的程度，在數(shù)值模擬和現(xiàn)場實踐的基礎上對底板進行加固，為工作面安全回采提供理論和技術上的支持。

1 工程概況

辛置煤礦隸屬于山西焦煤霍州煤電集團，隸屬于霍州，周圍500 m～1 110 m 存在南王村、南程村等多個村子，其中540 水平10-428B 工作面主采10#煤層，煤厚1.43 m～2.67 m，工作面傾向長240 m，走向長774 m～883 m，其中該面相關頂?shù)装逄卣饕姳?，工作面煤層傾角平均4°，回采范圍內構造簡單，對回采影響較小，但底板距離奧灰含水層僅有32 m，底板突水系數(shù)為0.071 MPa/m，為帶壓開采。當工作面回采時會受到采動壓力和奧灰水壓的影響，巷道淋水現(xiàn)象嚴重，嚴重時可能會發(fā)生突水事故，為此必須對底板突水性進行研究。

表1 工作面頂?shù)装逄卣?/p>

2 數(shù)值模擬

為了探究底板奧灰水對該面回采的影響程度，采用FLAC3D 模擬軟件對底板破壞程度其進行模擬，采用彈塑性本構模型。模擬方案為在5 MPa 水壓下，模擬研究開挖過程中底板隔水層的破壞規(guī)律，以辛置礦工作面各地層參數(shù)為原始建模數(shù)據(jù)，基于彈塑性本構模型進行建模，模型長×寬×高=300×200×180 m，共51 660 個單元格，模型上方施加24 MPa 的自重載荷，底部和兩側均為固定邊界，最終建立圖1中數(shù)值模型。

圖1 10-428B工作面數(shù)值模型圖

表2 建模參數(shù)

初次開挖20 m，隨后每隔40 m 進行開挖，分別對其進行記錄分析得到圖2底板塑性區(qū)破壞區(qū)云圖。

圖2 底板塑性區(qū)破壞區(qū)

觀察圖2中底板塑形區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進距離的增加，底板破壞程度逐漸加劇。從圖（a）中可以看出模型初次開挖階段底板開始發(fā)生塑形破壞，該階段破壞程度較小，破壞深度為7.2 m，采空區(qū)內部應力開始出現(xiàn)集中現(xiàn)象；在推進60 m時底板塑性區(qū)破壞程度為19.7 m，在推進100 m 時底板破壞深度為22.87 m，推進140 m 時底板破壞深度為23.62 m，推進180 m時底板破壞深度為24.6 m，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得出底板在采動應力和裂隙水壓的影響下發(fā)生形變，其中部分變形可以恢復，當應力集中程度達到底板承載極限會發(fā)生不可恢復的破壞，為此推進距離越大，底板產(chǎn)生的破壞越大，兩者呈現(xiàn)正相關關系，通過數(shù)值模擬列出了底板破壞深度與推進距離之間的關系見圖3.

圖3 底板破壞深度與推進距離之間關系

從圖3曲線圖中可以看出底板破壞深度與推進距離之間呈現(xiàn)正相關關系，但破壞深度增加速率逐漸減小，可以得出底板在發(fā)生破壞后，應力會逐漸達到平衡狀態(tài)，繼而導致底板破壞深度增加速率逐漸平緩。綜上可得隨著工作面推進，在采動壓力和水壓的影響下，底板破化深度增長趨勢從快速逐漸達到平緩狀態(tài)，底板破化范圍也在不斷擴大，而且從塑性區(qū)圖中可以看出底板發(fā)生破壞的范圍主要集中在采空區(qū)中部并在中部達到最大破壞值。推進前期即在0 m～60 m時，底板破化深度較小，但該階段增長速度最快，破壞深度范圍為0～19.7m，而推進中期階段即60 m～120 m時，底板破壞深度增速變平緩，破壞深度為19.7 m～23.62 m，在推進后期即120 m～180 m，底板破化深度逐漸達到最大值24.6 m，從上述底板塑性區(qū)變化圖中得到底板破壞深度的范圍與變化關系，而底板發(fā)生破壞是因為受到采動應力和裂隙水壓的影響，為此必須對不同推進階段內應力關系進行分析，最終得到圖4底板應力云圖。

圖4 底板應力云圖

觀察上述應力云圖可以看出應力變化狀態(tài)與塑性區(qū)變化基本是一致的，在推進初期，頂?shù)装鍛ζ胶鉅顟B(tài)被打破，應力集中程度迅速增加，與之對應底板塑性區(qū)變形程度增加迅速，應力集中范圍大多集中在采空區(qū)中部，而采空區(qū)頂板和底板處應力較小，說明頂板充分垮落，最終應力值達到新的平衡狀態(tài)，與此同時底板下方巖層也發(fā)生了破壞。在推進的中后期，工作面推進前方和應力集中程度逐漸增大，繼而導致底板發(fā)生超前破壞，而工作面后方應力集中也開始增大，另從云圖中可看出在推進后期，采空區(qū)底板下方深紅色應力釋放區(qū)域范圍是在逐漸增大，表明底板隨著推進過程的進行，底板下方巖層受到該區(qū)域的應力影響而發(fā)生破化，并在120 m～180 m之間應力集中程度最高，與之對應的造成底板塑性區(qū)破壞深度達到最大。而破化深度增長速度降低的原因是伴隨著頂板的不斷跨落、壓實，底板應力逐漸得到恢復，并造成采動裂隙的閉合。

綜上所述，隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)中部應力集中程度和范圍勢在不斷擴大的，而且在工作面的前方和后方均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，表明工作面推進前方容易發(fā)生突水事故，其中采空區(qū)的上方頂板發(fā)生垮落后，所受應力逐漸平衡，采空區(qū)下方應力在造成底板隔水層發(fā)生破壞后也達到平衡。

3 注漿加固

3.1 注漿加固層位選擇

通過數(shù)值模擬得知底板破壞深度隨著回采進行不斷擴大，最終在180 m以后逐漸穩(wěn)定，達到最大24.6 m的破壞深度，根據(jù)應力云圖可知底板破壞是受到裂隙水壓和采動壓力影響，在兩者共同作用下應力集中程度不斷提高，最終使得底板發(fā)生不可恢復的破裂。通過相關工程實踐和理論分析，本文采用注漿加固底板隔水層，從而增強底板承載能力。已知底板破環(huán)范圍在底板下方可達到24.6 m，為此注漿層位選擇在底板下方25 m處，即位于砂質泥巖層和鋁土泥巖層之間。

3.2 注漿方案及現(xiàn)場布置

本次注漿[4]采用定向順層長鉆孔對10-428B 工作面底板進行注漿改造，其中分別在該面運輸順槽和回風順槽布置4個主鉆孔，每個主鉆孔分為48個分支（工作面鉆孔布置見圖5）本次施工累計注漿41 932.1 t，鉆孔長度為43 543.7 m，其中注漿鉆孔壓力單孔最大為8 MPa，平均在6 MPa，注漿材料主體為水泥和粉煤灰。

圖5 工作面鉆孔布置圖

3.3 注漿效果及檢驗

本次注漿分別對不同注漿壓力下注漿量進行了統(tǒng)計分析，得到圖6中注漿占比圖，其中注漿壓力為0 MPa 時注漿量占比10%，0 MPa～4 MPa 占比30%，4 MPa～8 MPa 占比45%，8 MPa 以上占比15%，可以看出當注漿壓力在4 MPa～8 MPa 之間，注漿效率最高。本次注漿壓力均值6 MPa，可使注漿效率達到預期效果。

圖6 不同壓力下注漿量占比

注漿結束后采用布置檢驗鉆孔方式對注漿效果進行評價，其中共布置8個檢驗鉆孔，上下順槽各4個，發(fā)現(xiàn)其涌水量均在0.1 m3/h以下，表明注漿改造有效的降低了突水風險，且突水系數(shù)降低為0.013 MPa/m，小于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，工作面可以安全回采。

4 結論

（1）數(shù)值模擬結果顯示底板破環(huán)深度和范圍隨著回采進行不斷擴大，但整體擴大速率先大后小，推進前期底板破化深度較小，但該階段增長速度最快，推進的中期階段，底板破壞深度增速變平緩，在推進后期底板破化深度逐漸達到最大值24.6 m。

（2）隨著模擬開挖的進行，采空區(qū)中部應力集中程度和范圍不斷增大，且工作面前方和后方出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，同時底板下方應力區(qū)域不斷擴大，在頂板垮落后應力趨于平衡，底板部分裂隙也出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，應力分布總體呈現(xiàn)平衡-破壞-再平衡。

（3）注漿改造施工長度為43 543.7 m，累計注漿41 932.1 t，經(jīng)效果檢驗發(fā)現(xiàn)注漿壓力在4 MPa～8 MPa時效果最好，隨后布置檢驗鉆孔驗證涌水量均小于0.1 m3/h，符合相關工程規(guī)定，工作面得以安全回采。