西冯街矿3402工作面采空区异常涌水防治研究_卫晋文.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：西冯街矿3 4 0 2工作面回采期间采空区涌水量剧增，三维地震勘察结果表明，底板岩层内存在明显的破碎带。物理相似模拟研究表明，破碎带影响下底板采动裂隙带发育深度达到2 4m，采动裂隙带、破碎带内裂隙相互联通形成导水通道。设计底板原位改性技术进行治理，结合底板岩层综合柱状图设计注浆层位，注浆改造后采空区涌水量减小幅度达到6 7.9%，堵水效果良好，实现了底板奥灰含水层带压保水开采。关键词：回采工作面；底板异常涌水；相似模拟实验；隔水层注浆加固；奥灰水中图分类号：TD7 4 5文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 4 2-0 4Prevention and Control of Abnormal Water Inflow in Goaf at 3402 Working Face in Xifengjie CollieryWei Jinwen(Xifengjie Coal Industry Co.,Ltd.,Yangtai Group Industrial Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048100)Abstract:Aiming at the sharp increase of water inflow during the mining period of the 3402 working face of Xifengjie Colliery,the discovery of obvious fracture zone in the floor stratum through 3D seismic survey and a water conduction channel formed dueto the interconnection of the mining fissure zone and the fissures in the crushing zone with 24 meters development depth in floormining fissure zone under the influence of the fracture zone through physical similarity simulation,the author proposes the floorin-situ modification technology with the grouting layer design combined with the comprehensive column chart of the floor rockformation,which can reduce the water inflow in the goaf after grouting transformation by 67.9%with good water blocking effectand realize the water-preserved mining under pressure in Ordovician limestone aquifer.Key words:working face;abnormal water inflow in floor;similar simulation experiment;grouting reinforcement in aquiclude;Ordovician limestone water西冯街矿 3402 工作面采空区异常涌水防治研究卫晋文（山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司，山西晋城0 4 8 1 0 0）1工程概况西冯街煤业3 4 0 2综放工作面位于矿区北部，回采区地表位于引渠村以东6 6 8 8 1 5m，采动区域内地表为山地，无河流，地势呈南高北低，开采范围及其四周1 2 0m范围内无任何建筑物。3 4 0 2综放工作面井下位于四盘区胶带巷左翼1 6 0 3 1 0m处，开采的3#煤层属二叠系下统山西组，煤层厚度平均5.9 3m。地面标高从+10 9 0+11 8 7m，井下煤层底板标高+4 8 0+5 3 0m。2工作面水文地质条件分析2.1顶板水源分析（1）地表水。井田地表水系属黄河流域沁河水系，沁河从井田东部边界流过，属常年性河流，是附近最大的地表水体。沁河及芦苇河距离3 4 0 2综放工作面距离较远，工作面开采，不受其影响。（2）第四系松散含水层。该含水层为沉积物孔隙含水层，其厚度、水位埋深及其富水性差别较大，地势较高地段一般无水，而于低凹处赋存孔隙潜水。其富水性随补给条件不同而变化，在较大沟谷补给条件较好地段，可接受地表河流侧向补给和直接接受大气降水补给，富水性较好；在其他补给条件不好地段，一般富水性微弱。3 4 0 2综放工作面煤层上部石盒子组以K7砂岩底部为界，分为上、下两段。下段平均厚9 4.3 0m，岩性为灰白、灰绿色砂岩及紫色与灰绿色（易风化成杏黄色）相杂的泥质岩，间夹铝质泥岩，愈往上紫色色调愈浓；上段平均厚6 3.1 0m，由灰白色、紫色长石石英砂岩及深紫色泥质岩组成，本组平均厚1 5 7.4m。根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范经验公式计算，3#煤层导水裂缝带最大发育高度按照1 8倍的煤层厚度进行推算为1 0 6.7 4m，远小于石盒子组岩层厚度，所以第四系孔隙潜水对综放工作面影响较小。（3）3 4 0 2综放工作面直接充水水源为煤层顶1 4 2江西煤炭科技2023年第1期板以上砂岩含水层，沿采空放顶后形成的导水裂缝向巷道渗透。但由于煤层上覆各含水层均为层间砂岩裂隙水，富水性弱，3 4 0 2综放工作面采取正常的疏排水措施后，对工作面开采没有大的影响。2.2底板水源分析（a）综合柱状图（b）底板破碎带平面（c）A-A剖面（d）B-B剖面图13#煤层底板破碎带3#煤层下方的L1L3灰岩具体赋存特征：L1灰岩，为深灰灰黑色，中厚层状泥灰岩，生物屑泥晶结构，呈层状分布，为全部稳定之灰岩，平均厚度0.5m，为9#煤层的顶板，上距L2灰岩4.0 0 9.3 0m，平均7.2 3m；L2灰岩，为深灰色，厚层状含泥灰岩，含生物屑泥晶结构，呈层状分布，为全部稳定之灰岩，有时分成两层，平均厚度5.9 5m，上距L3灰岩1 9.7 0 3 3.9 0m，平均2 6.6m；L3灰岩，黑灰色中厚层状泥灰岩或含泥灰岩，生物屑泥晶结构，含白云质，呈层状分布，为全部稳定之灰岩，平均厚1.2 3m，上距3#煤层底板2 5.9 0 4 0.7 0m，平均3 4.0m。太原组灰岩岩溶裂隙含水层由L1、L2、L3三层石灰岩组成，灰岩中以L3最厚，质纯，是本含水岩组的主要含水层，含水层单位涌水量0.0 0 00 6 0.6 6L/sm，钻孔单位涌水量0.0 0 12 0.0 5 4L/sm，富水性弱，渗透性差，预计对3 4 0 2综放工作面开采不构成威胁。根据太原正越工程设计有限公司编制的 山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司带压开采安全性评价与设计：井田内煤层底板的奥灰岩溶水位标高为+5 9 3+6 6 9m，而3 4 0 2工作面范围内煤层底板标高为+4 8 0+5 3 0m，工作面带属带压开采（带压程度轻），按公式1T=P/M计算可知（P为作用于底板隔水层的水压力，为1.3 7M P a；M为3#煤层底板隔水层厚度，为1 1 8.2 7m）3 4 0 2工作面奥灰水突水系数为0.0 1 16M P a/m，小于规范要求的临界值0.0 6M P a/m，说明在无煤层赋存异常、无构造异常条件下，奥灰水对3 4 0 2工作面开采影响较小。但工作面初采期间，工作面底板发生了异常突水，最大涌水量达到1 5 0 1 9 0m3/h。通过对涌水的化学组分分析，工作面出水水源为混合型水源。为探究底板涌水水源及其机理，委托中国煤炭地质总局物测队对西冯街矿4盘区进行三维地震勘探，探测结果表明表明，3 4 0 2工作面底板隔水层内存在破碎带，发育层位由奥陶系峰峰组顶部发育至L3灰岩顶部，其总高度约为8 4m，基本呈半椭球分布，其具体分布形式如图1所示。3底板采动变形破坏规律研究物理相似材料模拟实验是以煤层实际赋存条件及物理力学参数为基础，通过相似原理建立煤层赋存、开采条件与实际情况接近的物理实体模型2-3，通过对模型中工作面或巷道的开挖，记录工作面推进期间围岩位移、裂隙发育情况，以此为依据对现场实际情况进行推测、分析。为探究西冯街煤矿3 4 0 2工作面底板破碎带对于顶底板裂隙发育情况的影响，长度、宽度、厚度相似比，比值=1 1 0 0；容重相似比1 1.6 5；强度相似比1 8 0。沿工作面推进方向取剖面建立二维相似模型，设计模型规格长、高、厚=25 0 0mm、23 5 0mm、3 0 0mm。模型顶面地层至地表，为模拟上部岩层的自重垂3 4 0 2工作面1 4 3江西煤炭科技2023年第1期直应力，采用气压千斤顶在顶面施加5 0k N的压力。模型底部钢板尺寸长、宽、厚=3 0 0mm、1 0 0mm、1 0mm，钢板底部铺设特制的弹性弹簧来模拟底板水压，水压加载模拟装置如图2（a）所示，分别建立完整底板和底板存在破碎带条件下的相似模型，破碎带设置于工作面下部，破碎带顶面距煤层底部3 4m，模型具体情况如图2（b）所示。模型各地层铺设完成后，即开始对煤层的开挖，切眼设置在距模型左侧1 6 0mm处，煤层开挖进尺为6 0mm，相当于工作面推进6m，开挖时间间隔为1 5 0分钟，相当于实际时间的1天，观测顶底板岩层裂隙发育规律。当工作面回采1 8 0m时，完整底板条件下和底板存在破碎带影响下采场围岩内裂隙分布规律如图3所示。图2西冯街矿3402工作面相似模拟模型从图3（a）所示相似模拟结果可以看出，工作面回采1 8 0m时，采空区底板岩层出现一定深度的裂隙扩展现象，工作面推进方向裂隙发育深度边缘基本呈“马鞍形”，两侧边缘附近发育深度较大，采空区后方尾部附近最大，发育深度为1 6m，采空区前方端部附近最大破坏深度为1 8m。采空区与承压水间岩层根据裂隙发育程度可分为采动裂隙带、完整隔水带、承压水导升带。完整隔水带起到阻隔承压水的作用，工作面及采空区不会发生突水事故；图3（b）所示底板存在破碎带条件下工作面推进1 8 0m的相似模拟结果可以看出，采场底板破坏深度相对更大，最大深度达到2 4m，破碎带的深度边缘呈倒“凸”形分布，破碎带上方区域破坏深度最大，个别裂隙已延伸至破碎带内。由于破碎带向下一直延伸至奥灰含水层，因此奥灰承压水将通过该裂隙带涌入采空区和工作面，导致工作面涌水量增大。4底板隔水层注浆改性方案设计及应用效果分析4.1注浆加固堵水方案设计结合前文相似模拟实验研究结果，西冯街煤矿3 4 0 2工作面底板涌水水源为奥灰承压含水层，涌水通道为破碎带及采动裂隙带，由此提出采用底板原位改性技术进行治理4。该工艺通过向底板岩层内注入析水少、强度高、抗渗性能优良的浆液，提高底板的隔水性能，阻断底板承压水涌水通道。该技术实施的基本前提：一是岩层需具备可注性，浆液可在该岩层内扩散，方能取得较好的隔水层改性效果；二是改性岩层稳定性良好且具有相当的厚度，岩层本身具备一定的强度且厚度较大，改性后隔水性能越好。3 4 0 2工作面底板主要岩层为砂岩、泥岩和灰岩，砂岩和煤层首先排除在外，综合考虑岩层稳定性、厚度方面因素，同样考虑后期下伏煤层的采掘安全，最终确定注浆层位为本溪组顶部的灰岩层位，该岩层平均厚度8.5m，如图1（a）中所示。（a）平面（a）完整底板条件下（b）破碎带影响条件下图3工作面回采180 m采场围岩裂隙分布模拟结果（a）底板水压模拟装置（b）相似物理模型1 4 4江西煤炭科技2023年第1期（b）剖面图43402工作面底板注浆钻孔布置平面在地面建立钻场，设计1个垂直主孔及3个水平支孔，水平孔注浆间距5 0m，布置层位为峰峰组顶面灰岩层内，注浆层位标高为+4