马兰矿复杂构造下工作面综合防治水技术
时间：2023-02-11 11:20:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡美琳
（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）
1.1 工作面情况
马兰矿18502 工作面主采8 号煤层，为石炭系太原组煤层，煤层倾角1°～21°，煤层厚度3.70～4.80 m，平均4.40 m，属稳定可采厚煤层，含1 层稳定夹矸，厚度0.10～0.26 m，平均厚度0.15 m，普氏硬度1.5。煤层顶底板岩性情况见表1。
表1 煤层顶底板结构Table 1 The structure of coal seam roof and floor
续表
18502 工作面位于南五下组煤采区左翼，工作面埋深426～483 m，走向长度1 192 m，倾向长度251 m。工作面北距18310 采空区97～146 m，南侧实体间隔24.7 m 为18504 采空区，东侧最小间距208.2 m（上部46 m 左右） 为南八南九胶带机运输大巷，西侧为实体煤。
1.2 水文地质条件
（1） 含水层水。
直接顶L1 泥灰岩（厚2.20 m） 及煤层上部17.77 m 左右的K2 灰岩（厚2.68 m） 均为承压裂隙岩溶含水层，局部含水丰富，工作面在回采过程中预计有滴水现象，遇构造及裂隙发育顶板淋滴水增大，预计正常涌水量2～3 m3/h，最大涌水量15 m3/h。回采期间顶板含水层水淋滴水随回采出煤时带走，对回采无影响。
（2） 奥灰水。
工作面所在区域奥灰水静水位标高950—962 m，工作面标高845—903 m，回采段全部带压，8煤底板至奥灰顶界面间距78～82 m。
（3） 采空水。
工作面本煤层周边分布有2 个采空区，分别为18310、18504 采空区，工作面上部2 号煤分布4个采空区，分别为12502、12108、12504、12506采空区。因采空区内无补给水源，且采空区形成时间较长，老空区顶底板已重合压实，无蓄水条件，采空区内未富存大量采空积水，因此回采不受采空积水影响。
1.3 工作面周边构造
根据邻近工程、物探控制及巷道实际揭露，工作面共发育28 条断层，落差0.2～3.5 m，其中F02、F07、F23、F24 断层为巷道揭露并经槽波、钻探验证控制，落差较大，在工作面内延伸长度较长，对回采影响较大；
其它断层落差较小，对回采影响中等至较小。
陷落柱情况见表2。S91 陷落柱为2 号煤工程揭露控制，位于工作面内部；
根据钻探资料分析，X2 三维勘探陷落柱范围未见异常情况，分析为小型隐伏构造发育影响所致。据该区邻近工作面揭露情况分析，该区域陷落柱发育，回采中可能会有新的隐伏小型陷落柱揭露。
表2 陷落柱情况Table 2 The situation of collapse column
2.1 奥灰含水层富水性探查
为分析奥灰含水层的水文地质特征，通过在煤层底板开设水文观测孔对其进行长期观测，得出奥灰含水层的单位涌水量为4.47～5.65 L/(s·m)，富水性较强。
采用瞬变电磁法对煤层底板奥灰含水层进行综合探查，得出南五下组煤采区的低电阻异常区主要分布在北部、西北部和东南部，且异常信号较强，分布范围较大，反映出奥灰水的富水性较强且富水范围较大。
2.2 构造导水性探查
在采区内选取一条同时穿过Fx1、F26 和DF3断层的测线，采用大地音频电磁法，探查构造的导水性，探测结果如图1所示。
图1 断层导水性探查剖面图Fig.1 The profile of fault water conductivity exploration
由图1可以看出，F26 断层及DF3 断层附近的视电阻率等值线起伏较大，分布不均匀，并且两断层处的8 号煤层与奥灰含水层之间响应特征较为明显，由此推断F26 和DF3 断层具有较强的导水性，而Fx1 断层附近的视电阻率等值线分布均匀且平缓，推测其导水性相对较弱。
根据综合探查结果，结合采区内已查明构造的导水性分析，综合推断出导水性较强的断层有F07、F11、F15、F20、F26、DF3 级DF5，不具导水条件的断层为F02、F24 及DF6，其余断层及陷落柱S91、X2 的导水性较弱。
3.1 建立模型
采用FLAC3D 数值模拟软件并考虑流固耦合作用分析煤层底板的破坏规律，依据18502 工作面的实际赋存条件建立模型，模型尺寸长×宽×高=400 m×200 m×100 m，根据工作面埋深，在模型顶部施加9.6 MPa 的垂直应力以模拟覆岩压力，通过位移边界条件对模型两侧和底部进行约束，奥灰含水层的四周及底板设定为水头边界，并根据水压的垂直梯度生成孔隙水压力，模拟流固耦合作用。煤岩体的物理力学参数见表3，并以此进行赋参。
表3 煤岩体物理力学参数Table 3 Physical mechanics parameters of coal rock
3.2 模拟结果分析
煤层底板在采动应力及奥灰承压水的流固耦合作用下发生破坏，模拟中依据塑性破坏的底界面来确定煤层底板的破坏深度。模拟中每40 m 进行循环开挖，共开挖360 m，底板破坏深度随工作面推进的变化规律如图2所示。由图2可知，工作面推进初期，底板破坏深度持续增大，基本呈线性趋势，工作面推进至240 m后，底板的破坏深度不再变化，最大破坏深度为22 m。
图2 煤层底板破坏情况Fig.2 The situation of coal seam floor damage
4.1 工作面突水性分析
由于18502 工作面为带压开采，且开采范围内存在多个构造发育，为保证工作面的安全回采，需对其进行突水危险性分析。
（1） 数值模拟得出18502 工作面底板最大破坏深度为22 m，奥灰隔水层的厚度为78～82 m，根据《煤矿防治水规定》 中突水系数进行评价，18502 工作面的突水性系数为0.025～0.043 MPa/m，接近于带压开采突水临界值0.06 MPa/m，有一定的突水危险性。
（2） 工作面开采范围内存在10 个断层，其中F07、F11、F15 断层的导水性较强，受煤层顶板含水层影响，在断层破坏带附近的顶板裂隙发育处会有含水现象，揭露时涌水可能增大，对回采有一定影响。
4.2 工作面防治水措施
（1） 为防止断层带导水威胁工作面的安全生产，应根据《煤矿防治水规定》留设构造隔水煤柱，设计隔水煤柱宽度时，按照最危险的情况考虑，突水性系数取0.06 MPa/m，结合采区实际条件最终确定断层隔水煤柱宽度为50 m。
（2） 由于奥灰含水层具有一定的突水危险性，因此考虑采用底板注浆加固隔水层的方式，保证工作面安全带压开采。注浆施工时，注浆孔采用三角形布置，并呈放射状展开，孔深不低于15 m，孔间距不大于30 m，在富水异常区及断层构造处应适当加密注浆孔，保证工作面安全回采。
（1） 通过综合物探技术，对南五下组煤采区的水文地质情况进行了勘查，发现奥灰含水层的富水性较强且范围较大，采区内存在7 条导水性较强的断层。
（2） 通过流固耦合数值模拟得出18502 工作面带压开采时的底板最大破坏深度为22 m，结合突水系数评价，表明奥灰含水层有一定的突水危险性。
（3） 基于采区内的水文地质条件，提出了设置断层隔水煤柱及底板注浆加固的综合防治水措施，保证了工作面安全带压开采。
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