深部开采煤层底板突水控制技术研究.pdf

★ 煤矿安全 ★ 深部开采煤层底板突水控制技术研究焦义大同煤矿集团王村煤业有限责任公司，山西省大同市，0 3 7 0 3 2 摘要结合王庄煤矿水文地质条件，分析了工作面底板突水的主要影响因素，采用塑性力学理论计算了 1 2 0 1工作面的底板破坏深度；利用 F AL C 3 D 对工作面布置在断层上盘和下盘两种情况进行了数值计算分析，得出了两种情况下围岩破坏场、渗流场、应力场及位移场分布规律。在此基础上提出且实施了预加固断层防治突水的治理措施，取得良好效果。关键词深部开采底板突水底板破坏深度数值模拟断层上盘断层下盘治理措施中图分类号TD 7 4 5 ． 2 文献标识码 A Re s e a r c h o n c o n t r o l t e c h n o l o g y o f w a t e r i n r u s h f r o m c o a l s e a m f l o o r f o r d e e p mi n i n g J i a o Yi W a n gc un Coa l M i n i ng Co．，Lt d．，Da t on g M i n i ng Gr ou p，Da t on g，Sha nxi 0 3 7 03 2，Ch i n a Ab s t r a c t C o mb i n e d wi t h h y d r o l o g i c c o n d i t i o n o f W a n g z h u a n g M i n e ，t h i s p a p e r a n a l y z e d ma i n i n f l u e n t i a l f a c t o r s o f wa t e r i n r u s h f r o m wo r k f a c e c o a l s e a m f l o o r ，c a l c u l a t e d f a i l u r e d e p t h o f 1 2 0 1 wo r k f a c e f l o o r b y p l a s t i c me c h a n i c s t h e o r y ；t h e n u me r i c a l s i mul a t i o n s of t wa r e FLAC3 D wa s u s e d t o a na l yz e di s t r i but i o n l a ws o f s u r r ou nd i n g r o c k f a i l u r e f i e l d，s e e pa g e f i e l d，s t r e s s f i e l d an d d i s pl a c e m e nt f i e l d whe n wor k f ac e wa s l o c a t e d a t ha n gi ng wa l l o r f oo t wa l l o f f a ul t s ．Bas e d on s i m u l a t i on r e s ul t s，i t wa s pr op os e d t o t a ke f a ul t wa t e r i nr u s h e o nt r o l pr e r e i nf or c e me nt a n d a c hi e v e d p os i t i ve e f f e c t s ． Ke y wo r d s d e e p mi n i ng，f l o o r wa t e r i nr u s h，f l oo r f a i l u r e de pt h， nu m e r i c a l s i mul a t i on，ha n gi n g wa l l ，f o ot wa l l ， c on t r o l meaSUreS 由于我国大部分矿井水文地质条件复杂，因此，矿井突水事故是我国井工煤矿常见的重大事故之一，一直以来，矿井水害防治技术是各大矿业集团公司及相关科研单位研究的重要领域。目前，我国大多数煤炭企业根据自身的实际水文地质条件，通过对煤矿防治水工作进行不断的摸索，建立起一套行之有效的防治水体系。但是随着矿井开采深度的增加，在深部开采过程中，面临高水压、地压等复杂水文地质条件，以往积累的防治水体系已经不能满足矿井实际防治水的需要。目前国内外矿井对复杂水文地质条件下底板突水，尤其是采动影响下断层附近底板突水防治尚没有成熟的技术和经验，故对采动影响下断层附近底板突水特征及治理措施的研究具有重要的现实意义，亦可为煤矿类似条件下的水害治理工作提供借鉴。 1 工作面底板突水理论分析 1 ． 1 工程概况山西省王庄煤矿 l 2 0 1 工作面位于一盘区上山中部，采面切眼东南 1 8 0 m 是 F 1 8断层，在胶运巷掘进至 1 2 0 m、 4 6 0 m、 5 0 9 m 时分别揭露 F l 0 5 、F 1 0 7 、F 1 0 9断层，3条断层都为正断层，主采二 1煤层，煤层平均厚度为 6 ． 1 6 r n 。煤层节理、层理发育，局部含有薄层夹矸，性脆，煤的硬引用格式焦义．深部开采煤层底板突水控制技术研究 [ J ]．中国煤炭，2 0 1 7 ，4 3 3 1 0 9 1 1 2 ，1 3 3 ． J i a o Yi ．R e s e a r c h o n c o n t r o l t e c h n o l o g y o f w a t e r i n r u s h f r o m c o a l s e a m f l o o r f o r d e e p mi n in g[ J ]．C h i n a C o a l ，2 0 1 7 ，一 1 1 2 ． 1 3 3 ．深部开采煤层底板突水控制技术研究 9 0 1 9 v 1 3 3 4 度为 0 ． 9 8 ～1 ． 8 。接底为厌色．谢值物根部化石，遇水膨胀．易发， { 鼓现象．度为 3 ． 3 Y i] ；老底为深耿包 I 耿．J l I3 部， J ‘ 由 r 脉发育．致密．块状．厚发为 2 ． 0 5 m。根据 1 2 1 I 作实际水史地晚条什．响突水的主要因索为底板承 j 水、水J j - 【 I J I 作面底饭岩层性质、地质构造、 l 作 J f 采煤 l方曳地嗵 { 3 1 2 工作面底板破裂深度采用十力学巾地牲学的力 ’ 法汁钟 l 【 l J I 采引起的 f 作面底饭破裂深度。地撼『 f f 的微 r阿『』 u 1所示．根据蝈性理沦．地螭 ⋯1 傲、卜衙 J 主嘎分为 I 、I I 、I I I 3个。受 f 采过支嗽 f f 力影响导致的底板破坏深度如 2所爪． r f I I 表示破坏深度。 j “I I I I I ““I J - - - ，『 I “I I “I J J 0 “““ 1 地琏 l I 】的、衙 0 ．． f 芰7 羲』 J 彤 b 的 J 板破J J 业经过计算推导．煤层 J X 的卜 I t l n 苦 K ～ l S 1 nl ；式 r t ，』煤层性宽度．n 最人应集 r f 1 系数； H 外采深瞍．n 1 y 岩体容霞．k ， n 1 、、内聚力．MPa ； Ⅲ 煤层开采．m；内擘擦角．。。底板最大破坏深度 1 1 0 一一里l _ 0 ，- - 丌 2 c o s ‘ 底板最人深 J 叟的f ， t 。 - 、 ⋯ 三 _ _ _ 1 1 叶 1 J 板 { I- f 仪、卜均 I～f 抹『『 J ．。。 r 物试验结．j i ” 』 J 、 j 参数进行{ J 减．i i l l f．I ，J f 【挚撩 fi t 一1 8 。．， 1 ． n ．、一 1 ． MI I 1 1 一{ ． 6 1 1 1 ．H 一㈣ 1 I l l 代入 1 ．僻 L l ． 1 l 1 1 、将一 3 。埂卡 I I 父数『 fl 代入式 f l l 式 1{ ． D 、一1 ． 8 3 I l 1 ．， l 6 ．1 j n 1 f 此． I t 乍『 } 带 ’ 采H ．、 ‘ { j C K度为 l I 1 1 H 寸． 1 作丽板的最人破坏深 2 1 ． 8 {I 1 1 I‘ ．他置距离 l 作端 1 6 ． 1 5 m、．受矿 ⋯J 1 i J n ，J 响．底板破坏深慢 ⋯以【』、 J 的处 ] 弹状态．域内裂隙贯通．水 f I 4 。个火 _r J5 『l1i 水能．此．求呔扳隔水的度 1 作 n t f 山 t 大破坏深度以卜的他／ j 能保 t l I 作 1 会发扳突水敝。 2 采动影响下断层突水的数值计算分析 2 。 1 数值模型建立为馍拟 1 1 1 作采蝶过 I f 1 仃水断时． f 作呔板破坏场、渗流场、心力场／支移场分觇情 7 ．选取胶运岱 I 】 I 1 处揭露 F l 【 j 断层．以陔断为卜心建、厂馍。建、模犁 K度 l 6 j I 1 1 ．倾向宽度为 n 1 ．模 } f岛 l n 1 ．摸型如罔 3} 町， J 。选墩 J ’ 个特点删断层 f i 】一3． j 0 8 【内 f f T ；一． 1 { ；断层下部j { 一 i ．】0 2 o ‘ 嘶 2 2数值模拟结果 2 2 ． 1 工面市曼在爱下盘似没 I 怍 f 断 J 蕊、没一 3 0 n 1 巾f 垛筇 { 、{罄蝴 j } f f 州二主 __主三 “ 缃川_二 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r f l 。叫破坏场湾流场刖分 m ⋯ I tl『．水断 J 彳 L 隙水J 力场分佑 l f 1 n J 卜『 I l J‘ ， ‘ m．致 J L 行凼 i 船形成一定 f i j 渗流场断J 雠晰卡常火．州水 J 条什卜．渗透 i ‘域远人 j 它特殊的水构造；孔隙水，川 f 断』 I 】『 J L l 例扩敞． j r 不断减小．存某个临．将此怖 ⋯说渗流场的临时边 1 1 面册 f 渗流场较远．采动影响／ f 金波及断 J 州边渗流场 I 破坏场 j 渗流场的柏合分 1 一析与断层下盘开采时原理基本一致；随着 _ I 作面的开挖，工作面前方同岩塑性破坏区不断前移，与断层周边的渗透区域不断接近；岩破坏场与断层周边渗流场从原始的相对无联系状态，渐渐发展为相互联系。相互贯通；南于底板面积非常大。渗流场波及范围亦很大；随着 T作面开挖， I 作面底板近处水压力小于 1 MP a ，会发生一定程度的渗水；随着保护煤柱留设距离减小到 3 0 m 以内．突水危险性不断增大。 2 应力场分析。丁作面布置在上盘时区域同岩应力场分布如图 7所示。南图 7可知，与布置于工作面下盘相比较。T 作面开采时．造成断层活化。因而产生的断层应力集中相比较下盘开采要大；破坏场与渗流场耦合距离更大，应力场扰动范围亦较大。 a 保护煤柱为3 0 m b 开挖到断层图 7_T作面布置在上盘时I 爰域围岩应力场分布 2 ． 2 ． 3 断层上、下盘受采动影响位移量对比分析断层上、下盘特征点位移变化如图 8所示，罔 8中横坐标 l 、2 、3分别代表断层上部、中部、下部 3个位置，纵坐标指 3个部位的位移量。由冈 8 可知。无论选择在断层上盘开挖还是断层下盘开挖，断层上、中、下 3个特征点的位移以断层上部为大，往下位移相继减小；断层上盘位移整体高于断层下盘。比较上下盘工作面上、中、下 3个特征点位移，上盘 3个特点较下盘 3个特征点分别增大了 1 ． 0 7 2 、1 ． 7 2 、1 ． 4 。可以看出断层上盘在开采过程中底板位移量较大，断层上盘承受的垂向应力较断层下盘要大。通过应力场图 5和阁 7做对比，可以看出断层上盘开采时最大集中应力约为下盘开 1 ] 2 采的 1 ． 5倍。鉴 0 层下盘表征点位移层上盘表征点位移 I 2 3 『 j 日 8断层上、下盘特征点位移 3治理措施结合】 2 O 1_ 1二作面实际地质条件及以上对底板破坏深度、断层对底板突水的数值模拟分析结果，为防止突水事故的发生。1 2 0 l丁作面布置在断层下盘，并提采刖底板钻孔注浆的方式对 F 1 O 5 、 F】 0 7、F1 O 9断层进行预加固。在 1 2 0 1 T作面胶运巷距离切眼 5 0 9 ． 4 m 处上帮 5 钻场内施 5 一l 、5 2 、5 3 钻孑 L ，在胶运巷距离切眼 4 6 1 ． 4 I I 1 处下帮 4 钻场内施工 4 1 、 4 2 、4 3钻孔，钻孔终孑 L 深度控制在 I 8灰岩底板下垂距 1 5 m，钻进过程中，如果有水就进行注浆改造，如果无水则封孔，如以上钻孔不能满足要求．可根据钻孑 L 揭露的水文地质资料适当增加钻孔．增加钻孔以] 程联系单的形式通知施 ] 二单位。 1 注浆材料。本次注浆采用电厂粉煤灰，以 4 掺量的水泥一粉煤灰为基材，加入很少量的二三乙醇胺、C a C 1 7 和减水剂。该材料 3 d和 7 d后的抗压强度分别达到了 4 ． 2 5 MP a和 1 1 ． 4 O MP a 。且浆体在水灰质量比 1 1的情况下具有较好的流动性。可注性能优异．满足底板改造、注浆堵水的要求。通过正交设计试验，得出复合早强剂的配方为三乙醇胺0 ． 0 5 ％。C a C I 2 1 ％．减水剂 F D N 一 8 0 0 0 0 ． 25 。 2 注浆效果。 _ I 作面底板未经注浆加同前， _ r 作面正常涌水量为 2 0 0 m ／ h左右，最大涌水量为 3 0 0 n 1 。‘ ／ h 。很难保证 1 二作面安全回采。T 作面底板钻孔注浆改造后实际正常涌水量为 2 8 ． 5 m’ ／ h ．最大涌水量为 3 8 m ／ h 。水量小降低了原煤水份，提高了煤质．增加了发热量；lT作面涌水量减小提高了T作面的回采速度。保证了工作面安全回采。 4 结论 1 通过分析 1 2 0 1丁作面的水文地质条件。得到了影响底板突水的主要因素，下转第 1 3 3页中 f司煤炭第 4 3卷第 3期 2 0 l 7年 3月硫化氢由 1 9 3 mg ／ m。降至 6 3 mg ／ m。，降低效率为 6 7 ． 6 ；采用注／喷吸收液综合技术时，上隅角硫化氢由 1 3 6 5 mg ／ m 。降至 4 2 mg ／ m。，降低效率为 9 6 ． 9 ，回风巷硫化氢由 1 9 4 mg ／ m。降至 1 5 mg ／ m。，降低效率为 9 2 ． 1 。注／喷吸收液降低上隅角和回风巷硫化氢效率曲线如图 5所示。＼、鹾 4结论注射吸收液浓度／％图 5 注／喷吸收液降低上隅角和回风巷硫化氢效率曲线图 1 率先使用了喷洒吸收液治理采动涌出硫化氢技术，完成了采煤机割煤时下工作面不同位置的喷洒吸收液装置降低硫化氢浓度试验，建立了硫化氢气体的实时监测与超限报警系统。 2 研究了硫化氢综合治理的效果，运输平巷上方硫化氢降低效率为 8 6 ． 6 ，回风巷硫化氢降低效率为 8 6 ． 4 ％，回风大巷硫化氢降低效率为 8 5 ． 6 ，试验工作面注吸收液浓度为 1 ． 8 ，硫化氢治理效率达 9 2 以上，取得良好的治理硫化氢效果。参考文献 r 1 ] 林海，韦威，王亚楠等．煤矿井下硫化氢气体的快速控制实验研究E J ]．煤炭学报， 2 o 1 2 1 2 E 2 3 明举，李国旗，刘彦伟等．煤矿硫化氢气体成因类型探讨 E J ]．煤炭学报， 2 O l 1 6 E 3 1 魏俊杰，邓奇根，刘明举．煤矿硫化氢的危害与防治 _ J ]．煤炭技术， 2 0 1 4 1 0 [- 4 1 唐文胜．龙门峡北矿硫化氢综合治理技术研究 E J ]．中国煤炭， 2 O 1 6 1 2 E s ] 袁欣鹏，梁冰，孙维吉等．煤层注碱治理矿井硫化氢涌出危害研究 [ J ]．中国安全科学学报，2 0 1 5 5 [ 6 ] 王建，王宁波，漆涛等．急倾斜煤层硫化氢气体侵蚀规律与综合治理 E J ]．西安科技大学学报，2 0 0 9 6 E 7 1 袁亮．低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术 [ J ] ，煤炭学报，2 0 0 8 1 2 E 8 3 新占，陈建强，漆涛等．急斜特厚煤层综放面瓦斯运移规律与综合治理 E J 3．西安科技大学学报，2 0 0 4 5 责任编辑张艳华上接第 1 l 2页利用塑性力学理论对 1 2 0 1 工作面的底板破坏深度进行计算得到其破坏深度在 2 1 ． 8 3 m。 2 以 F 1 0 9断层为模拟断层、1 2 0 1工作面为模拟工作面，利用 F A L C 3 D对采动断层活动突水进行了数值模拟，模拟了工作面分别布置在断层上盘和下盘两种情况，得出了两种情况下围岩破坏场与渗流场分布规律、应力场分布规律和位移场分布规律，且工作面布置在断层下盘时 3个特征点位移小于上盘。 3 对工作面内的 F 1 0 5 、F 1 0 7 、F 1 0 9 3条断层进行预加固，改造后实际正常涌水量为2 8 ． 5 m 。／ h ，最大涌水量为 3 8 n l 。／ h ，保证了工作面安全回采。参考文献 E l l 武强，李周尧．矿井水灾防治 E MI．徐州中国矿急倾斜特厚煤层硫化氢治理应用技术研究 E 2 1 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 业大学出版社，2 0 0 2 卜昌森．矿井断裂构造定量评价研究 [ J ]．中国煤炭，2 o 1 2 1 1 武强，董书宁，张志龙．矿井水害防治 E M1．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 7 钱呜高，茅献彪，缪协兴．采场覆岩中关键层上载荷的变化规律 E J I．煤炭学报，1 9 9 8 2 钱呜高，石平五．矿山压力与岩层控制 [ M]．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 3 作者简介焦义 1 9 6 7 ，男，汉族，山西省浑源县人，硕士，高级工程师，现任大同煤矿集团王村煤业有限责任公司副董事长，长期从事煤矿技术与安全管理工作。责任编辑张艳华 1 3 3