随着我国东部矿井开采逐渐向深部发展,受灰岩岩溶承压裂隙水作用,矿井突水危险性不断增加。其中,最具代表性的是华北型煤田下组煤煤层,在灰岩岩溶水和强径流导水构造的共同影响下,煤层开采受水威胁严重。目前,全面注浆改造底板的深度达到极限平衡值,采用传统注浆堵水方法已难以奏效,为实现煤层安全高效开采,亟需加强相关技术的研究。近年来,通过吸取教训、总结经验和工程实践,证明并检验了帷幕注浆技术在高承压、强含水等条件下治理水害方面的有效性。但是,目前关于帷幕注浆方案的设计还不够完善,且忽略了注浆改造坚硬复合顶板在推采过程中难垮落问题,顶板垮落不及时或突然垮落,易导致岩层形变过大,顶板裂隙发育贯通形成新的导水通道,威胁采区安全。因此,本文以邱集煤矿11煤层首采区为研究背景,通过现场监测、理论分析和数值模拟相结合方法,研究了水体下采煤的帷幕及开采防护技术。(1)通过开展抽水试验和含水层连通性示踪试验,分析得到首采区受顶板四五灰含水层水平方向和垂直向下的补给,并接受底板徐灰含水层垂直向上的补给,且受垂向导水通道存在的影响,会在采区底板处形成集中出水带。其中,奥灰含水层是其上覆徐灰、四五灰地下水的重要补给来源之一。(2)利用RFPA2D-FLOW建立数值计算模型,分析灰岩顺层段和垂向导水通道段在不同注浆压力下浆液扩散规律,结果表明:①注浆压力越大,浆液扩散半径越大,但当注浆压力达到12MPa压力值时,扩散半径增幅不太明显;浆液有效扩散半径为30m,最远扩散半径35m,因此,数值模拟中注浆帷幕体安全厚度初选范围为60-70m;②当垂向通道段为强透水时,浆液在低压力作用下便能扩散200-250m,扩散范围能充分覆盖垂向导水通道段。(3)利用FLAC3D建立数值计算模型,分析60m、65m和70m三种不同注浆帷幕体厚度对四五灰及首采区孔隙水压力和应力分布的影响规律,结果表明:①随着注浆帷幕体厚度的增大,注浆区域内部的四五灰和1 1煤层首采区孔隙水压力不断减小,与厚度60m相比,65m时的四五灰和首采区孔隙水压力分别降低了 21%和50%,65m和70m厚度孔隙水压力相差不大,说明注浆帷幕体有效的防止四周水源渗入内部;②随着注浆帷幕体厚度的增大,注浆区域内部四五灰和首采区应力呈减小趋势,有效应力呈增大趋势,65m和70m厚度应力相差不大,说明注浆帷幕体改善了四周岩体的受力状态,提高了稳定承载能力,确定注浆帷幕体安全厚度为65m。(4)考虑地质构造、地应力对顺层段钻孔方位选取的影响,在布置地面定向顺层段钻孔时,横向上大角度沟通多个构造的前提下,尽可能沿注浆目的层倾向近水平钻进,能够沟通更多构造和层理结构面。且注浆钻孔水平段沿最大主应力垂直方向钻进时,可以获得更好的浆液扩散半径。(5)通过对注浆前后顶板四五灰涌水量和底板徐灰涌水量、突水系数进行计算,并结合现场监测数据,分析帷幕注浆后的加固堵水效果,结果表明:①顶底板注浆后1101、1102和1103工作面涌水量均小于60m3/h,单孔涌水量小于10m3/h,工作面和单孔涌水量均小于矿区规定临界值,含水层堵水率达到99%以上;②注浆后徐灰含水层变为隔水层,且徐灰含水层突水系数小于矿区规定临界值,注浆效果检查指标均达到矿区要求,说明帷幕注浆加固堵水效果良好,验证了帷幕注浆技术有效性。(6)通过将顶板岩层简化为梁模型,分析切顶和未切顶岩层结构受力状态,依据岩层断裂、垮落判定准则,进行了开采距帷幕边界安全距离的计算。并利用FLAC3D建立数值计算模型,分析了首采区1102、1103工作面开挖后注浆帷幕体x方向和y方向应力分布规律,结果表明:开挖后东西两侧注浆帷幕体x方向最大应力较开挖前增长了 5%;首采区1102工作面开挖后,南北两侧注浆帷幕体y方向最大应力较开挖前增长了 6%;首采区1103工作面开挖后,南北两侧注浆帷幕体y方向最大应力较开挖前增长了 7%。说明开挖对注浆帷幕体仅产生轻微影响,首采区开采距四周帷幕边界安全距离是有效的。