華陽煤業15101工作面上覆采空區積水防治研究

原曉暉

(山西煤炭運銷集團 華陽煤業有限公司， 山西 晉城 048000)

煤礦水害嚴重威脅著煤礦的安全生產，對采空區積水防治研究具有重要意義，通過國內學者不斷探索與實踐，煤炭科學研究院劉天泉院士提出了“上三帶”理論[1]，提出了頂板防治水主要控制冒落帶和裂隙帶；中國礦業大學錢鳴高院士創立了關鍵層理論[2]，認為關鍵層是承載能力最強的巖層，遭到破壞就會發生突水；西安科技大學侯忠杰教授提出了組合關鍵層理論[3]，該理論分析了不同覆巖巖層關鍵層的層位；山東科技大學高延法教授提出了巖移“四帶”模型[4]，將巖層劃分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖擊層帶，進一步拓寬了對頂板突水機理的認識。本文基于關鍵層理論采用模擬與計算對上覆采空區積水進行研究，主要是為了確定工作面回采對采空區積水帶形成的影響程度，從而確定最終導水裂隙帶的發育程度，并以此為依據對工作面頂板進行水害防治，從而保障工作面回采安全。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團華陽煤業有限公司位于晉城市西約35 km處，井田范圍由19個拐點連線圈定，面積為8.649 8 km2，開采深度740～600 m，井田呈不規則多邊形，北寬南窄，東西最寬約3.1 km，最窄約0.9 km，南北最長約3.9 km. 華陽煤業可采3#、9#、15#煤層，已知3#煤層已采空，有一個積水區；9#煤層共有32個采空區、1個古空區及8個破壞區，其中有17個積水區。現開采15#煤層，位于太原組下部K2灰巖下，上距9#煤層底板31.17 m，下距K1砂巖頂5.00 m，煤層厚度2.41～4.09 m，平均3.06 m，頂板為K2灰巖；底板為泥巖、鋁土泥巖，15#煤屬結構簡單-復雜、穩定可采的中厚煤層。15101工作面為15#煤層的首采面，在回采15101工作面時，15101回風順槽、15101運輸順槽、15101切眼巷道表現出涌水量異常增大，最大涌水量1 155.38 m3/d，經過地面瞬變電磁探測到上覆9#煤層采空區存在積水，在圖1的L34測線視電阻率剖面圖中可以看出，9#煤層呈現出低阻異常特征，經檢測估算出采空區積水量達140 050 m3，在回采15101工作面時可能會受到9#煤層采空區積水的影響，因此必須做好探放水工作。

2 15101工作面回采數值模擬

2.1 數值模型的建立

在回采15101工作面時，為了確定上覆采空區積水對工作面回采的影響程度，應用UDEC數值模擬軟件對工作面的回采進行了模擬分析，數值計算模型見圖2. 模型范圍為90 m×240 m，煤層厚度3 m，下部底板厚度5 m，煤層上部直接頂厚度6 m. 直接頂以上依次為3 m厚亞關鍵層、14 m厚基巖、6 m厚主關鍵層、26 m厚基巖、3 m厚風化帶、20 m厚四含承壓含水層、10 m厚松散層，模型在左右邊界固定x方向位移，底部界面固定y方向位移，松散土層的自重應力作為均布荷載施加于頂部邊界。采用摩爾庫倫滑移本構模擬節理單元，采用摩爾庫倫破壞準則模擬塊體單元[5].

圖2 數值模型圖

2.2 模擬結果分析

模擬計算過程設置為工作面每回采30 m設置模型，左右兩側為保護邊界，亞關鍵層每隔20 m劃分一個結構面、主關鍵層每隔50 m劃分一個結構面，結果見圖3.

圖3 開采模型垮落圖

由圖3a)可知，開采30 m后，主關鍵層下部20.0～30.0 m基巖出現切斷垮落，懸露部分的主關鍵層彎曲下沉，引起上部基巖也向下移動，此時離層裂隙在基巖中產生。由圖3b)可知，開采60 m后，主關鍵層內部豎向裂隙開始發育，最大豎向裂隙發育高度達43.0 m，說明主關鍵層有整體切斷垮落的趨勢，主關鍵層在相互連接的界面上因承受剪切作用而發生剪切位移，此時離層裂隙發育最大高度為59.0 m. 由圖3c)可知，開采90 m后，煤層上部直接頂全部垮落，豎向裂隙發育最大高度為72 m，主關鍵層形成懸臂梁結構，主關鍵層懸臂部分上覆基巖中豎向裂隙發育明顯。由圖3d)可知，開采120 m后，主關鍵層發生整體切斷，主關鍵層下部基巖和直接頂也隨之整體切斷垮落，此時離層裂隙發育最大高度為81 m，豎向裂隙波及承壓含水層，工作面發生突水事故。

2.3 回采120 m時導水裂隙帶模擬結果

為了更直觀地看出工作面回采120 m時導水裂隙帶的發育程度，對工作面回采120 m時進行了模擬分析，模擬結果見圖4.

圖4 回采至120 m時導水裂隙帶發育程度圖

由圖4可知，經過有限元計算分析開采120 m后，主關鍵層下部基巖和直接頂也隨之整體切斷垮落，垮落區主應力方向發生偏轉，形成拱狀。垮落區的豎向位移極大，即已觸碰到采空區的底板。主關鍵層上方的基巖體內離層裂隙發育顯著，且豎向裂隙發育至承壓含水層底板，導致發生突水事故。

2.4 導水裂隙帶計算

井田內各煤層分布大小不一的采空區，礦井未來5年計劃開采15#煤層。井田內15#煤層為緩傾角，頂板主要為石灰巖。依據相關公式計算出15#煤層導水裂隙帶最大高度：

(1)

(2)

式中：

M—累計采厚，m；

H導—導水裂隙帶高度，m；

n—煤分層層數。

15#煤層厚度為2.41～4.09 m，平均3.06 m，經計算后得出15#煤層導水裂隙帶高度為58.16～70.67 m，平均62.97 m，而15#煤層距離9#煤層為27.84～46.15 m，開采15#煤層后，冒裂帶高度能達到9#煤層。

3 采空區探放水

3.1 方案選擇

經過模擬可知，工作面回采會導致上覆采空區導水裂隙帶高度不斷增大，最終使15#煤層與9#煤層貫通，并形成突水事故。針對采空區積水防治，通常有兩種方案，探放水和頂板注漿，前者能夠較好地對采空區內積水進行疏排，而后者通常治理效果不如前者。因此，該礦通過對現場地質的勘測以及經驗，決定采用探放水手段，對9#煤層采空區積水進行探放，設備選用ZYJ-770/180型架柱式液壓回轉鉆機，額定壓力12 MPa，額定轉矩770 N·m，額定轉速180 r/min，鉆桿150根、鉆頭d65 mm，以終孔位置設計為15101工作面上覆9#煤層最低處為基本原則。

3.2 施工過程

該次施工共設計1組鉆場，鉆孔個數3個，分別為空1-1鉆孔、空1-2鉆孔、空1-3鉆孔，各個鉆孔施工開孔位置選取為15#煤層15101回風順槽與切眼交叉位置，終孔位置選取為9#煤層以上2 m. 該組鉆場分為3個方向，其方向分別為與15101回風順槽平行，指向停采線方向；與15101回風順槽夾角為30°，指向工作面內；與15101回風順槽垂直，指向15101運輸順槽，鉆孔平面布置圖見圖5. 其中，空1-1鉆孔，起點標高637.55 m，終孔標高687.76 m，平距38.64 m，方位角S0.9°E，平均傾角52°，深度63.36 m，開孔孔徑108 mm，終孔孔徑75 mm；空1-2鉆孔，起點標高637.55 m，終孔標高687.02 m，平距35.59 m，方位角S30.9°E，平均傾角54°，深度60.76 m，開孔孔徑108 mm，終孔孔徑75 mm；空1-3鉆孔，起點標高637.55 m，終孔標高687.80 m，平距36.05 m，方位角N89.1°E，平均傾角55°，深度62.12 m，開孔孔徑108 mm，終孔孔徑75 mm.

圖5 鉆孔平面布置圖

3.3 施工效果

3個鉆孔均對9#煤層小窯積水進行探放，鉆孔達到設計終孔層位后，對鉆孔深度進行測量，并根據孔內煤巖性預測鉆孔偏斜情況，即將揭露采空區積水之前要在孔口安裝防噴反壓裝置，鉆進過程中，一旦發現“見軟”、“見空”、“見水”和“變層”，要立即停鉆。該礦經過為期120天的探放水，放水量共計83 040 m3，回采過程中巷道涌水量正常，為692.43 m3/d，使工作面得以安全回采。

4 結 論

該礦為了確定工作面回采過程中受到上覆采空區積水的影響程度，采用UDEC數值模擬軟件對工作面回采過程進行模擬，得出：

1) 在工作面回采至120 m時，直接頂的垮落即第二次周期來壓的顯現，造成了15#煤層導水裂隙帶的增大，進一步導致豎向裂隙波及承壓含水層發生突水事故。

2) 經過計算得出，15#煤層導水裂隙帶的高度為58.16～70.67 m，平均62.97 m，開采15#煤層后，冒裂帶高度能達到9#煤層，并可能造成工作面突水。

3) 采用探放水技術對上覆采空區進行了探放，探放水總量達83 040 m3，工作面回采過程中涌水量表現正常為692.43 m3/d，為工作面的安全回采提供了保障。