榆樹坡煤礦1201工作面覆巖離層水體治理技術研究

劉 騰

(山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 寧武 036700)

1 工程概況

榆樹坡煤礦目前正在進行2號煤層的采掘工作，2號煤層平均厚度4.65 m，煤層結構為1.20(0.10)3.45，結構較簡單，煤層整體為單斜構造，整體坡度較平緩，煤層傾角為5～12°，平均8°。2號煤層直接頂為泥巖，老頂為粗砂巖，局部發育粉砂巖、砂質泥巖；底板為灰白色細砂巖，硬度較強，主要以石英、長石為主。1201工作面正在回采，工作面地面標高為1 145～1 241 m，工作面標高為650～756 m，蓋山厚度為421～559 m；工作面走向長度1 815～1 826 m，傾斜長度235 m。采用綜合機械化長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。1201進風巷在掘進至前方600 m處揭露DF23正斷層，掘進至斷層附近巷道頂板比較破碎并伴有淋水現象。1201工作面自開切眼處推進192 m時，頂板共發生了四次周期性透水，嚴重影響工作面的安全生產，因此急需對工作面頂板水害治理進行研究。

2 1201工作面開采覆巖破壞規律研究

為確定1201工作面回采期間頂板突水情況，通過FLAC3D數值模擬研究1201工作面回采期間上覆巖層的垮落規律，確定其導水裂隙帶發育高度，結合煤層上覆巖層的含水情況對導水通道進行預測[1]。根據工作面地質條件，建立模型尺寸：長×寬×高=600 m×100 m×600 m，為了消除邊界效應，工作面開挖時走向和傾向兩側分別保留100 m的煤柱，采用摩爾-庫倫彈塑性體模型，采空區用null單元。模型前后、左右邊界水平方向位移為零，底部為固定邊界，上部邊界為自由面。由于篇幅所限，對數值模擬的結果進行提取，在工作面推進方向取一截面將典型的模擬結果在圖1中列出。

圖1 模型開挖時上覆圍巖塑形區分布

根據圖2可知，隨著工作面推進距離的增大，回采工作面上覆巖層塑性區逐漸增大；當工作面推進60 m時，僅工作面中部直接頂發生了小范圍的拉破壞，上覆巖層裂隙帶高度最大為13.8 m；當工作面推進120 m時，采空區頂板塑性破壞高度明顯增加，裂隙帶高度為24.9 m，并且在工作面兩側邊界上部圍巖出現剪切破壞區；當工作面繼續推進至180 m時，此時工作面上覆圍巖塑性破壞呈馬鞍形分布，工作面中部巖層破壞范圍繼續增大至32.6 m，工作面兩側圍巖主要破壞形式為剪切破壞，發生破壞的巖層高度約為38.6 m；推進至240 m時，上覆巖層破壞形式與推進180 m時基本相同，工作面兩側上部巖層塑性破壞高度增加為43.8 m；推進300 m時，工作面上覆巖層導水裂隙帶繼續增大至51.6 m；工作面推進至360 m時，其上覆巖層破壞情況基本不再變化。由此可得，1201工作面回采期間，傾向導水裂隙帶發育高度隨著工作面回采逐漸增大，導水裂隙帶高度發育至最大約為52 m。

3 榆樹坡煤礦2號煤層開采充水離層致災機理

隨著工作面的回采，上覆巖層周期性垮落，泥巖隔水層因失去支撐發生蠕變而彎曲下沉，砂巖類含水層硬度較大下沉量較小，因此與下部泥巖發生離層，如圖2(a)所示，上部含水層內的水逐漸在離層位置匯集，如圖2(b)所示，隨著工作面的持續推進，上覆巖層的懸頂距不斷增大，離層空間內積水越來越多，當下沉的泥巖強度達到極限時，斷裂導致離層水體涌入工作面，如圖2(c)所示，引發工作面突水事故[2-3]。

根據榆樹坡煤礦1201工作面開采范圍內鉆孔數據，獲知工作面頂板巖層的巖性和厚度。由于篇幅所限，僅列出和本次研究相關的實驗參數。如表1。

表1 上覆巖層詳細特征

利用下式來確定頂板離層的位置[4]：

(1)

式中：E為巖體抗壓強度，MPa；h為巖層厚度，m；ρ為巖層飽水密度，t/m3。

將表1中各巖層的數據帶入到式(1)進行計算，計算過程以第二層和第一層之間為例，得到：左邊為21.6×282×2.36×10=399 651，右2.33×14.5×103=33 350，左邊>右邊，可產生離層，但是兩個巖層均處于垮落帶，在實際生產中并不會產生離層。由于篇幅所限，其余巖層詳細的計算過程未給出，采用上述方法最終計算結果為：第1層和第2層可形成離層，第3層和第4層可以產生離層。

圖2 離層水害形成機理示意

榆樹坡煤礦1201工作面采高為4.6 m，根據數值模擬結果可知其導水裂隙帶高度為52 m，工作面上覆巖層主要含水層為直羅組底部粗粒砂巖含水層即第四層，第一層與第二層之間雖然能夠形成離層，但是處于垮落帶內，不可能形成離層充水。第四層上部的五、六層均為隔水層，并且第四層底板(距2號煤層頂板50 m)處于導水裂隙帶內(52 m)，因此只有第3 層與第4 層之間的離層可以充水。綜上可知榆樹坡煤礦1201工作面周期性突水水源為距離煤層頂板50 m處的離層充水。

4 1201工作面頂板水害綜合治理

根據以上分析得知，榆樹坡煤礦1201工作面回采192 m期間頂板發生的周期性突水水源為直羅組底部粗粒砂巖含水層，致災離層為第三與第四巖層之間的積水離層。含水層距離煤層頂板50 m，1201工作面采高為4.6 m，導水裂隙帶高度為52 m，致災離層處在導水裂隙帶范圍內。為避免頂板突水事故的發生，對離層水源進行提前預疏放是很好的技術手段，在1201工作面前方每間隔60 m在其運輸巷和回風巷內分別布置一個鉆場，鉆孔布置詳情如圖3所示。通過該方法對2號煤層頂板直羅組底部粗砂巖(上、下分層)含水層的靜儲量進行有效疏放、盡量降低其水壓。根據現場施工情況，疏放孔最大單孔水量為28.5 m3/h，平均單孔流量為11 m3/h，將平均水壓降至0.03 MPa，限于篇幅各孔施工情況、流量歷時曲線及水壓變化情況在此不再贅述，總體上達到了預期效果。

圖3 1201工作面離層充水含水層疏放鉆孔布置

基于前文對1201工作面頂板水害致災機理的研究，設計工作面回采時階段性頂板水害防治措施，1201工作面回采時周期垮落步距約為60 m，根據圖4(a)所示方法，對離層水體進行探放工程設計，當頂板周期來壓后，工作面推進45 m時頂板開始存在離層充水區域，因此此時開始對離層充水水體進行探放，探放一直持續到工作面繼續推進30 m，進入到下個周期來壓步距內15 m，不再受上個周期采空區離層水體的威脅，在下一個來壓步距回采45 m時又開始對該步距內后方離層充水水體進行探放。探放孔與2號煤層頂板垂直距離約為50 m，探放形式如圖4(b)所示。

圖4 離層充水探放技術(m)

1201工作面采用探放水技術進行離層充水的防治，工作面前四個頂板周期垮落循環探放孔鉆場的布置詳情如圖5(a)所示。每隔大約60 m布置一個鉆場，在T1鉆場共施工七個探放孔，其中出水的有五個，探放孔排水量整理后如圖5(b)所示。根據探放孔水流量的變化可知，T1-2、T1-4成功對離層充水進行探放，工作面回采期間未出現頂板涌水現象，實現了安全回采，回采期間工作面涌水量穩定在110～140 m3/h。

5 結 語

根據榆樹坡煤礦1201工作面地質條件，通過數值模擬及理論計算分析表明，1201工作面回采期間上覆巖層導水裂隙帶發育高度約為52 m，1201工作面回采期間頂板涌水水源為直羅組底部粗粒砂巖含水層，導致工作面涌水為第三與第四巖層之間的積水離層，據此設計采用離層充水水源疏放及致災離層水體探放技術防治頂板水害，經過疏放成功地將粗砂巖含水層平均水壓降至0.03 MPa，通過合理的探放有效排除了離層充水，回采期間工作面涌水量穩定在110～140 m3/h，實現了工作面的安全高效開采。

圖5 1201工作面離層充水探放