成莊礦1307工作面老空水治理技術

韓建強

(晉城藍焰煤業股份有限公司 成莊礦，山西 晉城 048000)

水體下采煤由于回采期間導水裂縫帶容易與上方老空積水區或含水層貫通，在回采期間具有較大風險[1]。對此，大量學者進行了研究：伍永平等[2]結合理論計算與相似模擬試驗對綜放面導水裂縫帶進行預計，結果表明，頂板破斷造成的導水裂縫常出現在老頂上方，隨著工作面的推進，導水裂縫向下部不斷拓展，最終與工作面煤壁貫通；楊達明等[3]結合鉆孔電視與數值模擬試驗分析得出，導水裂縫帶發育經歷發育、緩慢、突增、穩定4個階段，覆巖導水裂隙帶以離層的形式不斷向上位巖層拓展；楊建立等[4]通過在頂板巖層中布置鉆孔的方式進行觀測發現，同樣采高條件下，綜放開采比分層開采導水裂隙帶發育高度高1.3倍左右，在初次采動條件下，兩種采煤方法裂采比基本持平；彭濤等[5]通過理論分析的方法得出，頂板涌水潰沙造成的原因不僅包括煤炭開采，同時會受地質構造、動力突變等因素影響，隨著積水量的不斷增加，造成突水潰沙現象；劉英鋒等[6]結合鉆孔探測數據分析認為，頂板裂隙自上而下逐漸增多，在砂巖區域，裂隙主要受拉伸破壞影響，裂隙尺寸角度相對較大，推進距離與導水裂隙帶發育高度曲線呈“臺階”式分布。

雖然水體下采煤的研究成果眾多，但都是針對各礦的具體情況，研究成果并不具備普遍適用性。對此，本文以成莊礦1307綜采工作面為研究背景，通過理論計算、數值模擬及現場實測的方法，對老空區積水下工作面回采可行性進行研究。

1 工程概況

成莊礦1307工作面開采9號煤層，采用綜合機械化采煤法采煤，全部垮落法處理頂板，工作面平均埋深440 m，工作面走向長度850 m，傾向長度176 m，煤層平均厚度1.1 m，平均傾角4°，屬近水平煤層，煤層賦存穩定，節理發育。煤層頂底板巖性見表1。1307工作面上方存在3號煤層3304工作面采空區，3304工作面采空區埋深平均390 m，結合地面順變電磁勘探資料，3304工作面預計存有采空區積水88 000 m3，采空區距1307工作面最小垂直距離47 m，目前，1307工作面初采期間存在頂板局部淋水的問題，由于工作面直接頂為泥巖，當工作面頂板淋水后，頂板泥巖出現泥化現象，大幅降低工作面頂板強度，頂板局部破碎現象嚴重。

表1 煤層頂底板巖性

2 理論計算

2.1 9號煤層開采導水裂縫帶高度理論計算

結合《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》經驗公式，通過理論計算，確定工作面淋水原因與工作面上方3號煤層采空區積水是否有關，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Ht為導水裂縫帶發育高度，m；M為工作面采高，m。

9號煤層平均可采高度為1.1 m，代入上式計算得出，Ht為30.1 m。

2.2 3號煤層開采底板破壞深度理論計算

3304工作面在回采期間造成工作面底板破壞，結合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，工作面底板破壞深度可由式(2)進行計算：

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-43 579

(2)

式中：h為底板最大破壞深度，m；H為埋深，m；α為地層傾角；L為工作面斜長，m。

3304工作面平均埋深390 m，平均采高6.1 m，地層傾角4°，工作面斜長220 m，計算得出h為23.361 m，取24 m。

則1307工作面頂板最大破壞高度理論計算結果如式(3)所示：

HP=Ht+h

(3)

計算得出1307工作面頂板最大破壞高度為54.1 m，大于與3號煤層采空區間距，故采空區積水可能對1307工作面回采產生影響，在1307工作面回采初期，應采取探放水等措施以保證工作面正常回采。

3 數值模擬試驗

3.1 模型建立

數值模擬采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件進行，分析頂板導水裂隙帶發育高度，設計模型尺寸為276 m×150 m×133 m，模型左右兩側預留50 m邊界煤柱，主要觀測煤層開挖后，上覆巖層穩定下圍巖塑性區分布情況，因此，建立模型時自上而下分層建立，主要包括基巖層、頂板、煤層、底板。各巖層巖石力學參數表見表2。

表2 頂底板巖石力學參數

3.2 邊界條件及模擬方案

采用摩爾庫倫本構關系對模型進行定義，對模型前后左右四個方向約束位移，固定底板，頂板自由，在頂板施加均布載荷模擬未模擬巖層產生的應力，擬分析采高為1 m情況下的頂板導水裂縫帶發育高度。

3.3 數值模擬結果分析

采高為1 m情況下巖層塑性區分布云圖，如圖1所示。由圖1可知，開挖煤層頂板穩定后，工作面兩側上方巖層塑性區發育高度較高，此時導水裂隙帶發育高度達到35 m左右，裂采比為31.8，破壞形式主要表現為剪切破壞，在工作面中部上方巖層中，破壞形式主要表現為剪切破壞與拉伸破壞，其中，拉伸破壞主要集中在煤層上方直接頂范圍內，老頂及上位巖層主要表現為剪切破壞。數值模擬結果說明，1307工作面回采時覆巖導水裂縫帶發育高度與理論計算結果基本吻合。

圖1 采高1 m時工作面塑性區分布云圖

4 現場實測

結合成莊煤礦實際施工參數，1307工作面平均采高1.1 m，為了準確測定工作面上方導水裂縫帶發育高度，采用井下仰孔注水測漏法進行觀測。工作面推進一段距離后，在回風巷內超前工作面50 m布置平行觀測孔3個，分別為Z01、Z02、Z03，鉆孔間距15 m，設計鉆孔選用鉆頭96 mm規格，為保證鉆機機身的穩固和方便放水鉆孔的施工，為保證放水孔有較好的放水效果，減少堵孔塞孔現象，終孔層位應避開巷道，且終孔點設計在采空區原頂板向下1.5～2 m處，鉆孔施工使用ZDY-4000LD鉆機，安裝孔口管直徑150 mm，壓力水排渣法鉆進10.5 m后，起出鉆桿，下10 m、D150 mm的套管，并采用專用封孔器壓風吹水泥漿法封孔10 m，進行固管。鉆孔布置平面如圖2所示，鉆孔結構示意如圖3所示，鉆孔觀測結果如表3所示。

圖2 鉆孔布置平面

圖3 鉆孔結構示意

表3 1307工作面導水裂縫帶發育高度實測數據

由1307工作面導水裂縫帶現場實測數據推測工作面最大導水裂縫帶發育高度為34.3～36.6 m，與經驗公式計算結果及數值模擬試驗所得結果相差不大，因此，結合試驗結果，取1307工作面導水裂縫帶發育最大高度37 m，此時，工作面上方導水裂縫帶發育高度已與3號煤層采空區底板破碎巖層局部貫通，存在涌水風險。

5 治理措施

為了保證1307工作面正常回采，需要對3304工作面老空區積水進行排放，故在1307工作面回風巷內布置放水鉆孔3個，釋放3304工作面老空區積水，鉆孔布置參數表如表4所示。施工使用ZDY-4000LD鉆機，安裝孔口管直徑150 mm，并采用96 mm鉆頭進行施工至終孔，終孔直徑設計為100 mm，終孔點設計位于3304工作面原底板上方1.5～2 m處。

表4 放水孔布置參數

礦井當前主水泵房裝有D450-60×4型水泵5臺，水泵額定排水能力為450 m3/h；正常條件下兩臺水泵同時工作，兩臺水泵額定排水能力為900 m3/h。鉆孔釋放3304老空區積水后，礦井正常涌水量約為412.88 m3/h時，礦井最大涌水量約589.87 m3/h，當同時啟用兩臺排水泵時，能夠保證在220 h左右排干3304工作面老空區積水，最終確保1307工作面在不受3304工作面老空區積水的影響下穩定回采。

6 結 語

1) 通過理論分析、數值模擬及現場實測結果表明，9號煤層工作面導水裂縫帶發育過程中與上覆3號煤層采空區局部貫通，工作面存在涌水風險。

2) 通過在1307工作面回風巷布置探放水鉆孔釋放老空水，保證了1307工作面穩定回采。