工作面開(kāi)采前防治水安全性研究

申紹鋒

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

引 言

煤礦生產(chǎn)建設(shè)由于對(duì)工作面地質(zhì)水文條件掌握不清楚導(dǎo)致防治水措施不合理，最終導(dǎo)致水害事故的發(fā)生。因此，為了保證煤礦生產(chǎn)建設(shè)的安全性，保障工作面作業(yè)人員的安全，在煤礦開(kāi)采前對(duì)其防治水安全性進(jìn)行深入研究[1]。本文將以某煤礦1033工作面為例，對(duì)其工作面開(kāi)采時(shí)所留設(shè)的防隔水煤柱的安全性進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)其可能存在水害隱患的類(lèi)型，并對(duì)其提出相應(yīng)的防治水措施，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。具體闡述如下：

1 工程概況

該煤礦設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t/a，共包含有8個(gè)工作面，本文以其中的1033工作面為例展開(kāi)一系列研究。1033工作面的走向長(zhǎng)度為1 823 m，工作面處于地面286 m以下，煤層平均厚度為3.5 m。經(jīng)探測(cè)，該工作面煤炭?jī)?chǔ)量共有440 233 t，其中可開(kāi)采煤層的儲(chǔ)量為418 221 t。

經(jīng)對(duì)工作面水文條件進(jìn)行分析，其含水層包括有新生界松散層、10#煤頂?shù)装迳皫r含水層以及底板太原組灰?guī)r含水層。其中，10#煤頂?shù)装迳皫r含水層其對(duì)應(yīng)的排水、疏水工作有效，即其對(duì)工作面回采的影響較??；而底板太原組灰?guī)r含水層與底板之間的隔水層厚度較小，在工作面開(kāi)采的影響下極易被導(dǎo)通而發(fā)生水害事故[2]。

此外，1033工作面斷層不具備導(dǎo)水性，而且在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中還設(shè)有防水煤柱。因此，1033工作面斷層對(duì)工作面安全開(kāi)采的影響較小。

2 工作面開(kāi)采技術(shù)條件評(píng)估

結(jié)合“三下”采煤《規(guī)程》對(duì)工作面含水層的采動(dòng)等級(jí)進(jìn)行劃分，經(jīng)分析得出1033工作面含水層屬于Ⅱ類(lèi)水體，即說(shuō)明采取留設(shè)防砂煤巖柱的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面水害的防治。一般的，防砂煤巖柱的高度為工作面垮落帶與保護(hù)層高度的和。

2.1 工作面突水潰砂的危險(xiǎn)性分析

1033工作面煤層的最大采厚為4.8 m，而對(duì)應(yīng)其煤層淺部覆巖的類(lèi)型包括有軟弱和中硬兩種類(lèi)型。結(jié)合相關(guān)計(jì)算，當(dāng)淺部覆巖為軟弱類(lèi)型時(shí)對(duì)應(yīng)垮落帶的高度為9.27 m，對(duì)應(yīng)保護(hù)層厚度為9.6 m；當(dāng)淺部覆巖為中硬類(lèi)型時(shí)對(duì)應(yīng)垮落帶的高度為13.75 m，對(duì)應(yīng)保護(hù)層的厚度為14.4 m。

因此，對(duì)于淺部為軟弱覆巖的情況對(duì)應(yīng)防砂煤柱高度為18.87 m[(9.27+9.6)m]；對(duì)于淺部為中硬覆巖的情況對(duì)應(yīng)防砂煤柱高度為28.15 m[(13.75+14.4)m]。故，最終確定1033工作面防砂煤柱的高度為28.15 m。

經(jīng)探測(cè)，覆巖所在位置為地下238.22 m，工作面所在位置位于地下286 m。因此，1033工作面實(shí)際開(kāi)采時(shí)實(shí)際防砂煤柱高度為47.78 m[(286-238.22)m]>28.15 m。因此，1033工作面頂板四含水發(fā)生突水潰砂的危險(xiǎn)性較小。

2.2 工作面底板太灰突水危險(xiǎn)性分析

工作面底板發(fā)生突水事故是復(fù)雜地質(zhì)條件受開(kāi)采影響綜合導(dǎo)致的。因此，除了煤礦壓力及水壓外，可從工作面的地質(zhì)構(gòu)造、隔水層等特征以及開(kāi)采空間等方面開(kāi)展底板突水的危險(xiǎn)性分析。本節(jié)針對(duì)1033工作面底板突水的危險(xiǎn)性分析需充分結(jié)合該煤礦的水文地質(zhì)資料以及井下瞬變電磁法和無(wú)線電波的透視報(bào)告，并按照《煤礦防治水規(guī)定》的相關(guān)條款執(zhí)行[3]。

針對(duì)1033工作面底板突水事故的防治工作采取先探查后注漿的防治措施，并在注漿改造期間采取疏水降壓的方案。結(jié)合1033工作面的情況，為其設(shè)置了23個(gè)鉆場(chǎng)，其中包含了155個(gè)鉆孔。本節(jié)采用理論計(jì)算的方式對(duì)注漿加固后的防治水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，所依據(jù)的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中，t為底板隔水層的臨界厚度值；P為底板所承受的實(shí)際水壓，P=3.9 MPa；L為1033工作面的最大控頂距離，L=3 m；r為1033工作面底板的平均容重，r=0.026 MN/m3；為1033工作面底板的巖層的平均抗拉強(qiáng)度，由于1033工作面底板采取注漿加固的方式，取KP=0.45 MPa。

經(jīng)計(jì)算可得，1033工作面底板注漿加固后其對(duì)應(yīng)隔水層的臨界厚度為50.8 m，即當(dāng)實(shí)際隔水層厚度小于50.8 m時(shí)存在極大的突水風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)探測(cè)可知，經(jīng)注漿加固后1033工作面隔水層的實(shí)際厚度為70 m，遠(yuǎn)大于其臨界隔水層厚度值。因此，對(duì)1033工作面采取注漿加固的方式可有效降低其底板突水的危險(xiǎn)性[4]。

2.3 斷層突水的危險(xiǎn)性分析

工作面斷層的構(gòu)造是影響其活化突水的主要因素，主要表現(xiàn)為如下兩個(gè)方面：1)當(dāng)?shù)V壓不明顯時(shí)，受到工作面巖層及水壓的影響其斷層的導(dǎo)水性和滲透性發(fā)生變化進(jìn)行導(dǎo)致突水現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)?shù)V壓不斷增強(qiáng)時(shí)，堅(jiān)硬的頂板、高角度的斷層會(huì)被不斷活化，從而導(dǎo)致突水現(xiàn)象的發(fā)生。本文將基于FLAC3D軟件對(duì)斷層突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行仿真分析，根據(jù)1033工作面建立其對(duì)應(yīng)的仿真模型，如圖1所示。

圖1 1033工作面FLAC3D仿真模型

結(jié)合1033工作面頂板的來(lái)壓情況，模擬三次開(kāi)挖情況步距分別為30 m、50 m和70 m進(jìn)行仿真分析，并得出如下結(jié)論：

1)隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面兩盤(pán)斷層發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，且最大滑動(dòng)位移為3 m；

2)隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面垂直斷層未發(fā)現(xiàn)有相對(duì)位移。

綜上所述，隨著工作面的不斷推進(jìn)其斷層相對(duì)位移較小甚至為零，即工作面斷層未出現(xiàn)明顯的活化特征。因此，即便1033工作面斷層中存在含水層，并不會(huì)造成突水現(xiàn)象。

3 工作面防治水措施

結(jié)合上述對(duì)工作面開(kāi)采條件的評(píng)估，驗(yàn)證該工作面開(kāi)采時(shí)是可行的[5]。但是，為確保工作面的安全性生產(chǎn)還需采取一定的防治水措施，具體防治水工作可從以下幾個(gè)方面開(kāi)展：

1)開(kāi)采前采用物探手段進(jìn)行探測(cè)，先對(duì)砂巖裂隙的含水層進(jìn)行疏水操作，而后對(duì)覆巖地質(zhì)軟弱的位置進(jìn)行注漿加固；

2)當(dāng)工作面進(jìn)行開(kāi)采或者掘進(jìn)時(shí)需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，防治工作面頂板出現(xiàn)局部冒頂?shù)氖鹿剩?/p>

3)準(zhǔn)確掌握工作面地質(zhì)、水文以及巖層等條件，掌握工作面各個(gè)含水層的水位動(dòng)態(tài)；

4)為避免工作面頂板巖層被非均衡破壞、局部抽冒和突水潰砂現(xiàn)象的發(fā)生，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)保證工作面推進(jìn)快速且均衡；根據(jù)1033工作面特征，要求工作面采高不超過(guò)4 m，并確保通風(fēng)機(jī)和排水設(shè)備可正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

工作面水害事故是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，不論在煤礦建設(shè)階段還是在生產(chǎn)階段均不可忽略對(duì)工作面的防治水工作。因此，在煤礦開(kāi)采前需充分對(duì)工作面的開(kāi)采條件進(jìn)行綜合評(píng)估，判斷對(duì)應(yīng)水害事故發(fā)生的危險(xiǎn)性，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果綜合確定防治水措施。