辛置礦頂板離層水突涌機理及防治技術(shù)研究

石 磊

（霍州煤電集團有限責任公司，山西 臨汾 031400）

1 工程概況

辛置煤礦隸屬于山西焦煤霍州煤電集團，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為250 Mt/a。目前主采2#煤層，位于二疊系下統(tǒng)山西組，煤層穩(wěn)定可采，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩(wěn)定，厚度稍大，為低硫肥煤。煤層厚度3.8～4.3m，煤層傾角2°～6°，煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

2-208 工作面位于310 m 水平二采區(qū)軌道巷左側(cè)，為二采區(qū)系統(tǒng)巷道煤柱回收工作面，北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110 m，西面距離二采區(qū)回風巷25 m，東面距離2-202 工作面采空區(qū)最小間距為63 m。工作面平均埋深450m，走向長度175 m，傾向長度580 m。

礦井地質(zhì)報告資料顯示，影響工作面的主要充水水源為2#煤層上覆二疊系各砂巖裂隙水，在2#煤層以上依次有K8、K9、K10 砂巖含水層。2-208工作面在開采過程中頻繁出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，影響了工作面正常生產(chǎn)，因此，需對工作面涌水形成機理及防治技術(shù)展開研究[1-5]。

2 工作面涌水機理分析

2.1 現(xiàn)場涌水量觀測

經(jīng)初步判定2-208 工作面開采時涌水源為上部砂巖裂隙水。通過現(xiàn)場布置測點，每隔20 m 對工作面涌水量進行統(tǒng)計，并將統(tǒng)計結(jié)果繪制成曲線進行分析，如圖1。

圖1 工作面涌水量觀測結(jié)果

工作面在推進過程中涌水量不應(yīng)超過10 m3/h，而由圖1 可知，2-208 工作面推進前期涌水量已超過安全要求。推進長度為20～140 m 時，工作面涌水量呈起伏波動，波動范圍為10.516～60.593 m3/h。工作面涌水量在推進至150 m 時急劇持續(xù)增長，推進至190 m 時涌水量達到頂峰，最大涌水量為143.6 m3/h。

2.2 機理分析

由于煤層上方有多個含水層且頂板多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，在工作面推進過程中由于頂板上方發(fā)生離層，從而使得水流滲入頂板。離層主要是因開采后關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，導(dǎo)致各巖層彎曲下沉，因巖層間的巖性不同，各巖層的下沉移動不連續(xù)，從而形成了離層空間?？赏ㄟ^關(guān)鍵層理論對離層發(fā)生的位置進行判別，將各巖層的參數(shù)帶入公式進行計算，若滿足公式的條件，即可認為第n 巖層與第n+1 巖層間發(fā)生了離層。煤層上方各巖層的參數(shù)見表2。

表2 煤層頂板巖層情況

式中：E為各巖層的彈性模量，h為各巖層的平均厚度，γ為各巖層的容重，n為巖層序號（自下而上）。

將2#煤頂板各巖層的參數(shù)代入公式計算后得出，在第1 層泥巖、第2 層砂質(zhì)泥巖間有離層，在第5 層粉砂巖、第6 層泥巖及第7 層細粒砂巖間存在離層。由于離層的存在，導(dǎo)致頂板上方產(chǎn)生積水空間，而離層空間會隨著工作面回采發(fā)生變化，一般隨著推進距離增加，主關(guān)鍵層懸頂面積增多，離層出現(xiàn)位置逐漸向上移動，下方離層空間在覆巖壓力下逐漸閉合，基本呈梯形動態(tài)變化。隨著積水量增多及離層位置上移，在水壓及覆巖壓力雙重作用下極易引發(fā)頂板突水。

2.3 裂隙帶高度計算

由于離層位置會隨著工作面推進動態(tài)變化，需通過裂隙帶高度計算出頂板上方的主要積水空間，為防治水提供依據(jù)。裂隙帶高度計算如下：

式中：H為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，取4.0 m。

經(jīng)計算得出2#煤層裂隙帶高度為49.14 m，而2#煤層距第7 層細粒砂巖底板高度為46.5 m，由此可知，主要積水離層空間在第6 層泥巖與第7 層細粒砂巖之間，并且裂隙貫通，為水流涌入工作面提供了通道。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

為了直觀地分析工作面回采過程中的頂板離層情況，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件，依據(jù)2-208 工作面實際賦存條件建立模型，模型尺寸為長×高=400 m×70 m。根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加7.5 MPa 垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對模型兩側(cè)和底部進行約束。煤巖體的物理力學參數(shù)按表3 進行賦參。

表3 煤巖體物理力學參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

模型建好后，首先進行原巖應(yīng)力平衡計算，待平衡后按每10 m 進行循環(huán)開挖，煤層開挖180 m及220 m 后，巖體離層情況如圖2、圖3。

由圖2 可知，離層空間在煤層開挖至100 m 時開始形成，并隨著工作面向前推進不斷擴大，開挖至180 m 時，離層空間達到峰值。由此可知，離層空間增長周期為80 m。由圖3 可知，煤層開挖至220 m 時，離層位置逐漸上移，在距煤層上方50～55 m 之間形成了新的離層空間，原先的離層閉合。由此可知，2#煤層頂板離層上移周期為120 m。綜上所述，工作面推進至每隔120 m 時，出現(xiàn)新老離層接替，而新離層位于裂隙帶范圍內(nèi)，上方砂巖含水層內(nèi)的水會隨著裂隙通道涌入離層空間，此時容易發(fā)生離層水突出，造成工作面涌水量較大，需提前對離層水進行疏防。

圖2 開挖180 m 時離層空間情況

圖3 開挖220 m 時離層空間情況

4 離層水防治措施

為降低離層水對工作面回采的影響，采用導(dǎo)水鉆孔對頂板離層水進行提前疏放，疏放結(jié)束后進行注漿，使裂隙封閉，防止水流再次涌出。沿工作面推進方向，在上下順槽布置導(dǎo)水鉆場，鉆孔終孔朝向采空區(qū)方向，鉆孔布置如圖4。

圖4 鉆孔布置方案

每條順槽各布置9 個導(dǎo)水鉆場，每個鉆場內(nèi)各布置5 個鉆孔，鉆孔均向上仰斜60°～70°，終孔位于煤層上方易發(fā)生離層的第6 層泥巖附近。鉆進時，開孔直徑為140 mm，鉆孔直徑不小于80 mm，鉆進結(jié)束后下入套管，先進行疏放水操作，疏水結(jié)束后采用封堵材料進行封孔處理，并開始進行注漿加固，封閉頂板裂隙。為防止鉆孔坍塌影響注漿效果，可提前用水泥漿液進行沖孔處理，提高圍巖強度。另外，對于巷道內(nèi)頂板由于淋水而破碎的區(qū)域，采用錨索網(wǎng)補強支護，并使用防水錨固劑進行加長錨固。

采用疏放水及注漿加固等措施后，工作面回采時涌水情況明顯改善，其平均涌水量下降為8.6 m3/h，且未出現(xiàn)突水事故。

5 結(jié)論

對辛置礦2-208 工作面上方離層空間進行了理論分析及數(shù)值模擬。結(jié)果表明：煤層上方主要離層空間為第6 層泥巖與第7 層細粒砂巖之間，并且裂隙貫通，上方砂巖含水層的水流通過裂隙涌入離層空間形成積水層；工作面推進每隔120 m 時，新老離層接替，而新離層位于裂隙帶范圍內(nèi)，容易發(fā)生離層水突出，造成工作面涌水量較大，需提前對離層水進行防治。針對頂板離層情況，制定了提前疏放+注漿加固的防治水措施，工作面回采時涌水情況得到明顯改善，其平均涌水量下降為8.6 m3/h，且未出現(xiàn)突水事故。