西曲礦14308工作面采空區(qū)涌水綜合治理技術(shù)

閆志強

（西山煤電集團(tuán)西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

礦井水害一直嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。礦井工作面回采、掘進(jìn)過程中，礦井水害時有發(fā)生。本礦水源主要來自于鄰近含水層或臨近的老空區(qū)，周邊區(qū)域的水源補給直接影響涌水量大小。目前礦井水害防治措施堅持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理”的指導(dǎo)方針。關(guān)于礦井水害防治問題，我國專家學(xué)者做過大量研究工作。王勝進(jìn)行了大水礦井綜放工作面波浪式開采及綜合防治水技術(shù)研究，針對波浪式開采過程中水害問題進(jìn)行闡述，制定了專項防治水措施。高運增等人進(jìn)行了傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水治理系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，效果明顯。馬艷等人進(jìn)行了綜采面過富水區(qū)開采全周期水資源利用技術(shù)研究，對開采周期內(nèi)富水區(qū)水運移規(guī)律進(jìn)行了研究，為水害防治奠定了理論基礎(chǔ)。龍?zhí)煳倪M(jìn)行了彬長礦區(qū)東北部礦井導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及涌水量預(yù)測研究，關(guān)于彬長礦區(qū)裂隙水運移規(guī)律進(jìn)行了研究。張博龍進(jìn)行了杭來灣煤礦301盤區(qū)礦井涌水量變化特征及來源分析研究，對杭來灣煤礦的涌水量情況進(jìn)行了分析，為后期水害防治措施的制定奠定了基礎(chǔ)。之前的研究主要針對于機(jī)理研究或工程研究，對于水害問題的微觀研究、綜合探測、工程應(yīng)用綜合研究較少【1-13】。

山西西山煤電股份有限公司西曲礦14308工作面回采過程中，工作面異常涌水，水量逐漸增大，到一定時間淹沒運輸巷部分區(qū)域，為預(yù)防和控制該工作面產(chǎn)生水害，通過對現(xiàn)場水害情況進(jìn)行綜合分析，采用物探、鉆探等技術(shù)進(jìn)行探測和治理，并進(jìn)行效果考察。

1 礦井及工作面概況

西曲礦設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/a，主采煤層有2、3、4、8號煤層。目前在采工作面為14308工作面，工作面長度1 280 m，面寬190 m，開采4號煤層，煤層傾角10°工作面采用綜合機(jī)械化采煤法。為低瓦斯礦井；礦井水文地質(zhì)情況復(fù)雜，工作面地質(zhì)情況比較復(fù)雜，存在斷層構(gòu)造等9個；工作面上方存在已采完的采空區(qū)。工作面回采至269 m區(qū)域時出現(xiàn)涌水，運輸巷積水量增加。通過隨后14 d對工作面涌水量進(jìn)行統(tǒng)計（如圖1所示），涌水量從251 m3/h增加到360 m3/h，且整體仍呈現(xiàn)增漲趨勢，漲幅也在增大。該區(qū)域水害治理迫在眉睫。

圖1 14308工作面涌水量統(tǒng)計圖

2 水害情況綜合分析

14308工作面主采煤層4號煤層，頂板為粉砂巖，底板為泥質(zhì)砂巖。上方為13308工作面，工作面已經(jīng)采完，采空區(qū)內(nèi)存在積水。14308工作面出水位置點為距離運輸巷20 m距離點，該點標(biāo)高+998 m，運輸順槽標(biāo)高+996 m，回風(fēng)巷標(biāo)高+1 028 m。14308工作面距離上部13308工作面垂高為56 m，當(dāng)13308工作面回采后，工作面整體下沉。根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》（試行），開采冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度計算一般經(jīng)驗公式如式（1）、式（2）：

式中：m為礦層開采厚度，m；K為巖石松散系數(shù)；a為礦層傾角，°；h1為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；h2為導(dǎo)水裂縫帶高度，m。

據(jù)上經(jīng)驗公式得出14308工作面冒落帶高度約為7 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為63 m。導(dǎo)水裂縫帶高度及上方的13308工作面積水采空區(qū)。主要出水點距離14308運輸巷20 m處，現(xiàn)場觀測水量為368 m3/h。

通過對工作面水害情況的綜合分析，急需進(jìn)行水害控制治理。采用FLAC、FLUENT數(shù)值運算、綜合物探和鉆探的方法對水害情況進(jìn)行探測和治理。

2.1 14308工作面裂隙水運移規(guī)律模擬研究

通過綜合分析14308工作面涌水量情況，工作面上方導(dǎo)水裂縫帶高度為63 m，為研究該區(qū)域內(nèi)裂隙水運移規(guī)律，為進(jìn)一步地球物理勘探、防治水措施的制定提供更加可靠理論基礎(chǔ)，現(xiàn)對14308工作面區(qū)域水害情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。對工作面裂隙水運移規(guī)律影響比較大的是應(yīng)力場和滲流場，現(xiàn)采用軟件FLAC進(jìn)行應(yīng)力場研究，采用FLUENT進(jìn)行滲流場模擬研究。

現(xiàn)場采樣，帶頂、底板巖層樣本及4號煤層樣本到實驗室，現(xiàn)場取樣樣本如圖2所示，

圖2 煤巖樣本及應(yīng)力參數(shù)測試圖

表1 模擬參數(shù)表

采用FLAC進(jìn)行14308工作面圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬，基本假設(shè)：①模型底部和左、右兩邊均為固定約束；②模型頂部邊界載荷為13 MPa；③圍巖為均勻介質(zhì)；④模擬過程中不考慮構(gòu)造影響。

模擬模型在頂部邊界載荷的作用下工作面圍巖豎向應(yīng)力分布和水平應(yīng)力分布情況，模型2個方向應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3 14308工作面圍巖應(yīng)力分部云圖

根據(jù)14308工作面圍巖應(yīng)力分布情況分析，14308工作面豎向應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在工作面頂板和底板，整個工作面圍巖豎向應(yīng)力分布集中區(qū)域呈現(xiàn)“馬蹄”形，豎向應(yīng)力達(dá)到煤巖介質(zhì)極限應(yīng)力便會出現(xiàn)集中區(qū)域豎向垮落現(xiàn)象，最終垮落形狀和豎向應(yīng)力集中分布情況基本一致。根據(jù)圖3（a）中底板應(yīng)力分布情況分析，回采后工作面底板會出現(xiàn)大面積底鼓現(xiàn)象。應(yīng)力出現(xiàn)反向應(yīng)力，最大應(yīng)力為13 MPa，最小應(yīng)力為6 MPa。根據(jù)現(xiàn)場觀測，應(yīng)力為13 MPa位置區(qū)域內(nèi)為垮落區(qū)域，應(yīng)力為6 MPa區(qū)域僅僅出現(xiàn)裂隙，該裂隙將含水層和工作面、掘進(jìn)巷道導(dǎo)通，形成導(dǎo)水通道。根據(jù)圖3（b）可知，在頂板應(yīng)力作用下，14308工作面水平位移主要為采面上部區(qū)域以及底板位置區(qū)域，正上方一段區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域后水平應(yīng)力集中面積變小，隨后又出現(xiàn)大面積水平應(yīng)力集中區(qū)域，整體呈工字形，出現(xiàn)以上情況主要原因為上覆巖層巖性不同，直接頂在回采完畢后必然出現(xiàn)大面積沉陷，產(chǎn)生倒U型垮落區(qū)域，垮落區(qū)域上覆堅硬巖層會在破碎圍巖的支撐下產(chǎn)生一定的平衡力來抵御水平位移，含水層區(qū)域圍巖在下覆巖層的應(yīng)力變化及自身含水層的水平影響下最終產(chǎn)生平向大面積位移情況。

通過綜合應(yīng)力分析可知，14308工作面上覆巖層在回采后會出現(xiàn)整體下沉垮落的現(xiàn)象。在不考慮構(gòu)造影響的情況下，回采后工作面上覆巖層會出現(xiàn)整體沉降，產(chǎn)生的應(yīng)力失衡形成裂隙帶將含水層和工作面導(dǎo)通。

為進(jìn)一步研究構(gòu)造情況下裂隙水分布情況，現(xiàn)采用軟件FLUENT進(jìn)行工作面斷層構(gòu)造情況下裂隙水運移規(guī)律，數(shù)值模擬指標(biāo)參數(shù)為滲透率。假設(shè)工作面通過F3斷層，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘察報告可知，F(xiàn)3斷層為正斷層，斷距3.2 m，傾角46°。根據(jù)以上情況進(jìn)行數(shù)值模擬得到回采后工作面區(qū)域滲透率分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，14308工作面上部含水層產(chǎn)生的采空區(qū)在水壓作用下沿著斷層裂隙開始滲透，假設(shè)斷層周圍巖體為裂隙巖體，通過現(xiàn)場采樣進(jìn)行實驗室測試，裂隙帶平均孔隙率為0.65，邊界壓力水頭為6 kPa，在水壓作用下，老空區(qū)的水進(jìn)行滲透，由于斷層斷面周邊圍巖在斷層自由面一側(cè)空隙較大，隨著距離自由面不斷增大，裂隙逐漸閉合，因此出現(xiàn)圖4中滲透率逐漸遞減的滲透率演化分布云圖。圖4中，斷層區(qū)域最大滲透率為1.6×10-8，斷層產(chǎn)生的有效影響范圍和應(yīng)力分布有關(guān)，斷層上盤有效影響范圍為8 m，斷層下盤有效影響范圍為4 m，在地應(yīng)力作用下，斷層上盤破碎區(qū)域比較大，破碎范圍比較大，因此滲透率有效影響范圍比較大。由于上部老空區(qū)水壓比較大，水量逐漸向下滲流，但上部圍巖整體完整性較好，靠近采空區(qū)位置圍巖破碎范圍比較大，因此水平方向下部滲透率突出區(qū)域面積比較大，上部靠近采空區(qū)位置滲透率突出區(qū)域面積較小。

圖4 14308工作面滲透率云圖

通過數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，靠近工作面頂板斷層區(qū)域為滲透率最大區(qū)域，該區(qū)域會出現(xiàn)大量積水，老空區(qū)內(nèi)水流通過斷層、工作面上部巖層斷層裂隙最終導(dǎo)入工作面，工作面位置會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，從而形成14308工作面采空區(qū)積水，最終形成工作面水害隱患，重點區(qū)域為斷層和工作面交界區(qū)域。

2.2 物探

探測采用瞬變電磁法，設(shè)備為瞬變電磁儀TEMHZ75。物探點布置見圖5。主要探測工作面前方水平距離400 m，垂直高度10 m范圍內(nèi)的水害情況。通過對工作面前方數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)學(xué)反演計算，得到此范圍內(nèi)電阻率反演云圖，見圖6。

圖5 物探測點布置圖

圖6 物探反演數(shù)據(jù)圖

由圖3可知，運輸巷一側(cè)距離14308切眼位置前方100 m采空區(qū)域大面積積水，采空區(qū)其他積水點為小積水點。

2.3 鉆探

為確定物探成果，同時對采空區(qū)內(nèi)水害大小定量探測，采用鉆探技術(shù)進(jìn)行探測，鉆孔設(shè)計圖如圖7所示。鉆探鉆孔設(shè)計依據(jù)物探、現(xiàn)場涌水量觀測，以及工作面開采區(qū)域地質(zhì)情況確定，鉆孔共計6個。

圖7 鉆孔設(shè)計圖

鉆孔過程中，出水量比較多的為4、5、6號鉆孔，其區(qū)域與物探結(jié)果一致；1、2、3號鉆孔出水量較小，因此在靠近回風(fēng)巷區(qū)域也存在積水點（見表2）。

表2 鉆孔出水情況表

3 水害治理措施及效果考察

根據(jù)分析，目前礦井開采區(qū)域水源主要為工作面上方采空區(qū)積水，主要積水區(qū)域在運輸順槽一側(cè)。為解決該區(qū)域水害問題，采用注漿的方法進(jìn)行封堵。注漿材料為硅酸鹽水泥漿，添加速凝劑，水灰比為1∶1.6。注漿點如圖8所示。

圖8 工作面注漿施工圖

為有效控制整個工作面后期出現(xiàn)的水害，對整個工作面前方進(jìn)行注漿封堵，分別在距離運輸巷20、70、120、170 m位置點打孔注漿，注漿管伸入13308采空區(qū)內(nèi)4m。根據(jù)采空區(qū)內(nèi)孔隙率約30 %計算，注漿完成后可形成80 m的注漿墻，根據(jù)經(jīng)驗，有效堵水墻厚度可達(dá)到30 m。根據(jù)探放水規(guī)定，超前20 m即安全距離，因此該注漿措施可以滿足阻隔13308工作面積水繼續(xù)向下透入14308工作面。

現(xiàn)場注漿量10 000 m3。據(jù)資料統(tǒng)計分析，采空區(qū)孔隙率約為30 %，則注漿量延伸至工作面前方88 m區(qū)域，形成水泥漿阻隔帶，基本可以對水害進(jìn)行控制。注漿作業(yè)完成后，對現(xiàn)場積水進(jìn)行排水，封堵注漿管。對前方涌水量進(jìn)行觀測，觀測周期為一周，觀測結(jié)果如圖9所示。

圖9 注漿后14308工作面涌水量圖

由圖6可知，注漿完成后，14308工作面初始涌水量為12 m3/h，隨后涌水量不斷增加到33 m3/h，最終穩(wěn)定在33 m3/h。綜合分析，注漿完成后，仍有一些積水從裂隙中流出。隨著時間的推移，出水量開始有所增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個穩(wěn)定值后，不再增加。穩(wěn)定數(shù)值33 m3/h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探測區(qū)域的涌水量251～360 m3/h值，說明漿液已經(jīng)有效阻斷了工作面上方采空區(qū)積水區(qū)域的裂縫通道，有效控制了水害發(fā)生。

4 總結(jié)

本文通過物探、鉆探技術(shù)探測出14308工作面積水區(qū)域，使用注漿技術(shù)對涌水進(jìn)行治理，結(jié)論如下。

1）14308工作面回采至269 m時，運輸巷出現(xiàn)積水14 d，水量由251 m3/h增至360 m3/h。

2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，14308工作面主要積水區(qū)域為工作面采空區(qū)和斷層交界位置。

3）物探結(jié)果顯示，工作面主要技術(shù)區(qū)域位置14308運輸順槽前方月100 m位置點；鉆探結(jié)果和物探結(jié)果基本一致。

4）注漿范圍為工作面前方采空區(qū)88 m范圍，注漿完成后對工作面涌水量進(jìn)行觀測，觀測穩(wěn)定值為33 m3/h，說明注漿效果較好。

5）通過整體分析，采用物探鉆探技術(shù)探測出水害區(qū)域；采用注漿技術(shù)有效隔阻前方采空區(qū)積水，效果較好。