陸成煤業采空區水害防治方法的設計應用

劉志強

（山西煤炭進出口集團 洪洞陸成煤業有限公司，山西 臨汾 031600）

1 概 況

陸成煤業井田面積12 km2，生產能力56 萬t/a，井田內主采3 號、5 號煤層。3 號、5 號煤均屬優質煤，3 號煤層平均厚度0.82 m，5 號煤層平均厚度2.1 m，3 號煤層和5 號煤層層間距35.5～46.2 m。煤礦前期開采5 號煤層形成較大范圍的老采空區，且老采空區有積水。后開采3 號煤層時，由于兩煤層間距不遠，采空區垮落形成的導水裂隙帶導致采空區積水流入3 號煤層開采區，形成水害危險，極有可能引發煤礦突水災害。因此，對該礦井3 號煤層開采中水害防治的設計研究非常重要。通過模擬研究3 號煤層開采過程中導水帶裂隙發育情況以及圍巖變形變規律，分析采空區積水的危險性，進而展開水害防治技術的設計應用。

2 覆巖活動規律及導水裂隙帶高度研究

2.1 水文地質情況

陸成煤業3 號煤層因受地質環境影響，只有部分區域可開采，5 號煤層全區可開采，由于前期開采，5 號煤層存在大范圍的老采空區。3 號煤層與5 號煤層平均間距41 m，煤層埋深280～380 m，底板標高980—1 050 m，煤層賦存單一，無斷層及巖漿活動。

礦井水源來源有4 個方面，即地下水、地表水、老窯水以及大氣降水，礦井供排水系統設置較為完善。根據經驗計算可知導水裂隙帶高度為22 m，導水裂縫帶發育高度可依據經驗公式結合相似模擬實驗研究。

2.2 模型設計

模擬實驗利用已有的1∶1 000 的平面應力架模型，長×寬×高為3 m×20 m×2 m。1220 工作面模擬開采走向剖面圖如圖1 所示。

圖1 工作面模擬開采走向剖面圖Fig.1 The simulation mining strike profile of working face

2.3 監測設計

為了研究頂板巖層的位置變動，在3 號煤層1220 工作面頂板6 m、26 m 巖層處放置2 條檢測線，編號a、b；5 號煤層放置3 條檢測線，分別位于5 號煤層頂板4、24、44 m，檢測線上設置監測點，每條線設計14 個檢測點，并編號c～e，如圖2 所示。采用全站儀對設置的各個點進行豎向移動監測。

圖2 模擬實驗監測設計Fig.2 The monitoring design of simulation experiment

2.4 監測結果分析

為模擬實際開采過程，5 號煤層開采前128 m采用留隔水煤柱開采模式，采8 留7，以模擬小煤窯開采現象，保留20 m 隔水柱后進行長壁后退式開采。開采過程中，煤柱及圍巖保持穩定，形成大量采空區，頂板淋水情況下，會形成積水采空區。5 號煤層工作面推進40 m 處，發生頂板第一次垮落，高度大于50 cm，之后逐漸增加，推進60 m處，距離頂板5 m、6 m 處出現層理一致的水平裂紋，之后逐漸發展，直至92 m 處，頂板巖層裂縫發展至距離頂板22 m 處，距離頂板22 m 處層間豎向間隙達到最大，為0.3 m。

3 號煤層模擬開采試驗采用長壁開采的形式，使用滾筒類機械開采，采高1.2 m。在1220 工作面開采推進32 m 時，距離煤層頂板1 m、3 m 處開始出現巖層層理微裂紋，隨后逐漸擴展，推進44 m時，直接頂垮落，垮落高度距頂板3 m，之后逐漸增加，模擬開采中經歷1 個初壓和6 個周期性來壓，平均來壓步距19 m。工作面推進164 m 時形成3 號和5 號煤層貫通的垂向裂隙，之后垂向裂隙整體閉合效果不佳，因此3 號煤層開采過程中，工作面推進164 m 處時，應加強防水設計。

對5 號、3 號煤層開采過程地表豎向位移變化進行監測，兩煤層模擬開采完畢后，得到如圖3 所示的豎向位移變化曲線圖。由圖3 可知，3 號煤層開采完成后，地表最大下沉748 mm，發生在距離開切眼170 m 處。

圖3 模擬開采完畢后地表測點豎向位移變化曲線Fig.3 The vertical displacement curve of surface measuring point after simulating mining

3 防水方案設計

防水設計從兩個方面展開，老采空區積水探放和相鄰采空區防水墻設計。

3.1 老采空區積水探放

探放老采空區積水，首先應確保排水系統完善，準備好堵水物資，此外，還需監測瓦斯濃度，做相應通風工作，過程中還要確保煤壁安全可靠，安全通道暢通無阻。老采空區積水探測往往不是一次性確定的，一般均要經過探水—掘進——探水不斷循環的過程，需確定超前距、超前檢測孔洞，從而開始探放，根據礦井實際特點，控制超前距在20 m，探放水鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 探放水鉆孔布置Fig.4 The layout of water exploration and drainage drilling holes

3.2 防水墻設計

對老采空區積水采用探放方式防治，然后進行回采，回采完成后，相鄰采空區仍然需要做防水設計。經過分析研究，決定采用永久性防水墻進行防治水設計，預防采空區積水流入下面的采面，干擾之后的開采作業。

防水墻的設計首先要考慮其承受水壓的情況，根據已有資料，設計承受壓力為1.0 MPa；其次是斷面尺寸，已知巷道高3 m，寬5 m，設計防水墻斷面尺寸可適當加大，設計為高4 m，寬6 m，尺寸隨實際施工過程做調整；墻體材料強度也有一定的要求，應具有56 kg 的抗壓能力，以及16 kg 的抗剪能力，因此采用C25 的混凝土設計制作防水墻；此外，防水墻的穩定性與巷道圍巖強度有很大關系，墻與圍巖要粘結牢靠，設計粘結力0.22 MPa，實際施工過程中可適當調整。

3.2.1 防水墻厚度設計

防水墻厚度設計可根據混凝土強度計算：

式中：L為防水墻設計厚度，m；K為安全系數，取2.5；P為抗水壓力，為1.0 MPa；τ 為混凝土允許抗剪強度，為1.6 MPa；n為巷道斷面系數，取1；a=0.7，m=0.35 為經驗系數；L0為應力回升段長度，為2 m。

帶入數據計算得，防水墻設計為高4 m，寬6 m，厚2.3 m。

3.2.2 錨桿設計

選擇φ18 mm 的鋼筋做灌漿錨桿，孔徑設計為60 mm，間距1.5 m，分別設計頂部、底部錨桿為1.8 m、4.3 m，雙側錨桿設計為3.3 m。在實際施工之前，要在現場對設計的錨桿進行試驗，錨桿、壓漿管、導向支架施工示意圖如圖5 所示。

圖5 錨桿、壓漿管、導向支架施工示意Fig.5 The construction diagram of bolt grouting pipe and guide support

施工中做錨桿拉拔實驗時，先求解D1、D2、D3 對應的應力值，然后對其進行組裝，先與φ18 mm 的鋼筋應連接成一個直線，在進行鋼筋組裝，嚴格控制焊接質量，孔內要求注1∶1.2的水漿泥液。

3.2.3 后壓漿設計

在巷道周邊巖壁上穩定配置壓漿管，封存孔洞后進行混凝土澆灌工作，混凝土澆灌完成，等待強度達到要求后，開始在防水墻壁上注漿，配比1∶1，分段施工，整個注漿作業分3 次施工，保證壓力逐漸提升。

3.2.4 蓖子門設計

防水墻上需配置泄水孔和泄水閘閥，為預防堵塞進水口，在墻上15 m 處設計蓖子門。

4 應用情況

在3 號煤層1220 工作面開采過程中實際應用所設計水害防治措施，回采前先對5 號煤層老采空區進行探放水，然后對3 號煤層進行開采，開采完成后相鄰采空區設計施工永久性防水墻，嚴格按照設計及施工要求進行施工。工程應用中，工作面開采作業穩定持續120 d，工作面順利開采430 m，采煤量達5.23 萬t，整個開采過程中并未發生涌水，采空區積水得到了有效的控制。

5 結 論

陸成煤業主采3 號、5 號煤層，前期主采5 號煤層，在3 號煤層開采時，采空區積水可能由導水裂隙帶流入開采工作面，發生水害危險，為進行安全可靠的開采，需對3 號煤層開采進行防水設計。

（1） 利用模擬試驗開采分析3 號、5 號煤層開采覆巖活動規律以及導水裂隙帶發育情況，可知3 號煤層開采過程中有周期性來壓，平均來壓步距為19 m。模擬推進完成后，距開切眼170 m 處頂板達最大下沉748 m。3 號煤層開采后的導水裂隙帶高度為15.5 m，采空區積水可能向下擊穿5 號和3 號煤層部分閉合垂向裂隙帶，導致水害發生。

（2） 根據模擬試驗結果，需對3 號煤層開采進行防水設計，分兩步完成，首先是老采空區積水的探放，其次是相鄰采空區防水墻的設計。

（3） 嚴格按防水設計進行防水施工，實際應用于1220 工作面的開采作業中，開采作業穩定持續120 d，工作面順利開采430 m，采煤量達5.23萬t，整個開采過程中并未發生涌水，表明該方案適用于該礦井采空區水害的防治，保障了煤礦的安全生產。