榆樹坡煤礦1201工作面覆巖離層水體治理技術(shù)研究

劉 騰

(山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

1 工程概況

榆樹坡煤礦目前正在進(jìn)行2號(hào)煤層的采掘工作，2號(hào)煤層平均厚度4.65 m，煤層結(jié)構(gòu)為1.20(0.10)3.45，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層整體為單斜構(gòu)造，整體坡度較平緩，煤層傾角為5～12°，平均8°。2號(hào)煤層直接頂為泥巖，老頂為粗砂巖，局部發(fā)育粉砂巖、砂質(zhì)泥巖；底板為灰白色細(xì)砂巖，硬度較強(qiáng)，主要以石英、長(zhǎng)石為主。1201工作面正在回采，工作面地面標(biāo)高為1 145～1 241 m，工作面標(biāo)高為650～756 m，蓋山厚度為421～559 m；工作面走向長(zhǎng)度1 815～1 826 m，傾斜長(zhǎng)度235 m。采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法管理頂板。1201進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)至前方600 m處揭露DF23正斷層，掘進(jìn)至斷層附近巷道頂板比較破碎并伴有淋水現(xiàn)象。1201工作面自開切眼處推進(jìn)192 m時(shí)，頂板共發(fā)生了四次周期性透水，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)，因此急需對(duì)工作面頂板水害治理進(jìn)行研究。

2 1201工作面開采覆巖破壞規(guī)律研究

為確定1201工作面回采期間頂板突水情況，通過FLAC3D數(shù)值模擬研究1201工作面回采期間上覆巖層的垮落規(guī)律，確定其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)合煤層上覆巖層的含水情況對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行預(yù)測(cè)[1]。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，建立模型尺寸：長(zhǎng)×寬×高=600 m×100 m×600 m，為了消除邊界效應(yīng)，工作面開挖時(shí)走向和傾向兩側(cè)分別保留100 m的煤柱，采用摩爾-庫倫彈塑性體模型，采空區(qū)用null單元。模型前后、左右邊界水平方向位移為零，底部為固定邊界，上部邊界為自由面。由于篇幅所限，對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行提取，在工作面推進(jìn)方向取一截面將典型的模擬結(jié)果在圖1中列出。

圖1 模型開挖時(shí)上覆圍巖塑形區(qū)分布

根據(jù)圖2可知，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，回采工作面上覆巖層塑性區(qū)逐漸增大；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，僅工作面中部直接頂發(fā)生了小范圍的拉破壞，上覆巖層裂隙帶高度最大為13.8 m；當(dāng)工作面推進(jìn)120 m時(shí)，采空區(qū)頂板塑性破壞高度明顯增加，裂隙帶高度為24.9 m，并且在工作面兩側(cè)邊界上部圍巖出現(xiàn)剪切破壞區(qū)；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至180 m時(shí)，此時(shí)工作面上覆圍巖塑性破壞呈馬鞍形分布，工作面中部巖層破壞范圍繼續(xù)增大至32.6 m，工作面兩側(cè)圍巖主要破壞形式為剪切破壞，發(fā)生破壞的巖層高度約為38.6 m；推進(jìn)至240 m時(shí)，上覆巖層破壞形式與推進(jìn)180 m時(shí)基本相同，工作面兩側(cè)上部巖層塑性破壞高度增加為43.8 m；推進(jìn)300 m時(shí)，工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶繼續(xù)增大至51.6 m；工作面推進(jìn)至360 m時(shí)，其上覆巖層破壞情況基本不再變化。由此可得，1201工作面回采期間，傾向?qū)严稁Оl(fā)育高度隨著工作面回采逐漸增大，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至最大約為52 m。

3 榆樹坡煤礦2號(hào)煤層開采充水離層致災(zāi)機(jī)理

隨著工作面的回采，上覆巖層周期性垮落，泥巖隔水層因失去支撐發(fā)生蠕變而彎曲下沉，砂巖類含水層硬度較大下沉量較小，因此與下部泥巖發(fā)生離層，如圖2(a)所示，上部含水層內(nèi)的水逐漸在離層位置匯集，如圖2(b)所示，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，上覆巖層的懸頂距不斷增大，離層空間內(nèi)積水越來越多，當(dāng)下沉的泥巖強(qiáng)度達(dá)到極限時(shí)，斷裂導(dǎo)致離層水體涌入工作面，如圖2(c)所示，引發(fā)工作面突水事故[2-3]。

根據(jù)榆樹坡煤礦1201工作面開采范圍內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)，獲知工作面頂板巖層的巖性和厚度。由于篇幅所限，僅列出和本次研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。如表1。

表1 上覆巖層詳細(xì)特征

利用下式來確定頂板離層的位置[4]：

(1)

式中：E為巖體抗壓強(qiáng)度，MPa；h為巖層厚度，m；ρ為巖層飽水密度，t/m3。

將表1中各巖層的數(shù)據(jù)帶入到式(1)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程以第二層和第一層之間為例，得到：左邊為21.6×282×2.36×10=399 651，右2.33×14.5×103=33 350，左邊>右邊，可產(chǎn)生離層，但是兩個(gè)巖層均處于垮落帶，在實(shí)際生產(chǎn)中并不會(huì)產(chǎn)生離層。由于篇幅所限，其余巖層詳細(xì)的計(jì)算過程未給出，采用上述方法最終計(jì)算結(jié)果為：第1層和第2層可形成離層，第3層和第4層可以產(chǎn)生離層。

圖2 離層水害形成機(jī)理示意

榆樹坡煤礦1201工作面采高為4.6 m，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知其導(dǎo)水裂隙帶高度為52 m，工作面上覆巖層主要含水層為直羅組底部粗粒砂巖含水層即第四層，第一層與第二層之間雖然能夠形成離層，但是處于垮落帶內(nèi)，不可能形成離層充水。第四層上部的五、六層均為隔水層，并且第四層底板(距2號(hào)煤層頂板50 m)處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)(52 m)，因此只有第3 層與第4 層之間的離層可以充水。綜上可知榆樹坡煤礦1201工作面周期性突水水源為距離煤層頂板50 m處的離層充水。

4 1201工作面頂板水害綜合治理

根據(jù)以上分析得知，榆樹坡煤礦1201工作面回采192 m期間頂板發(fā)生的周期性突水水源為直羅組底部粗粒砂巖含水層，致災(zāi)離層為第三與第四巖層之間的積水離層。含水層距離煤層頂板50 m，1201工作面采高為4.6 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為52 m，致災(zāi)離層處在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)。為避免頂板突水事故的發(fā)生，對(duì)離層水源進(jìn)行提前預(yù)疏放是很好的技術(shù)手段，在1201工作面前方每間隔60 m在其運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)分別布置一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆孔布置詳情如圖3所示。通過該方法對(duì)2號(hào)煤層頂板直羅組底部粗砂巖(上、下分層)含水層的靜儲(chǔ)量進(jìn)行有效疏放、盡量降低其水壓。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，疏放孔最大單孔水量為28.5 m3/h，平均單孔流量為11 m3/h，將平均水壓降至0.03 MPa，限于篇幅各孔施工情況、流量歷時(shí)曲線及水壓變化情況在此不再贅述，總體上達(dá)到了預(yù)期效果。

圖3 1201工作面離層充水含水層疏放鉆孔布置

基于前文對(duì)1201工作面頂板水害致災(zāi)機(jī)理的研究，設(shè)計(jì)工作面回采時(shí)階段性頂板水害防治措施，1201工作面回采時(shí)周期垮落步距約為60 m，根據(jù)圖4(a)所示方法，對(duì)離層水體進(jìn)行探放工程設(shè)計(jì)，當(dāng)頂板周期來壓后，工作面推進(jìn)45 m時(shí)頂板開始存在離層充水區(qū)域，因此此時(shí)開始對(duì)離層充水水體進(jìn)行探放，探放一直持續(xù)到工作面繼續(xù)推進(jìn)30 m，進(jìn)入到下個(gè)周期來壓步距內(nèi)15 m，不再受上個(gè)周期采空區(qū)離層水體的威脅，在下一個(gè)來壓步距回采45 m時(shí)又開始對(duì)該步距內(nèi)后方離層充水水體進(jìn)行探放。探放孔與2號(hào)煤層頂板垂直距離約為50 m，探放形式如圖4(b)所示。

圖4 離層充水探放技術(shù)(m)

1201工作面采用探放水技術(shù)進(jìn)行離層充水的防治，工作面前四個(gè)頂板周期垮落循環(huán)探放孔鉆場(chǎng)的布置詳情如圖5(a)所示。每隔大約60 m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，在T1鉆場(chǎng)共施工七個(gè)探放孔，其中出水的有五個(gè)，探放孔排水量整理后如圖5(b)所示。根據(jù)探放孔水流量的變化可知，T1-2、T1-4成功對(duì)離層充水進(jìn)行探放，工作面回采期間未出現(xiàn)頂板涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了安全回采，回采期間工作面涌水量穩(wěn)定在110～140 m3/h。

5 結(jié) 語

根據(jù)榆樹坡煤礦1201工作面地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬及理論計(jì)算分析表明，1201工作面回采期間上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為52 m，1201工作面回采期間頂板涌水水源為直羅組底部粗粒砂巖含水層，導(dǎo)致工作面涌水為第三與第四巖層之間的積水離層，據(jù)此設(shè)計(jì)采用離層充水水源疏放及致災(zāi)離層水體探放技術(shù)防治頂板水害，經(jīng)過疏放成功地將粗砂巖含水層平均水壓降至0.03 MPa，通過合理的探放有效排除了離層充水，回采期間工作面涌水量穩(wěn)定在110～140 m3/h，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全高效開采。

圖5 1201工作面離層充水探放