三盤區(qū)運輸巷頂板淋水特征分析及防治方案

陳 朋,王 鵬

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 伯方煤礦分公司，山西 高平 048400)

伯方礦三盤區(qū)運輸巷II段臨一盤區(qū)采空區(qū)段巷道在掘進(jìn)過程中,頂板的錨索、錨桿孔多處出現(xiàn)淋水現(xiàn)象,實測單孔涌水量約0.25 m3/h,全巷涌水量約33 m3/h。6個月后,1 420-1 500 m段巷道頂板發(fā)生離層,頂板下沉量約50 cm,局部發(fā)生冒頂,嚴(yán)重威脅運輸和行人安全。為保障安全生產(chǎn),防止水害事故,現(xiàn)對淋水情況進(jìn)行分析并制定防治方案。

1 三盤區(qū)運輸巷概況

1.1 工程概況

三盤區(qū)運輸巷II段沿煤層頂板掘進(jìn),巷道為矩形斷面,采用錨網(wǎng)+錨索支護(hù),西北側(cè)為三盤區(qū)軌道巷,東南側(cè)為一盤區(qū)3115、3116、3117、3118采空面。據(jù)3117工作面回采前對3116、3118采空區(qū)疏放水情況可知,采空區(qū)內(nèi)存在積水,并有一定的動態(tài)補給。該段巷道標(biāo)高最低處為677 m,一盤區(qū)采空積水標(biāo)高約為775 m, 預(yù)計最大水頭高度約98 m,水壓約1 MPa。三盤區(qū)運輸巷與一盤區(qū)正采空工作面間設(shè)計留設(shè)了40 m防隔水煤柱。圖1為三盤區(qū)運輸巷與一盤區(qū)采空積水區(qū)關(guān)系示意圖。

圖1 三盤區(qū)運輸巷與一盤區(qū)采空積水區(qū)關(guān)系示意圖Fig.1 Relationship between the transportation roadway in No.3 panel and water-storage goaf in No.1 panel

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

1.2.1地層及構(gòu)造情況

三盤區(qū)運輸巷II段布置在山西組3#煤層中,煤層賦存穩(wěn)定,厚5.47 m,頂?shù)装逄卣饕?02#鉆孔柱狀圖(圖2),巷道揭露構(gòu)造情況如表1所示。

圖2 602#鉆孔柱狀圖Fig.2 Stratum histogram of No.602 borehole

表1 巷道揭露構(gòu)造情況Table 1 Structure of roadway exposure

1.2.2水文地質(zhì)情況

三盤區(qū)運輸巷II段煤層埋深約320 m,地表為Q2、Q3黃土層覆蓋,沖溝發(fā)育,溝內(nèi)平時干涸無水,大氣降水對3#煤層頂板砂巖水補給有限。對工作面有影響的含水層自上而下分為第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、上下石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。依據(jù)空間賦存特征,自上而下主要有二疊系砂質(zhì)泥巖和泥巖隔水層、石炭系太原組灰?guī)r含水層間砂質(zhì)泥巖和泥巖隔水層和本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層。3#煤層頂板砂巖含水層的直接充水水源為山西組砂巖裂隙含水層,富水性弱,滲透系數(shù)為0.006～0.535 m/d,鉆孔消耗量一般為0.10～0.57 m3/h。據(jù)我礦及附近煤礦以往開采情況,井下局部低凹處有1～2級淋頭水,大部分無水,一般隨時間推移逐漸變小,大多數(shù)干涸。

2 防隔水煤柱留設(shè)情況

2.1 防隔水煤柱安全性計算

防隔水煤(巖)柱的尺寸可參考經(jīng)驗公式(1)[1]:

(1)

式中:b為煤柱留設(shè)的寬度,m;K為安全系數(shù)(一般2～5),取最大值5;d為煤層厚度,取602#鉆孔5.47 m;p為水頭壓力,取1 MPa;Kp為煤的抗拉強度,取0.5 MPa。

根據(jù)該公式計算得出結(jié)果b=33.5 m,證明留設(shè)的40 m防隔水煤柱安全可靠。

2.2 物探驗證情況

物探成果見圖3所示。

圖3 三盤區(qū)運輸巷臨一盤區(qū)采空段(1 320-1 920 m)物探成果圖Fig.3 Geophysical detection results of the transportation roadway of No.3 panel dose to the goaf in No.1 panel (1 320-1 920 meters)

通過對三盤區(qū)運輸巷II段(1 320-1 920 m)臨一盤采空積水段的頂板、順層和底板三個方向進(jìn)行瞬變電磁儀物探,結(jié)果顯示防隔水煤柱留設(shè)寬度基本與設(shè)計留設(shè)寬度相符合,煤柱內(nèi)未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū),說明煤柱隔水性較好,煤層內(nèi)無導(dǎo)水通道。在1 750-1 770 m段呈低阻異常,后經(jīng)現(xiàn)場檢查該段,頂板及煤幫均無涌水異常狀況,現(xiàn)場附近為錨桿堆放點,疑為物探過程中干擾所致;在1 820-1 890 m段呈現(xiàn)高阻異常,經(jīng)核實為3117與3118工作面之間的煤柱。

3 淋水補給來源和通道

通過現(xiàn)場勘查及對頂板淋水情況觀測,1 420-1 500 m為S10向斜軸部附近,該處受地質(zhì)構(gòu)造作用力影響,頂板破碎,節(jié)理與巷道斜交,分析認(rèn)為巷道淋水的補給來源、來水方向為相鄰的一盤區(qū)采空區(qū)積水,補給通道為3#煤層頂板的砂巖裂隙(包括成巖裂隙和構(gòu)造裂隙),主要為頂板4.81～17.54 m的粗砂巖裂隙。原因有以下幾點。

1)巷道淋水量較正常值顯著偏大且保持長期穩(wěn)定。若是3#煤層頂板砂巖水,一般補給有限,富水性弱,隨著巷道掘進(jìn)和時間推移,淋水整體呈變小趨勢,正常巷道掘進(jìn)時的涌水量不超過1 m3/h。該淋水地段總涌水量達(dá)33 m3/h,近半年時間呈穩(wěn)定趨勢,說明有穩(wěn)定的補給來源。

2)在運輸巷掘進(jìn)前,回風(fēng)巷頂板淋水較大,在運輸巷掘進(jìn)后,回風(fēng)巷淋水變小,說明運輸巷對回風(fēng)巷的頂板淋水有截流作用,即來水方向為采空區(qū)方向。

3)頂板施工垂直錨索鉆孔時,打至5 m后,孔內(nèi)涌水迅速增大。附近602#鉆孔顯示,工作面頂板4.81～17.54 m為粗砂巖層,厚度約12.73 m,厚度較大,質(zhì)地堅硬,裂隙發(fā)育。該段受構(gòu)造力作用,頂板裂隙在此基礎(chǔ)上更為發(fā)育,且淋水地段為S10向斜一翼,對頂板水有匯聚作用,老空水通過垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶與3#煤層頂板砂巖裂隙溝通,在頂板破碎段成為一盤采空積水的集中排泄口。

4)在淋水段頂板發(fā)生較大面積的離層現(xiàn)象,巷道頂板砂巖長期受水沖刷、浸泡,頂板發(fā)生軟化[2-4],同時水對錨桿錨索腐蝕,降低了錨桿的錨固力,使錨桿既失去了穩(wěn)定的承載基礎(chǔ),又弱化了預(yù)應(yīng)力的傳遞介質(zhì),從而降低了錨桿的預(yù)應(yīng)力作用,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,以致于頂板失穩(wěn)離層,證明巷道頂板淋水來源為老空水滲透[5]。

4 防治方案

4.1 防治方案的確定

相鄰野川煤礦與我礦南部邊界相鄰,與我礦水文地質(zhì)情況相似,該礦在布置3103工作面回采前對我礦3118工作面積水進(jìn)行了疏放,放水時水量約969 m3/d,放水時間90 d,共放水約87 210 m3,放水過程中水壓無變化,放水效果不明顯,預(yù)計放水難度較大,后將放水鉆孔全部封閉。綜上得出以下基本判斷:

1)采空區(qū)積補給量超過1 000 m3/d;

2)當(dāng)疏放水量小于1 000 m3/d時,可能為無效排水量,增加長期排水費用;

3)在采空區(qū)積水的補給邊界、補給通道暫未查明的情況下,暫不具備疏放降壓條件。

通過分析相鄰礦井的放水情況,結(jié)合我礦防隔水煤柱的留設(shè)情況、生產(chǎn)現(xiàn)狀、排水能力,在未查明一盤區(qū)采空區(qū)積水補給邊界、補給通道、補給量等情況下,現(xiàn)階段建議以“堵”為主,以“排”為輔,主要措施為頂板注漿封堵和增強排水能力。

4.2 防治方案的實施

防治方案分三個階段實施。

第一階段:進(jìn)行復(fù)合支護(hù),增設(shè)檢修水泵。針對現(xiàn)階段巷道頂板發(fā)生離層現(xiàn)象,建議采取復(fù)合支護(hù),在原有支護(hù)方式基礎(chǔ)上,架設(shè)鋼支架,給頂板予以支撐,防止頂板再次離層。

第二階段:完善排水系統(tǒng),提升排水能力。配備三臺型號為200D-43×3排水泵(一用一備一檢修)、布設(shè)兩趟Φ200 mm排水管路,及時清理水倉,保證足夠的排水能力。

第三階段:注漿截堵。復(fù)合支護(hù)完成后,在頂板來水方向進(jìn)行注漿治理,截斷導(dǎo)水通道,起到充填裂隙、隔絕水源和將破碎巖體膠結(jié)為整體的作用;加固相鄰地段3115、3116、3117、3118采空面的巷道頂板。關(guān)鍵地段為1 420-1 500 m,加固關(guān)鍵層位為巷道正上方及左幫頂板4.81～17.54 m的粗砂巖層,形成堵水帷幕,將補給邊界改造為阻水邊界,減少無效排水量,減輕礦井排水負(fù)擔(dān)。

5 治理情況

通過對三盤區(qū)運輸巷1 400-1 500 m巷道淋水段頂板復(fù)合支護(hù)后進(jìn)行帷幕注漿封堵,該段的淋水量由原來的30 m3/h減小為2 m3/h,注漿效果顯著,說明對巷道淋水的充水水源和通道判斷準(zhǔn)確,防治方案可行。

6 結(jié)論

1)通過對防隔水煤柱的可靠性進(jìn)行計算,并通過瞬變物探進(jìn)行驗證,認(rèn)為防隔水煤柱安全可靠。

2)通過現(xiàn)場勘查和水文地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合頂板淋水特征,查明了頂板淋水的充水水源和充水通道為構(gòu)造發(fā)育帶,如向斜軸部和頂板裂隙發(fā)育帶。

3)針對頂板長期受水沖刷、浸泡,頂板發(fā)生軟化的情況,制定了先金屬和點柱復(fù)合支護(hù)，再注漿加固關(guān)鍵層的方案,治理效果顯著。

以上的分析方法和施工方案為同類地質(zhì)和水文條件下的頂板淋水防治方案提供了借鑒。