成莊礦1307工作面老空水治理技術(shù)

韓建強

(晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司 成莊礦，山西 晉城 048000)

水體下采煤由于回采期間導水裂縫帶容易與上方老空積水區(qū)或含水層貫通，在回采期間具有較大風險[1]。對此，大量學者進行了研究：伍永平等[2]結(jié)合理論計算與相似模擬試驗對綜放面導水裂縫帶進行預計，結(jié)果表明，頂板破斷造成的導水裂縫常出現(xiàn)在老頂上方，隨著工作面的推進，導水裂縫向下部不斷拓展，最終與工作面煤壁貫通；楊達明等[3]結(jié)合鉆孔電視與數(shù)值模擬試驗分析得出，導水裂縫帶發(fā)育經(jīng)歷發(fā)育、緩慢、突增、穩(wěn)定4個階段，覆巖導水裂隙帶以離層的形式不斷向上位巖層拓展；楊建立等[4]通過在頂板巖層中布置鉆孔的方式進行觀測發(fā)現(xiàn)，同樣采高條件下，綜放開采比分層開采導水裂隙帶發(fā)育高度高1.3倍左右，在初次采動條件下，兩種采煤方法裂采比基本持平；彭濤等[5]通過理論分析的方法得出，頂板涌水潰沙造成的原因不僅包括煤炭開采，同時會受地質(zhì)構(gòu)造、動力突變等因素影響，隨著積水量的不斷增加，造成突水潰沙現(xiàn)象；劉英鋒等[6]結(jié)合鉆孔探測數(shù)據(jù)分析認為，頂板裂隙自上而下逐漸增多，在砂巖區(qū)域，裂隙主要受拉伸破壞影響，裂隙尺寸角度相對較大，推進距離與導水裂隙帶發(fā)育高度曲線呈“臺階”式分布。

雖然水體下采煤的研究成果眾多，但都是針對各礦的具體情況，研究成果并不具備普遍適用性。對此，本文以成莊礦1307綜采工作面為研究背景，通過理論計算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的方法，對老空區(qū)積水下工作面回采可行性進行研究。

1 工程概況

成莊礦1307工作面開采9號煤層，采用綜合機械化采煤法采煤，全部垮落法處理頂板，工作面平均埋深440 m，工作面走向長度850 m，傾向長度176 m，煤層平均厚度1.1 m，平均傾角4°，屬近水平煤層，煤層賦存穩(wěn)定，節(jié)理發(fā)育。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。1307工作面上方存在3號煤層3304工作面采空區(qū)，3304工作面采空區(qū)埋深平均390 m，結(jié)合地面順變電磁勘探資料，3304工作面預計存有采空區(qū)積水88 000 m3，采空區(qū)距1307工作面最小垂直距離47 m，目前，1307工作面初采期間存在頂板局部淋水的問題，由于工作面直接頂為泥巖，當工作面頂板淋水后，頂板泥巖出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，大幅降低工作面頂板強度，頂板局部破碎現(xiàn)象嚴重。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 理論計算

2.1 9號煤層開采導水裂縫帶高度理論計算

結(jié)合《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》經(jīng)驗公式，通過理論計算，確定工作面淋水原因與工作面上方3號煤層采空區(qū)積水是否有關(guān)，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Ht為導水裂縫帶發(fā)育高度，m；M為工作面采高，m。

9號煤層平均可采高度為1.1 m，代入上式計算得出，Ht為30.1 m。

2.2 3號煤層開采底板破壞深度理論計算

3304工作面在回采期間造成工作面底板破壞，結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，工作面底板破壞深度可由式(2)進行計算：

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-43 579

(2)

式中：h為底板最大破壞深度，m；H為埋深，m；α為地層傾角；L為工作面斜長，m。

3304工作面平均埋深390 m，平均采高6.1 m，地層傾角4°，工作面斜長220 m，計算得出h為23.361 m，取24 m。

則1307工作面頂板最大破壞高度理論計算結(jié)果如式(3)所示：

HP=Ht+h

(3)

計算得出1307工作面頂板最大破壞高度為54.1 m，大于與3號煤層采空區(qū)間距，故采空區(qū)積水可能對1307工作面回采產(chǎn)生影響，在1307工作面回采初期，應采取探放水等措施以保證工作面正?；夭?。

3 數(shù)值模擬試驗

3.1 模型建立

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件進行，分析頂板導水裂隙帶發(fā)育高度，設計模型尺寸為276 m×150 m×133 m，模型左右兩側(cè)預留50 m邊界煤柱，主要觀測煤層開挖后，上覆巖層穩(wěn)定下圍巖塑性區(qū)分布情況，因此，建立模型時自上而下分層建立，主要包括基巖層、頂板、煤層、底板。各巖層巖石力學參數(shù)表見表2。

表2 頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)

3.2 邊界條件及模擬方案

采用摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系對模型進行定義，對模型前后左右四個方向約束位移，固定底板，頂板自由，在頂板施加均布載荷模擬未模擬巖層產(chǎn)生的應力，擬分析采高為1 m情況下的頂板導水裂縫帶發(fā)育高度。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采高為1 m情況下巖層塑性區(qū)分布云圖，如圖1所示。由圖1可知，開挖煤層頂板穩(wěn)定后，工作面兩側(cè)上方巖層塑性區(qū)發(fā)育高度較高，此時導水裂隙帶發(fā)育高度達到35 m左右，裂采比為31.8，破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，在工作面中部上方巖層中，破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞與拉伸破壞，其中，拉伸破壞主要集中在煤層上方直接頂范圍內(nèi)，老頂及上位巖層主要表現(xiàn)為剪切破壞。數(shù)值模擬結(jié)果說明，1307工作面回采時覆巖導水裂縫帶發(fā)育高度與理論計算結(jié)果基本吻合。

圖1 采高1 m時工作面塑性區(qū)分布云圖

4 現(xiàn)場實測

結(jié)合成莊煤礦實際施工參數(shù)，1307工作面平均采高1.1 m，為了準確測定工作面上方導水裂縫帶發(fā)育高度，采用井下仰孔注水測漏法進行觀測。工作面推進一段距離后，在回風巷內(nèi)超前工作面50 m布置平行觀測孔3個，分別為Z01、Z02、Z03，鉆孔間距15 m，設計鉆孔選用鉆頭96 mm規(guī)格，為保證鉆機機身的穩(wěn)固和方便放水鉆孔的施工，為保證放水孔有較好的放水效果，減少堵孔塞孔現(xiàn)象，終孔層位應避開巷道，且終孔點設計在采空區(qū)原頂板向下1.5～2 m處，鉆孔施工使用ZDY-4000LD鉆機，安裝孔口管直徑150 mm，壓力水排渣法鉆進10.5 m后，起出鉆桿，下10 m、D150 mm的套管，并采用專用封孔器壓風吹水泥漿法封孔10 m，進行固管。鉆孔布置平面如圖2所示，鉆孔結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，鉆孔觀測結(jié)果如表3所示。

圖2 鉆孔布置平面

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意

表3 1307工作面導水裂縫帶發(fā)育高度實測數(shù)據(jù)

由1307工作面導水裂縫帶現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)推測工作面最大導水裂縫帶發(fā)育高度為34.3～36.6 m，與經(jīng)驗公式計算結(jié)果及數(shù)值模擬試驗所得結(jié)果相差不大，因此，結(jié)合試驗結(jié)果，取1307工作面導水裂縫帶發(fā)育最大高度37 m，此時，工作面上方導水裂縫帶發(fā)育高度已與3號煤層采空區(qū)底板破碎巖層局部貫通，存在涌水風險。

5 治理措施

為了保證1307工作面正常回采，需要對3304工作面老空區(qū)積水進行排放，故在1307工作面回風巷內(nèi)布置放水鉆孔3個，釋放3304工作面老空區(qū)積水，鉆孔布置參數(shù)表如表4所示。施工使用ZDY-4000LD鉆機，安裝孔口管直徑150 mm，并采用96 mm鉆頭進行施工至終孔，終孔直徑設計為100 mm，終孔點設計位于3304工作面原底板上方1.5～2 m處。

表4 放水孔布置參數(shù)

礦井當前主水泵房裝有D450-60×4型水泵5臺，水泵額定排水能力為450 m3/h；正常條件下兩臺水泵同時工作，兩臺水泵額定排水能力為900 m3/h。鉆孔釋放3304老空區(qū)積水后，礦井正常涌水量約為412.88 m3/h時，礦井最大涌水量約589.87 m3/h，當同時啟用兩臺排水泵時，能夠保證在220 h左右排干3304工作面老空區(qū)積水，最終確保1307工作面在不受3304工作面老空區(qū)積水的影響下穩(wěn)定回采。

6 結(jié) 語

1) 通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測結(jié)果表明，9號煤層工作面導水裂縫帶發(fā)育過程中與上覆3號煤層采空區(qū)局部貫通，工作面存在涌水風險。

2) 通過在1307工作面回風巷布置探放水鉆孔釋放老空水，保證了1307工作面穩(wěn)定回采。