近距離煤層采空區(qū)下工作面防治水技術(shù)研究

楊 帥，王 沉*，2，高雨文，朱獲天

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.重慶市能源投資集團有限公司，重慶 400060)

采空區(qū)水一般積存量比較小，只有幾噸或幾 十噸[1]，但工作面采掘過程中一旦與采空區(qū)導(dǎo)通，將會對采掘活動造成一定的安全隱患。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對采空區(qū)防治水機理及技術(shù)進行了大量研究與實踐。田世雄等在收集以往綜采工作面采空區(qū)積水量計算方法的基礎(chǔ)上，提出新的采空區(qū)積水量計算的方法，合理計算出礦井內(nèi)部以及周邊相鄰礦井采空區(qū)的積水量[2]。肖華等提出了綜合考慮采空區(qū)積水壓力和煤柱浸水衰減影響的礦井邊界煤柱留設(shè)計算新方法[3]。楊建敏等通過研究大巷下山煤柱應(yīng)力分布，老空區(qū)積水賦存狀態(tài)，建立水力滲透模型，分析大面積老空水運移規(guī)律及周圍工作面水力聯(lián)系[4]。劉軍榮通過原位取芯、頂板窺視、礦物組分測試等方法對防治水技術(shù)措施進行了研究，并提出布置探放鉆孔的方法對采空區(qū)積水進行治理[5]。鄭磊等人提出了采前疏放與采后疏排相結(jié)合、留設(shè)防水防沙煤巖柱、引流工程與地表裂縫回填相結(jié)合的技術(shù)方案[6]。劉德旺提出了深部開采以疏水降壓為主、注漿為輔的底板防治水技術(shù)措施[7]。郭星星等采用定向鉆孔技術(shù)將上覆煤層采空區(qū)內(nèi)的積水疏放到下組煤巷道內(nèi)水倉或水窩中[8]。白玉峰通過分析煤層賦存情況，對水患分析情況進行了預(yù)計，依據(jù)煤礦防治水規(guī)程對探放水工程進行了設(shè)計，實踐應(yīng)用效果表明該設(shè)計能有效地疏干采空區(qū)積水[9]。王革良等根據(jù)積水情況對工作面的影響程度進行了預(yù)判，并提出了探放水工作采用分區(qū)布置鉆場、垂直角度大孔徑鉆孔設(shè)計、鉆孔終孔位置布置在上部采空區(qū)巷道內(nèi)側(cè)等工藝，取得了較好的探放水效果[10],另外，利用物探與鉆探相結(jié)合確定富水異常區(qū)及出水量[11]。

綜上，以涼水井431首采工作面作為研究對象，對近距離煤層下水文地質(zhì)進行探索和總結(jié)，從而形成符合生產(chǎn)實際的防治水技術(shù)，為相似條件下礦井提供技術(shù)參考。

1 工程概況

涼水井礦431盤區(qū)位于涼水井礦首采421盤區(qū)正下方，盤區(qū)東西長約2.8 km，南北長約5.73 km，可采儲量1 174萬t，煤層傾角為1°，底板巖層內(nèi)摩擦角為30°。目前，431盤區(qū)上覆9個工作面已回采完畢，并且工作面采空區(qū)均存在不同程度的積水現(xiàn)象，盤區(qū)內(nèi)4-2煤與4-3煤層平均間距為24.92 m，盤區(qū)開采時導(dǎo)水裂隙有可能導(dǎo)通上覆采空區(qū)，給工作面開采帶來安全隱患。

根據(jù)421盤區(qū)積水區(qū)域，得到431盤區(qū)工作面上覆采空區(qū)積水分布，如圖1所示。為保障采空區(qū)下工作面的安全回采，對431盤區(qū)首采工作面(43101)的導(dǎo)水高度進行預(yù)測，分析涌水通道分布特征，并在工作面回采期間制定有效的上覆采空區(qū)涌水治理方案。

圖1 431盤區(qū)上覆采空區(qū)積水分布圖

2 工作面導(dǎo)水高度發(fā)育特征

2.1 理論分析

431盤區(qū)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度，分別為431盤區(qū)工作面開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育及421盤區(qū)工作面底板裂隙發(fā)育。

2.1.1431盤區(qū)工作面開采導(dǎo)水裂隙帶高度

431盤區(qū)煤層采用長壁開采方法，煤層為近水平煤層，覆巖為中硬巖層，近距離煤層開采時導(dǎo)水裂隙帶高度Hd為[12]：

(1)

式中，∑M為累計采高，為1.1～1.4 m。

計算得到，431盤區(qū)煤層開采時導(dǎo)水裂隙帶高度為30.6～33.7 m。

2.1.2421盤區(qū)煤層采空區(qū)底板裂隙發(fā)育深度

421盤區(qū)煤層開采后引起底板破壞，其破壞深度與開采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力分布有關(guān)，其破壞深度計算公式[13]：

(2)

計算得到：421盤區(qū)工作面采空區(qū)底板裂隙發(fā)育深度為9.2 m。因此，431盤區(qū)煤層工作面導(dǎo)水發(fā)育高度為：

(3)

根據(jù)431盤區(qū)煤厚分布特征，以及導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，繪制431盤區(qū)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度等值線圖，如圖2所示。

圖2 431盤區(qū)內(nèi)導(dǎo)水高度等值線圖

431盤區(qū)內(nèi)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度在39.8～42.7 m。431盤區(qū)內(nèi)4-2與4-3煤間距為21.99 m～29.2 m，平均24.92 m，間距比較穩(wěn)定，東南部較大，間距最小點位于盤區(qū)中部，從北向南變化較小。4-2與4-3煤間距等值線圖如圖3所示。

圖3 431盤區(qū)內(nèi)4-2煤與4-3煤間距等值線圖

431盤區(qū)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大于4-2與4-3煤層間距，即421盤區(qū)采空區(qū)積水能通過導(dǎo)水裂隙涌入431盤區(qū)工作面，造成工作面開采的安全隱患。

2.2 數(shù)值模擬

參照431工作面實際條件，建立工作面采掘的UDEC2D數(shù)值模型，模擬43101工作面采掘過程，揭示工作面裂隙發(fā)育特征。

2.2.1模型建立

建立工作面采掘的UDEC2D數(shù)值模型，模型建至地表，模型尺寸為300 m×195 m(長度×高度)，如圖4所示，模擬采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，模型側(cè)邊與底邊固定位移邊界，上部施加均布載荷q，可用q=γh表示[14]，其中γ為上覆巖層的平均體積力，h為模型上邊界埋深。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

圖4 數(shù)值模型

2.2.2首采工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況

基于涼水井礦431盤區(qū)實際生產(chǎn)條件，取43101工作面長度為160 m，分別研究沿工作面傾向、走向方向工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律。

(1)沿工作面傾向方向

為充分掌握工作面傾向方向的裂隙發(fā)育特征，數(shù)值計算中充分考慮4-2煤層工作面開采現(xiàn)狀，結(jié)果如圖5所示。

圖5 沿傾向方向?qū)严栋l(fā)育情況

沿工作面傾向方向，42101工作面開采的底板裂隙發(fā)育范圍較小，不能導(dǎo)通43101工作面；43101工作面開采導(dǎo)水裂隙主要位于工作面兩端頭附近；由回風(fēng)巷向工作面內(nèi)30 m及運輸巷向工作面內(nèi)35 m范圍。43101工作面回采期間輔運巷上方導(dǎo)水裂隙較少，未能溝通上覆采空區(qū)，輔運巷不會出現(xiàn)巷道涌水現(xiàn)象。

(2)沿工作面走向方向

在4-2煤層工作面開挖平衡后，沿43101工作面走向方向開挖，步距為5 m，工作面推進距離為100 m，43101工作面頂板導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況，如圖6所示。

圖6 沿走向不同推進距離導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況

沿工作面走向方向，43101工作面推進過程中，頂板導(dǎo)水裂隙帶逐漸向4-2煤層采空區(qū)發(fā)育；工作面由開切眼至推進距離30 m范圍內(nèi)，頂板導(dǎo)水裂隙不能夠?qū)ㄉ细膊煽諈^(qū)，如圖5(a)所示；推進距離為35 m時，43101工作面采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙首先與42101工作面采空區(qū)導(dǎo)通，上覆采空區(qū)積水開始通過裂隙涌入43101采工作面采空區(qū)；推進距離為40 m時，工作面處及采空區(qū)邊界處導(dǎo)水裂隙開始與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，上覆采空區(qū)積水可以通過裂隙涌入43101工作面，工作面會產(chǎn)生積水現(xiàn)象，影響工作面的正常生產(chǎn)，如圖5(b)所示；隨著工作面的繼續(xù)推進，工作面?zhèn)葘?dǎo)水裂隙繼續(xù)發(fā)育，并保持持續(xù)貫通上覆采空區(qū)，如圖5(c)所示；同時沿工作面走向方向上，工作面采空區(qū)中部的裂隙逐漸被壓實，在推進距離為100 m時，采空區(qū)中部裂隙完全閉合，有效導(dǎo)水裂隙主要分布在工作面?zhèn)燃安煽諈^(qū)深部，如圖5(d)所示。

綜上，43101工作面導(dǎo)水裂隙通道分為傾向?qū)严锻ǖ馈⒆呦驅(qū)严锻ǖ?。傾向?qū)严锻ǖ乐饕植荚?3101工作面兩端，回風(fēng)巷側(cè)30 m、運輸巷側(cè)35 m范圍，在工作面推進過程中，傾向?qū)严栋l(fā)育范圍基本保持不變。走向?qū)严锻ǖ乐饕譃椴煽諈^(qū)深部邊界處、采空區(qū)中部、工作面?zhèn)?，工作面由開切眼推進距離為35 m時，采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙開始貫通上覆采空區(qū)，在工作面繼續(xù)推進的過程中，導(dǎo)水裂隙逐漸發(fā)育并最終閉合，在工作面推進距離為100 m時，導(dǎo)水裂隙閉合；工作面推進40 m時，采空區(qū)深部邊界處、工作面?zhèn)葘?dǎo)水裂隙首次貫通上覆采空區(qū)，在工作面后續(xù)推進過程中，導(dǎo)水裂隙保持貫通上覆采空區(qū)，工作面?zhèn)葘?dǎo)水裂隙超前4-2煤層上覆采空區(qū)15～20 m，采空區(qū)邊界側(cè)導(dǎo)水裂隙在工作面推進至100 m左右開始趨于穩(wěn)定。

基于掌握工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況條件下，對43101工作面防治水體系的建立主要為明確涌水通道的分布特性，得到適和的探放水方案。

3 工作面涌水分布特征

根據(jù)現(xiàn)場實測，得到43101工作面開采上覆采空區(qū)積水分布，如圖7所示，采空區(qū)積水主要分布在A、B兩區(qū)域，其中B區(qū)域位于431盤區(qū)保護煤柱線以內(nèi)，根據(jù)涌水通道可以判斷B區(qū)域積水對于43101工作面的開采不會造成影響，為此工作面開采期間主要考慮A區(qū)域內(nèi)采空區(qū)積水。

根據(jù)43101工作面傾向及走向裂隙發(fā)育特征，繪制出43101工作面上覆采空區(qū)積水導(dǎo)通區(qū)域，如圖7(b)所示。

3.1.5 避免空氣栓塞 空氣栓塞是中心靜脈置管護理最嚴重的并發(fā)癥，可造成肺動脈栓塞引起患者死亡。特別對頭高位和低血容量的患者尤應(yīng)重視。輸液器、肝素帽及三通管各個接頭處要銜接牢固。在輸液過程中應(yīng)加強巡視，及時更換液體。

圖7 43101工作面積水分布圖

根據(jù)傾向方向裂隙發(fā)育特點，可以得出42101工作面采空區(qū)積水均能夠通過傾向涌水通道涌入43101工作面，受上覆殘留煤柱的影響，42102工作面采空區(qū)未導(dǎo)通43101工作面；根據(jù)走向工作面?zhèn)攘严栋l(fā)育超前上覆采空區(qū)的特點，得到43101工作面涌水區(qū)域為，由開切眼至回風(fēng)巷側(cè)推進556 m，膠運巷側(cè)推進562 m范圍。

綜上，為確保43101工作面在掘進、回采期間的安全推進，考慮上覆采空區(qū)積水的威脅，針對43101工作面首先需進行巷道超前探放水工作，后在工作面巷道系統(tǒng)形成后，開展相應(yīng)的工作面頂板疏放水工程，并提出合理的工作面排水實施方案。

4 探放水方案

43101工作面防治水工程主要包括回采巷道掘進期間、工作面回采前期及工作面回采期間三個階段。

受上覆4-2煤層工作面采空區(qū)積水的影響，43101工作面巷道掘進期間，采用物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測技術(shù)，合理運用水文地質(zhì)物探技術(shù)，以物探指導(dǎo)鉆探，查清上覆采空區(qū)積水分布特征。

工作面準(zhǔn)備完畢后，在工作面開始回采前期，利用直流電法與瞬變電磁法相結(jié)合的方法對工作面疑似含水區(qū)進行超前勘探，確定首采工作面積水區(qū)位置。

本次瞬變電磁的勘探網(wǎng)格為40 m(線距)×20 m(點距)，在疑似含水區(qū)上東西向布置直流電測深勘探線1條，點距100 m，如圖8所示。

圖8 首采工作面地面物探示意圖

針對地面直流電法和瞬變電磁物探結(jié)果，繪制工作面疑似含水區(qū)分布圖，對工作面上覆采空區(qū)積水區(qū)進行二次探放水作業(yè)，對于小區(qū)域內(nèi)的上覆采空區(qū)積水按照掘進期間的疏放水原則進行疏放，對于大面積積水區(qū)域，采取施工疏放水鉆場的方法進行疏放上覆采空區(qū)積水，如圖9所示。根據(jù)43101工作面上覆4-2煤層底板等高線，使疏水鉆孔終孔位置應(yīng)盡量處在上覆采空區(qū)低洼區(qū)，在膠運巷和回風(fēng)巷同時施工，合理布置打鉆方向及位置，確保最大程度的對上覆采空區(qū)積水進行疏放。

圖9 疏水鉆場及鉆孔布置示意圖

43101工作面未實施準(zhǔn)備工程量以前，上覆42101工作面采空區(qū)涌水量穩(wěn)定在20 m3/h，經(jīng)回采巷道超前探放水、工作面超前探放水作業(yè)后，上覆采空區(qū)積水大部分得到疏放，有效地解決工作面內(nèi)部積水治理問題。

5 結(jié)論

(1)理論計算中431盤區(qū)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度在39～43 m，盤區(qū)內(nèi)4-2與4-3煤間距為21.99～29.2 m，則421盤區(qū)采空區(qū)積水通過導(dǎo)水裂隙涌入431盤區(qū)工作面。

(2)數(shù)值模擬中傾向涌水通道主要位于工作面兩端，回風(fēng)巷側(cè)30 m、運輸巷側(cè)35 m范圍；走向?qū)严栋ú煽諈^(qū)深部邊界處、采空區(qū)中部、工作面?zhèn)?，采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙經(jīng)歷“閉合-導(dǎo)通-閉合”的發(fā)育過程，走向涌水通道主要分布在采空區(qū)深部邊界及工作面?zhèn)?，工作面?zhèn)瘸?-2煤層上覆采空區(qū)15～20 m，采空區(qū)邊界側(cè)導(dǎo)水裂隙在工作面推進至100 m左右開始趨于穩(wěn)定。

(3)針對431上覆采空區(qū)涌水危險區(qū)域，建立掘進期間物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測技術(shù)及回采期間工作面超前探放水的近距離煤層采空區(qū)下綜采工作面防治水技術(shù)體系，能有效解決工作面積水問題。