工作面頂板含水層冒裂帶分析及防治水措施

常金鵬

（潞安化工集團蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

黑龍煤業(yè)2103 工作面傾向長度 （切眼）190.5 m，走向長度655 m。 工作面開采9+10+11號煤層，9 號煤平均厚度0.8 m，10 號與11 號煤層合并，10+11 號煤平均厚度4.8 m；9 號煤與10+11 號煤之間有一層均厚為1.6 m 的夾矸。3 層煤層均厚為7.2 m，煤層頂?shù)装逄卣魅绫? 所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2103 工作面采用綜合機械化放頂煤開采，采高3.0 m，放煤高度為2.6 m。 工作面頂板K2、K3、K4灰?guī)r層為頂板主要含水層。 K2灰?guī)r致密堅硬，均厚13.7 m，整體富水性較弱；K3灰?guī)r致密堅硬，均厚14.2 m，整體富水性弱而不均勻，與工作面間間距為25～33 m；K4灰?guī)r層均厚16 m，相對K2、K3，灰?guī)r層含水性有所增強，局部區(qū)域富水性強，K4含水層與工作面煤層的間距為75～120 m。

2 頂板含水層冒裂程度分析

2103 工作面的頂板巖層為灰?guī)r，巖性致密堅硬，煤層平均厚度為7.2 m，根據(jù)《煤礦防治水細則》中關于煤層厚度在3～12 m，堅硬頂板工作面導水裂縫帶經(jīng)驗計算公式計算導水裂縫帶高度，如下[1-3]：

式中：H 為導水裂縫帶的發(fā)育高度；M 為煤層厚度；煤層均厚為7.2 m。 結合工作面內(nèi)鉆孔地質(zhì)資料，將上述參數(shù)代入式（1），得到工作面內(nèi)各個鉆孔煤厚及導水裂縫發(fā)育最大高度，情況如表2 所示。

表2 導水裂縫帶發(fā)育高度統(tǒng)計

根據(jù)工作面范圍內(nèi)導水裂縫帶發(fā)育高度的數(shù)據(jù)資料，采用ArcGIS 軟件繪制出工作面區(qū)域內(nèi)導水裂縫帶的分布圖，如圖1 所示。

圖1 2103 工作面區(qū)域?qū)芽p帶發(fā)育高度分布

當工作面頂板隔水層的厚度小于導水裂縫帶的發(fā)育高度時，此時在采掘擾動下，煤層頂板垮落后，頂板含水層會從頂板中涌出發(fā)生突水事故。 根據(jù)上述導水裂縫帶發(fā)育高度的計算結果可知，工作面回采后導水裂縫帶的發(fā)育高度均超過煤層頂板隔水層的厚度（75～120 m），工作面整體處于頂板冒裂帶危險區(qū)內(nèi)，回采前需采取有效的防水措施。

3 防治水技術方案

3.1 巷道掘進期間的防治水措施

為防止2103 工作面掘進期間頂板含水層發(fā)生突水事故，在運輸巷和回風巷掘進期間均采用物探+鉆探相結合的防治水措施，具體如下：

物探技術：現(xiàn)以運輸巷為例進行說明。 工作面運輸巷掘進期間采用瞬變電磁法進行頂板K2含水層富水性及構造裂隙發(fā)育程度的探測分析[4]。探測在頂板上30°方向上布置物理測點11 個，測點與巷道掘進方位角間的夾角分別為0°、±10°、±20°、±30°、±40°和±50°，具體測點布置方式如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁法超前探測布置

巷道掘進期間循環(huán)進行瞬變電磁探測作業(yè)，每次探測的覆蓋長度為130 m，超前距30 m，即探測安全后，允許掘進進尺100 m。 現(xiàn)以運輸巷運2#測點前50 m 迎頭處探測作業(yè)為例進行分析，根據(jù)探測結果可知，迎頭前方100 m 范圍內(nèi)視電阻率等值線變化特征如圖3 所示。

圖3 頂板上30°方向視電阻率等值線

分析圖3 可知，運2#測點前50 m 迎頭前方70 m 位置出現(xiàn)電阻異常，表明頂板存在富水區(qū)域，且掘進前方構造較為發(fā)育。 產(chǎn)生富水的原因主要是裂隙發(fā)育導致的。 巷道掘進通過該區(qū)域前，需采用疏放水措施后方可掘進。

運輸巷掘進期間，物探實施后，采用鉆探對物探結果進行驗證。 探放水鉆孔在巷道迎頭處施工，施工角度向上30°，鉆進平距為130 m，鉆孔布置方式如圖4 所示。 通過鉆孔驗證能夠有效疏放巷道前方物探預測的富水區(qū)域，若物探前方無富水區(qū)域，鉆探驗證后，仍無出水現(xiàn)象，巷道即可繼續(xù)向前掘進。

圖4 探放水鉆孔布置平面

3.2 回采期間防治水措施

工作面回采前，巷道掘進期間已對工作面周圍環(huán)境中的富水區(qū)段進行了疏放，但工作面內(nèi)仍可能存在不確定的頂板富水區(qū)段，工作面回采期間防治水措施如下：

（1）通過鉆探和物探分析，如回采前方區(qū)域含水層無補給情況時，此時通過兩回采巷道向工作面內(nèi)打疏放水鉆孔，對物探分析出的低阻異常區(qū)域進行疏放作業(yè)。

（2）當頂板含水層存在補給無法疏干時，采取增加疏放鉆孔，工作面回采作業(yè)與放水作業(yè)同時進行。 當工作面回采至放水鉆孔區(qū)域時，再對鉆孔進行封閉；打設下一循環(huán)的放水鉆孔。

（3）排水溝設置：如通過鉆孔疏放仍難以疏水降壓，在工作面兩側(cè)設置排水溝，對頂板淋水進行集中收集處理。

（4）防水煤柱留設：工作面內(nèi)存在斷層時，會破壞巖層的完整性，斷層區(qū)域常為頂板水的導水通道，當斷層區(qū)域富水性較大，且頂板存在補給水源時，應留設防水煤巖柱，防止發(fā)生突水事故。 根據(jù)防治水相關規(guī)定[5-6]，防水煤柱留設寬度的計算公式如下：

式中：L 為防水煤柱的留設寬度；M 為煤層厚度或采高，取工作面煤層最大厚度8 m；KP為煤的抗拉強度；P 為實際水頭值；K 為安全系數(shù)，一般取為2～5。 根據(jù)2301 工作面頂板含水層的賦存特征，取K=5，P=1.93 MPa，KP=0.35 MPa，M=8 m，基于上述數(shù)據(jù)代入式（2）；計算得出：L=81 m。具體工作面防治水煤柱留設如圖5 所示。

圖5 斷層區(qū)域防水煤柱留設

3.3 工程應用效果

2103 回采工作面在巷道掘進期間采用物探+鉆探的防治水措施后，巷道掘進期間無頂板突水，回采期間局部富水區(qū)域頂板僅有少量淋水，亦未出現(xiàn)突水現(xiàn)象，防治水措施有效保障了工作面的安全掘進和回采。

4 結語

根據(jù)2103 工作面頂板含水層的賦存特征，通過頂板含水層冒裂程度分析，得出工作面全區(qū)均處于頂板含水層冒裂危險區(qū)內(nèi)。 基于頂板冒裂程度分析結果，分別對回采巷道掘進及工作面回采期間的防治水措施進行設計，防治水措施保障了工作面的安全掘進和回采。