綜采工作面上方老空水治理技術(shù)分析與實(shí)踐

郭亮亮

（山西沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

工作面回采煤層頂板垮落后形成的導(dǎo)水裂縫極易與工作面上方的老空積水聯(lián)通，給工作面安全回采造成較大威脅［1-4］。以候村煤業(yè)15105采煤工作面為工程背景，采用理論計(jì)算分析、摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)數(shù)值模擬分析，掘進(jìn)順槽進(jìn)行物探探測(cè)和鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)老空水治理技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

候村煤業(yè)15105工作面開采15號(hào)煤層，全部垮落法管理頂板，工作面平均埋深251.4 m，工作面走向長(zhǎng)度362.71 m，傾斜長(zhǎng)100 m。15號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，平均煤厚4.5 m，煤層厚度變化不大，煤層平均傾角為4°。15105工作面北側(cè)為東輔運(yùn)大巷，東側(cè)為104工作面輔運(yùn)順槽。在15105工作面上方是13號(hào)煤層13101已采工作面采空區(qū)，13101綜采工作面采空區(qū)平均埋深185 m。為進(jìn)一步查清15105工作面回采前方地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，確保安全生產(chǎn)，依據(jù)“物探先行”的原則，探測(cè)方法選擇瞬變電磁法，經(jīng)測(cè)定積，水范圍在13101工作面局部低洼處，采空區(qū)積水約36 000 m3。15105綜采工作面進(jìn)行試生產(chǎn)時(shí)，頂板局部有淋水，受淋水影響頂板灰?guī)r出現(xiàn)風(fēng)化破碎，降低了工作面頂板的強(qiáng)度。15105工作面頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性

2 理論計(jì)算

2.1 15號(hào)煤層回采期間導(dǎo)水裂縫帶高度分析

根據(jù)2010年07月開始實(shí)施的《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，需經(jīng)過理論分析驗(yàn)算，查明15105工作面頂板淋水來源，判定是否與四鄰工作面有關(guān)，計(jì)算公式如式（1）：

式中：H1為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；M為采高，該面取4.5 m。

計(jì)算得出，H1為52.42 m。

2.2 13號(hào)煤層回采巷底圍巖破壞垂深分析

根據(jù)2017年國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局新修訂的《建筑物、水體、鐵路、主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，隨著13101工作面回采進(jìn)行，巷道壓力重新分布變化，尤其是底板出現(xiàn)底鼓、開裂等不同程度變化，計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：h為巷底圍巖最大破壞垂深，m；H為埋深，m，該面取185 m；α為地層傾角，取4°；L為工作面傾斜長(zhǎng)度，m，取220 m。

代入上式計(jì)算得出h為10.998 m，取11 m。

15105工作面頂板破壞高度：Hp=H1+h

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，H1為52.42 m，h為11 m

代入上式分析驗(yàn)算得出，15105工作面巷頂破裂垂高為63.42 m，與該面頂板至13101工作面采空區(qū)底板之間距離66.4 m的差值相近，加之15105工作面頂板局部有淋水，受淋水影響頂板灰?guī)r出現(xiàn)風(fēng)化破碎，大大降低了工作面頂板強(qiáng)度。因此，該面回采可能受13101工作面空區(qū)積水威脅，工作面生產(chǎn)前，需進(jìn)行老空水探查疏放治理。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 模型建立

為準(zhǔn)確觀測(cè)15105工作面開采后上覆巖層頂板圍巖塑性及彈性模量變化情況，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，根據(jù)煤層頂?shù)装宀煌瑤r性（煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)如表2所示），從上向下逐層建立。模型尺寸為270 m×155 m×138 m，模型前、后、左、右各拓展50 m，作為各邊預(yù)留煤（巖）柱。通過FLAC3D模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出采高為4.5 m條件下，工作面頂部導(dǎo)水裂縫帶高度。

表2 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

當(dāng)模型采高為4.5 m時(shí)，工作面頂板塑性區(qū)變化圖如圖1所示。通過分析，工作面回采后頂部巖石逐漸趨穩(wěn)，切巷前后側(cè)頂部圍巖塑性區(qū)較發(fā)育，該時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到50.27 m左右，裂采比為31.9，圍巖大部分出現(xiàn)剪裂變形，尤其是切巷中、上方圍巖，大部分受到拉伸及剪切變形。通過觀察分析，煤層上部直接頂被拉伸開裂，剪切破壞主要在老頂及以上圍巖出現(xiàn)較多。通過數(shù)值模擬分析，15105工作面開采時(shí)工作面頂部導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與分析驗(yàn)算數(shù)據(jù)基本一致。

圖1 采高4.5 m條件下頂板塑性區(qū)

4 工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

15105工作面平均采高4.5 m，為確保工作面安全回采，在運(yùn)輸順槽打3個(gè)平行觀測(cè)孔進(jìn)行仰孔注水并測(cè)漏，實(shí)測(cè)15105綜采工作面上方導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。隨著工作面推進(jìn)55 m后，在15105工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)超前布置3個(gè)平行觀測(cè)孔，每個(gè)觀測(cè)孔間距均為15 m，鉆孔編號(hào)分別為K01、K02、K03。同時(shí)，為保證采空區(qū)積水有效疏放，避免雜物堵塞鉆孔，將鉆孔終孔位置設(shè)計(jì)在原采空區(qū)頂板向下1.5～2 m巷道以外位置。采用履帶式ZDY4000LP（S）型坑道鉆機(jī)施工鉆孔；鉆桿直徑73 mm，開孔直徑94 mm，安裝孔口管直徑113 mm；要求下套管長(zhǎng)度10 m，套管直徑108 mm，管壁厚度5 mm，套管使用內(nèi)絲加外絲對(duì)接，絲扣長(zhǎng)度不少于100 mm；使用直徑113 mm鉆頭擴(kuò)孔11 m，每節(jié)套管纏裹棉紗使用鉆機(jī)推進(jìn)，下入10 m套管。在管壁與孔壁之間用封孔膠進(jìn)行封孔，凝固時(shí)間30 min，套管固定牢固，套管外不得滲水、漏水，套管口安裝25 kg閥門，并使用鋼絲繩進(jìn)行聯(lián)鎖加固。鉆孔設(shè)計(jì)平面如圖2所示，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示，15105工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖2 鉆孔設(shè)計(jì)

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)

表3 15105工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

據(jù)表3 15105工作面導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推測(cè)工作面巷頂導(dǎo)水裂縫帶高度為53.8～55.7 m，與模擬試驗(yàn)及分析驗(yàn)算數(shù)據(jù)相差較小。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及模擬結(jié)果，確定15105工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度55.7 m，尚不能排除存在局部工作面回采形成的導(dǎo)水裂縫通道已與其上方老空積水聯(lián)通，出現(xiàn)涌水威脅。

5 治理措施

為有效排除13101工作面采空區(qū)積水，將一臺(tái)履帶式ZDY4000LP（S）型坑道鉆機(jī)運(yùn)至15105綜采工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)，在該巷設(shè)計(jì)放水鉆孔3個(gè)，鉆孔布置參數(shù)如表5所示。開孔孔徑113 mm，采用94 mm鉆頭施工至終孔。終孔位置到達(dá)上部13101工作面巷底以上1.5～2 m，施工期間礦地測(cè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟班，確保治理效果。

表5 放水孔布置參數(shù)

候村煤業(yè)15采區(qū)下山泵房共安裝了4臺(tái)MD450-60×7型多級(jí)分段式離心水泵，水泵額定流量為500 m3/h，揚(yáng)程為399 m。15采區(qū)下山泵房正常開啟兩臺(tái)水泵，額定排水能力能達(dá)到1 000 m3/h。在15105工作面運(yùn)輸順槽打放水鉆孔，充分釋放13101工作面老空存水，通過礦技術(shù)人員測(cè)定，15采區(qū)正常涌水量為410 m3/h，最大涌水量達(dá)到522.27 m3/h。兩臺(tái)MD450-60×7型多級(jí)分段式離心水泵同時(shí)運(yùn)行，13101工作面老空積水共計(jì)約36 300 m3，經(jīng)過225 h被排完，消除了上方13101工作面老采空區(qū)積水對(duì)下覆15105工作面回采的影響，保證了15105工作面安全順利回采。

6 結(jié)語

通過理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬等手段，同時(shí)通過勘探探測(cè)和鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，15105工作面回采采空區(qū)頂板垮落后，頂板破斷產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫會(huì)與上部13101工作面采空區(qū)形成聯(lián)通，該面回采期間存在涌水威脅，需進(jìn)一步進(jìn)行探放水。礦井在15105工作面運(yùn)輸順槽布置探放水鉆孔對(duì)上方13101工作面采空區(qū)積水進(jìn)行了釋放，經(jīng)225 h共排水36 300 m3，消除了采空區(qū)積水隱患，保證了15105綜采工作面的安全回采。