李潞潞
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司晉城事業(yè)部金明公司,山西 晉城 048000)
在工作面回采過程中,由于受開采方法及煤層頂?shù)装鍘r性影響,尤其是多煤層開采時,下伏工作面回采時煤層頂板垮落后形成的導(dǎo)水裂縫通道極易與上覆工作面老空積水聯(lián)通,給工作面安全回采造成較大威脅[1-4]。為此,以金明公司大峪煤業(yè)15105采煤工作面為工程背景,采取理論計算分析、摩爾-庫侖本構(gòu)數(shù)值模擬分析,順槽打孔進(jìn)行現(xiàn)場實測驗證,對老空水治理技術(shù)進(jìn)行研究。
大峪煤業(yè)15105 工作面開采15 號煤層,全部垮落法管理頂板,工作面平均埋深251.4 m,工作面走向長度362.71 m,傾斜長100 m,煤層賦存穩(wěn)定,工作面平均煤厚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。在該工作面上方存在13 號煤層13101 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,選擇瞬變電磁法,預(yù)計積水范圍在工作面局部低洼處,空區(qū)積水約36 000 m3。截至目前,15105 綜采工作面已進(jìn)行試生產(chǎn),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,極大降低了工作面頂板強(qiáng)度。15105 工作面頂?shù)装鍘r性見表1。
表1 工作面頂?shù)装鍘r性
根據(jù)《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(biāo)準(zhǔn)》,經(jīng)過理論分析驗算,查明工作面頂板淋水來源,判定是否與四鄰工作面有關(guān),計算公式如式(1):
式中:H1為導(dǎo)水通道開裂高度,m;M為采高,該面取4.5 m。計算得出,H1為52.42 m。
根據(jù)《建筑物、水體、鐵路、主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》查詢得出,13101 工作面隨著回采進(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,計算公式如式(2):
式中:h為巷底圍巖最大破壞垂深,m;H為埋深,該面取185 m;α為地層傾角,取4°;L為工作面傾斜長度,取120 m。
代入上式計算得出h為10.998 m,取11 m。
15105 工作面頂板破壞高度:Hp=H1+h。根據(jù)以上計算結(jié)果,H1為52.42 m,h為11 m。
代入上式分析驗算得出,15105 工作面巷頂破裂垂高為63.42 m,比該面頂板與13101 工作面空區(qū)底板之間距離66.4 m 差值較小,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)前期,需進(jìn)行老空水探查疏放治理。
為準(zhǔn)確觀測工作面開采后上覆巖層頂板穩(wěn)定下圍巖塑性及彈性模量變化情況,采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。根據(jù)煤層頂?shù)装宀煌瑤r性,從上向下逐層分層建立,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)水通道開裂高度。煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表2。
表2 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)
采高為4.5 m 時,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。此時導(dǎo)水通道開裂高度達(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 工作面開采時工作面頂部導(dǎo)水通道開裂高度與分析驗算數(shù)據(jù)相差較小。
圖1 采高4.5 m 條件下頂板塑性區(qū)
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 個平行觀測孔進(jìn)行仰孔注水并測漏,實測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 個平行觀測孔,每個觀測孔間距均為1 5 m,鉆孔編號分別為K01、K02、K03。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,鉆桿直徑為73 mm,開孔直徑94 mm,安裝孔口管直徑113 mm,要求下套管長度10 m,套管直徑108 mm,管壁厚度5 mm,套管使用內(nèi)絲加外絲對接,絲扣長度不少于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,使用鋼絲繩進(jìn)行聯(lián)鎖加固。鉆孔設(shè)計平面圖如圖2,鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖3,15105 工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實測數(shù)據(jù)見表3。
圖2 鉆孔設(shè)計平面圖(m)
圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
表3 15105 工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實測數(shù)據(jù)
由15105 工作面導(dǎo)水裂縫帶現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)推測工作面巷頂極限導(dǎo)水裂縫帶為53.8~55.7 m,與模擬試驗及分析驗算數(shù)據(jù)相差較小。因此,結(jié)合經(jīng)驗公式及模擬結(jié)果,確定15105 工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度55.7 m,可能存在局部工作面回采形成的導(dǎo)水裂縫通道已與工作面上方老空積水聯(lián)通,出現(xiàn)涌水威脅。
為有效排出13101 工作面空區(qū)積水,將一臺履帶式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)計放水鉆孔3 個,鉆孔布置參數(shù)見表4。施工采用ZDY4000LP(S)型坑道鉆機(jī),開孔孔徑113 mm,并采用94 mm 鉆頭進(jìn)行施工至終孔,終孔直徑設(shè)計為94 mm,終孔位置高于上部13101 工作面巷底以上1.5~2 m。施工期間礦地測技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場跟班,確保治理效果。
表4 放水孔布置參數(shù)
大峪煤業(yè)15 采區(qū)下山泵房共安裝了4 臺MD450-60*7 型多級分段式離心水泵,水泵額定流量為500 m3/h,揚(yáng)程為399 m。平時15 采區(qū)下山泵房正常開啟兩臺水泵,額定排水能力能達(dá)到1000 m3/h。在15105 工作面進(jìn)行打鉆孔,充分釋放13101 工作面老空存水。通過礦技術(shù)人員測定,探放水前15 采區(qū)正常涌水量達(dá)到410 m3/h,最大涌水量達(dá)到522.27 m3/h。兩臺MD450-60*7 型多級分段式離心水泵同時運(yùn)行,13101 工作面老空積水在225 h 被排完,共排出積水36 300 m3,15 采區(qū)正常涌水量下降到30 m3/h,最大涌水量下降到80 m3/h。通過該數(shù)據(jù)對比分析,探放水效果明顯,消除空區(qū)積水對下覆15105 工作面回采影響,保證15105 工作面安全順利回采。
通過理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬等手段,同時通過現(xiàn)場打鉆進(jìn)行驗證,各項結(jié)果表明,15105工作面回采后,頂板破斷產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙可能會與上部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采空區(qū)老空積水進(jìn)行釋放,共排水36 300 m3,消除了采空區(qū)積水威脅,保證15105 綜采工作面安全回采。