水峪煤業(yè)61124工作面上覆老空區(qū)積水治理研究

宋忠慧

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 水峪煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300)

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限公司位于山西省呂梁市，現(xiàn)階段正在進(jìn)行太原組之10+11號(hào)煤層的采掘工作，61124工作面為六采區(qū)新的回采工作面，開采10號(hào)、11號(hào)煤層，上部9號(hào)煤為黑坡溝小煤窯破壞區(qū)，層間距為65～82 m，平均74 m，61124工作面煤層平均厚度6.97 m，直接頂為泥巖，老頂為K2石灰?guī)r，底板為鋁質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角2～5°，平均傾角3°。工作面整體為一軸向北東的向斜構(gòu)造，中部為向斜最低處。目前該工作面已布置完畢，即將投入生產(chǎn)，但工作面上覆采空區(qū)積水威脅著工作面的安全生產(chǎn)，為此對(duì)其進(jìn)行研究。

2 頂板涌水可能性分析

2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度理論計(jì)算

水峪煤業(yè)10號(hào)、11號(hào)煤層頂板多為灰?guī)r、砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為40～80 MPa，屬堅(jiān)硬巖層，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》得到導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式[1-2]：

(1)

10號(hào)、11號(hào)煤層采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，平均采高為7.0 m。計(jì)算可得，工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為60.8～78.6 m，因此可初步確定61124工作面開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大可達(dá)78.6 m，工作面距上部9號(hào)煤層采空區(qū)垂直距離為65～82 m，可初步判斷導(dǎo)水裂隙帶可能導(dǎo)通上覆采空區(qū)積水。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬分析

為掌握61124工作面回采期間頂板破壞特征，通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度來(lái)判斷上覆采空區(qū)積水涌入工作面的可能，采用FLAC3D數(shù)值軟件以61124工作面為原型進(jìn)行模擬研究[3]。工作面長(zhǎng)度300 m，為消除邊界效應(yīng)，兩側(cè)各留250 m煤柱，沿工作面推進(jìn)方向?yàn)楸苊膺吔缧?yīng)，兩端各留200 m煤柱，模型垂直方向按照煤層柱狀圖1∶1建立，最終建立長(zhǎng)、寬、高為800 m×800 m×260 m的三維數(shù)值模型，如圖1(a)所示，模型側(cè)面和底面均采用位移約束，頂部邊界采用自由面，工作面在模型中部開挖，開挖步距為10 m，工作面采高為7.0 m，模擬開挖方案如圖1(b)所示。

圖1 數(shù)值模型及模擬方案示意

模擬61124工作面回采400 m后，沿工作面推進(jìn)方向取垂直剖面，得到圍巖塑性區(qū)分布如圖2所示。由圖2可以看出，工作面推進(jìn)400 m后，頂板巖層出現(xiàn)了大面積的塑性破壞，整體基本呈“M”型分布，在采空區(qū)中部塑性區(qū)發(fā)育高度較小，最大高度為78.5 m，采空區(qū)后方邊界附近(原有切眼處)及前方邊界附近(采煤工作面)發(fā)育高度達(dá)到最大，最大高度為90.5 m，巖層塑性破壞后，將產(chǎn)生大量的裂隙、縫隙，為地下水的滲流提供途徑，因此可認(rèn)為61124工作面回采期間上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為90.5 m。61124工作面距上覆9號(hào)煤層采空區(qū)間距為65～82 m，小于導(dǎo)水裂隙帶高度，故可認(rèn)為工作面開采將導(dǎo)通上覆采空區(qū)積水。

圖2 采空區(qū)圍巖塑性區(qū)分布

3 探放水施工鉆孔設(shè)計(jì)方案

根據(jù)小煤窯調(diào)查資料，工作面上部9號(hào)煤為黑坡溝小煤窯破壞區(qū)，工作面預(yù)計(jì)積水面積約31 890 m2，積水量約19 560 m3，工作面涌水量為20～150 m3/h。根據(jù)可能影響61124工作面安全回采的9號(hào)煤層采空區(qū)，將探放水鉆場(chǎng)布置在六采區(qū)運(yùn)輸大巷端頭附近，鉆場(chǎng)長(zhǎng)、寬、高為4.0 m、4.0 m、3.5 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，所有探放水鉆孔均布置在鉆場(chǎng)內(nèi)，探放水鉆孔布置平面如圖3所示。

圖3 探放水鉆孔布置平面

鉆探開孔時(shí)，先使用鉆頭直徑為108 mm、鉆桿直徑42 mm進(jìn)行開孔，然后使用直徑80 mm、長(zhǎng)度10.2 m的孔口管進(jìn)行封堵，最后用混凝土(厚度14 mm)進(jìn)行加固(混凝土基準(zhǔn)配合比為：水泥∶沙∶水=1∶2.58∶0.7 )，待注入孔內(nèi)的混凝土凝固72 h后，再進(jìn)行耐壓試驗(yàn)(測(cè)試結(jié)果按一般為平均水量的1.5倍測(cè)試。首先用鉆頭直徑為72 mm掃孔至孔底以外0.2 m，然后進(jìn)行清水耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1 MPa，穩(wěn)定30 min，以孔口管周圍不漏水、孔壁不外鼓、孔口管不松動(dòng)為合格，否則必須重新注漿加固，直至耐壓試驗(yàn)合格)，最后使用鉆頭直徑為50 mm，鉆桿直徑為42 mm開始進(jìn)行鉆探。在鉆場(chǎng)內(nèi)共布置6個(gè)探放孔，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 探放水鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

4 探放水效果評(píng)價(jià)

4.1 探放水量評(píng)價(jià)分析

通過(guò)對(duì)61124工作面上覆9號(hào)煤層采空區(qū)積水的疏放，截止6號(hào)探放孔注漿封孔，累計(jì)探放頂板水2.1萬(wàn)m3，統(tǒng)計(jì)總疏放水量隨時(shí)間的變化規(guī)律，整理得到圖4所示結(jié)果，根據(jù)探放水總疏放量的變化趨勢(shì)可以看出，探放水早期由于排水鉆孔少等原因，疏放水總量增長(zhǎng)較緩慢，中期對(duì)各鉆孔透孔、擴(kuò)孔后，疏水總量增長(zhǎng)速率明顯增大，疏放后期，放水總量趨于平緩，一定意義上表明61124工作面上部9號(hào)煤層老空區(qū)積水已基本疏放完成。

圖4 探放水總水量趨勢(shì)

4.2 探放鉆孔水壓效果評(píng)價(jià)

1號(hào)探水鉆孔疏放時(shí)間最長(zhǎng)，因此記錄1號(hào)探放水鉆孔水壓變化[4-6]，整理得到圖5所示結(jié)果，由圖5可以看出，隨著疏放時(shí)間的增加，1號(hào)探水孔水壓逐漸降低，由探放初期的1.12 MPa，逐漸減小0.73 MPa左右，鉆孔水壓顯著降低。61124工作面與上覆采空區(qū)平均層間距為74 m，最終鉆孔水壓穩(wěn)定在0.73 MPa左右，由此可知上覆采空區(qū)內(nèi)積水水位標(biāo)高已顯著下降至采空區(qū)底板，表明本次探放水工程很好地解決了61124工作面上部9號(hào)煤層采空區(qū)積水的威脅。

圖5 探放水鉆孔水壓統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)水峪煤業(yè)61124工作面詳細(xì)的水文地質(zhì)及開采技術(shù)條件，通過(guò)理論計(jì)算得到其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為60.8～78.6 m，采用FLAC3D軟件模擬分析確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為90.5 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大于工作面與上覆9號(hào)煤采空區(qū)的高度，工作面回采期間將導(dǎo)通上覆采空區(qū)積水。在61124工作面回采前施工探放水鉆孔對(duì)上覆采空區(qū)積水進(jìn)行疏放，疏放總量達(dá)到2.1萬(wàn)m3，探放孔水壓由1.12 MPa降低至0.73 MPa，61124工作面上覆9號(hào)煤層采空區(qū)積水得到有效疏放，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了可靠保障。