慈林山礦上覆采空區(qū)積水煤層開采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

張楠

（潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 慈林山煤礦，山西 長(zhǎng)子 046605）

1 概 況

潞安集團(tuán)慈林山煤礦井田范圍內(nèi)主要可采煤層為3 號(hào)、9 號(hào)煤層，3 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2 層夾矸，平均煤厚為5.8 m，煤層結(jié)構(gòu)為1.5（0.3） 1.1（0.3） 1.4（0.7） 0.5；9 號(hào)煤層賦予太原組中下部，上距3 號(hào)煤層73.90～95.15 m，平均88.02 m，煤層在該工作面呈一單斜構(gòu)造，傾向?yàn)闁|西向，走向?yàn)槟媳毕颍簩觾A角之間2°～6°，平均4°，為近水平煤層，煤層厚1.25～4.66 m，平均3.62 m，局部含1 層泥巖夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定的大部可采煤層。

9101 工作面位于首采區(qū)+230 水平，蓋山厚度為783～805 m，主采9 煤，工作面最大傾斜長(zhǎng)度179 m，走向長(zhǎng)910 m。9101 工作面對(duì)應(yīng)地表范圍內(nèi)北部為慈林山礦煤場(chǎng)及保安煤柱，該工作面為9號(hào)煤層首采工作面，工作面北部為西區(qū)暗斜井系統(tǒng)，南部為井田邊界，西部為規(guī)劃的9102 工作面，東部實(shí)體煤，工作面上方對(duì)應(yīng)3103 工作面、3102工作面采空區(qū)。

經(jīng)多年開采，3 號(hào)煤層形成大量的采空區(qū)，部分采空區(qū)存在采空積水，給下伏煤層開采造成潛在危險(xiǎn)。為確定9101 工作面回采是否導(dǎo)通上覆采空區(qū)積水，對(duì)3 號(hào)煤層底板破壞深度和9 號(hào)煤層回采頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行研究。

2 9 號(hào)煤層開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度綜合研究

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)9 號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶高度

由于慈林山礦9 號(hào)煤層現(xiàn)階段未進(jìn)行采煤工作面回采作業(yè)，無法通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到采空區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的實(shí)際情況，因此通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)“三下規(guī)范”和《煤礦防治水細(xì)則釋義》等相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式見表1。

表1 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式Table 1 Empirical formula of water conduction fracture zone development height

慈林山礦9 號(hào)煤層與3 號(hào)煤層之間的巖層主要巖性及其厚度如圖1 所示，主要由泥巖、灰?guī)r、砂巖及少部分煤層組成，屬于典型的堅(jiān)硬巖層，因此確定9 號(hào)煤層回采工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度公式如下：

圖1 層間巖層巖性及厚度示意Fig.1 The lithology and thickness of interlayer rock layer

式中：∑M 為煤層厚度，m；Hli為覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度，m。慈林山礦9 號(hào)煤層平均厚度取3.62 m，通過式（1） 計(jì)算得到其導(dǎo)水裂縫帶高度為48.16～65.96 m，通過式（2） 計(jì)算得到其導(dǎo)水裂縫帶高度67.07 m，由此可初步確定慈林山礦9 號(hào)回采工作面覆巖導(dǎo)水裂縫發(fā)育最大高度為65.96～67.07 m。

2.2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度模擬研究

根據(jù)9101 工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及工程實(shí)際，建立FLAC3D 數(shù)值模型，具體參數(shù)見表2。建立模型的走向長(zhǎng)度為440 m，傾斜長(zhǎng)度360 m，高度148.6 m，其中共有個(gè)756 980 個(gè)網(wǎng)格，648 540 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型實(shí)際情況如圖2 所示。

圖2 三維數(shù)值模型示意Fig.2 Three dimensional numerical model

表2 慈林山礦9101 工作面頂?shù)装逯饕獛r層力學(xué)參數(shù)Table 2 Main rock layer mechanics parameters of roof and floor of No.9101 face in Cilinshan Mine

9101 工作面沿走向方向推進(jìn)，距離模型左邊界90 m 處開切眼，傾向方向開挖180 m，前后留設(shè)90 m，每次開挖20～30 m，計(jì)算2 000 時(shí)步，走向推進(jìn)最大距離為240 m。分別截取模擬過程中開挖180、210、240 m 塑性區(qū)發(fā)育情況，分析隨著工作面向前推進(jìn)覆巖破壞的演化過程，統(tǒng)計(jì)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度隨回采長(zhǎng)度變化規(guī)則，具體情況如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模擬分析結(jié)果Fig.3 Results of numerical simulation analysis

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖塑性區(qū)破壞范圍增大，當(dāng)工作面開挖180 m，頂板塑性破壞去邊緣呈“馬鞍形”，此時(shí)破壞范圍最大值為64.2 m；當(dāng)開挖至210 m 時(shí)，頂板破壞高度增幅很小，最大高度69.6 m；當(dāng)繼續(xù)開挖至240 m，塑性區(qū)破壞范圍不再增加，由此可知，9號(hào)煤層回采期間頂板巖層導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度范圍為69.6 m。

3 3 號(hào)煤層回采引起底板破壞深度實(shí)測(cè)研究

井下俯孔壓水試驗(yàn)法普遍用于采場(chǎng)底板裂隙發(fā)育情況的測(cè)試，通過在鉆孔內(nèi)安放封堵膠囊，達(dá)到在鉆孔特定深度注水的目的，根據(jù)不同鉆孔不同深度注水的流失量，判別此處巖層的裂隙發(fā)育情況，裂隙越發(fā)育漏失量越大。

為確定慈林山礦3 號(hào)煤層回采對(duì)底板巖層的破壞深度，在3103 運(yùn)輸巷布置1 個(gè)鉆孔，對(duì)采場(chǎng)底板破壞深度進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)收集的礦井的生產(chǎn)資料，3103 運(yùn)輸巷與3102 回采工作面的采空區(qū)基本位于同一層面，兩者間有25 m 的保護(hù)煤柱，因?yàn)殂@窩寬2 m，因此鉆孔的開口位置距離采3102 采空區(qū)的水平距離為23 m，鉆孔布置形式如圖4 所示。

圖4 壓水鉆孔布置剖面Fig.4 Profile of water pressure drilling hole layout

測(cè)試孔最初采用φ127 mm 鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔鉆至較完整巖層時(shí)，安放直徑108 mm 的套管，套管與孔壁間用高標(biāo)號(hào)水泥封堵，套管外壁與鉆采用水泥漿液封堵。待套管安裝牢固后，用直徑75 mm的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔施工完成后關(guān)閉套管上的閥門，避免瓦斯、積水持續(xù)流入施工巷道。試驗(yàn)過程中，為保證試驗(yàn)探測(cè)底板破壞深度的準(zhǔn)確性，鉆孔控制注水壓力表數(shù)值（水頭壓力值） 為+0.6 MPa，確保孔內(nèi)的注水壓力為恒定值0.6 MPa。觀測(cè)孔壓水試驗(yàn)施工情況見表3，鉆孔漏失量如圖5 所示。

圖5 鉆孔漏失量曲線Fig.5 Drilling hole leakage curve

表3 俯孔注水實(shí)驗(yàn)記錄Table 3 Record of water injection experiment in downward hole

分析可知，鉆孔深度為0～15 m 時(shí)，距離采空區(qū)底板較遠(yuǎn)，此時(shí)壓水流量較小；鉆孔深度為21 m 時(shí)，垂深為10.5 m，測(cè)試位置在采空區(qū)下方，壓水流量達(dá)到最大為8.48 L/min，較前面2 組數(shù)據(jù)大幅度變大，說明該處底板巖層受到采動(dòng)影響；鉆孔深度為21～27 m 時(shí)，垂深為10.2～13.5 m，壓水流量總體呈上升趨勢(shì)，并在鉆孔深度達(dá)到27 m、垂深為13.5 m 時(shí)達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)的最大值11.74 L/min，說明這段裂隙發(fā)育；鉆孔深度為27～42 m時(shí)，垂深為13.5~21 m，壓水流量呈降低趨勢(shì)，平均壓水流量仍然保持在較高水平，說明這段裂隙較為發(fā)育。鉆孔深度為42～48 m 時(shí)，垂深為21～24 m，壓水流量大幅度衰減，并在鉆孔深度48 m 之后一直保持在較低水平。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷3102 工作面底板破壞帶深度范圍為21 m。

4 結(jié) 語

依據(jù)上文理論分析計(jì)算預(yù)計(jì)9 號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為65.96～67.07 m，數(shù)值模擬研究表明導(dǎo)水裂隙縫帶發(fā)育高度最大值為69.6 m，綜合研究確定9 號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為65.96～69.6 m，3 號(hào)煤層回采底板破壞深度實(shí)測(cè)值為21 m，由此可知9 號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶及3 號(hào)煤層底板破壞深度之和為86.96～90.6 m，3 號(hào)與9 號(hào)煤層間巖層厚度為73.90～95.15 m，說明9 號(hào)煤層回采將導(dǎo)通上方3 號(hào)煤層采空區(qū)，因此3 號(hào)煤層采空區(qū)積水威脅9 號(hào)煤層工作面的回采，9101 工作面開采前需對(duì)上覆3 號(hào)煤層采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。