含水層下工作面安全開(kāi)采技術(shù)研究

李吉祥

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042103）

工作面水患是制約礦井安全高效開(kāi)采的重要因素，尤其在采場(chǎng)上方存在含水層的情況下，一旦在開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行回采活動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致上方頂板發(fā)生周期性斷裂，導(dǎo)水裂隙帶從工作面頂板一直延伸到含水層中，造成工作面頂板淋水、采空區(qū)積水等現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低，巷道容易發(fā)生失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)。因此，探究含水層下工作面安全開(kāi)采技術(shù)，已成為當(dāng)前諸多礦井安全高效開(kāi)采的重要課題。本文以臺(tái)頭前灣煤業(yè)2S202工作面為工程背景，采用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)、頂板超前探放水技術(shù)和工作面合理開(kāi)采相結(jié)合的方式進(jìn)行2S202工作面水害綜合治理工作。

1 概 況

臺(tái)頭前灣煤業(yè)2S202綜采工作面位于礦井運(yùn)輸大巷以南，東、西、南向?yàn)楸０裁褐９ぷ髅娴孛鏄?biāo)高+1 329.1—+1 416.4 m，井下標(biāo)高+1 185—+1 210 m，工作面開(kāi)采2號(hào)煤層，平均厚度3.0 m、平均傾角5°，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、賦存狀態(tài)簡(jiǎn)單。2S202工作面直接頂為3.0～5.0 m黑灰色泥巖、粉砂巖及細(xì)粒砂巖，老頂為7.0 m厚的深灰色泥巖、粉砂巖，頂板含0～2層黑灰色泥巖夾矸，底板為2.0 m的泥巖、粉砂巖等，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2S202頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of roof and floor of No.2S202 face

2S202工作面頂板上方存在K8砂巖含水層，距離2號(hào)煤層35.0 m，含水層性質(zhì)為弱富水層。根據(jù)附近礦井開(kāi)采實(shí)際情況，回采后垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶可直接連通含水層，使含水層直接向工作面產(chǎn)生充水，在2S202工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，頂板有淋水現(xiàn)象。因此，針對(duì)該工作面實(shí)際情況，需要著重對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中的防治水措施進(jìn)行探究。

2 2S202工作面含水層下開(kāi)采危險(xiǎn)性分析

2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度

一般來(lái)說(shuō)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上方頂板會(huì)因礦山壓力的作用產(chǎn)生變形移動(dòng)和破壞，根據(jù)不同的破壞狀態(tài)，可以將上覆巖層劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。對(duì)于存在上方含水層的開(kāi)采工作面而言，其垮落帶和裂隙帶對(duì)導(dǎo)水通道起到至關(guān)重要的影響。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》規(guī)定，按照2S202工作面頂?shù)装鍘r性參數(shù)，對(duì)于近水平煤層中的中硬頂版工作面開(kāi)采垮落帶和裂隙帶計(jì)算公式如下：

根據(jù)以上公式，代入開(kāi)采高度M=3.0 m，計(jì)算后可知2S202工作面垮落帶高度為6.56～11.56 m，裂隙帶高度為30.11～41.31 m，即2S202工作面垮落帶高度在9.0 m左右，裂隙帶高度在35.0 m左右，表明K8砂巖含水層對(duì)2S202工作面開(kāi)采存在涌突水危險(xiǎn)。

2.2 礦壓顯現(xiàn)對(duì)工作面影響分析

根據(jù)周邊相鄰工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律推測(cè)，2S202工作面頂板初次來(lái)壓步距為30.0 m、周期來(lái)壓步距為15.0 m。工作面從切眼向前推進(jìn)時(shí)，0.5 m厚的偽頂首先脫落，繼續(xù)向前推進(jìn)3～5 m的直接頂逐漸垮落，直至推進(jìn)至30.0 m時(shí)，7.0 m厚的基本頂出現(xiàn)第一次垮落，此時(shí)上方裂隙發(fā)育仍未貫穿至含水層。繼續(xù)推進(jìn)工作面，裂隙逐漸向含水層位置發(fā)育，出現(xiàn)貫通，此時(shí)貫通導(dǎo)水主要向采空區(qū)流動(dòng)，工作面和巷道受影響較為有限。

隨著2S202工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，基本頂及上方頂板垮落距離逐漸縮短，導(dǎo)水裂隙貫通速度和范圍逐漸增加，裂隙內(nèi)積水逐漸出現(xiàn)。此時(shí)隨著時(shí)間的增加，采空區(qū)和頂板上方積水會(huì)向工作面和巷道涌入，產(chǎn)生突水危險(xiǎn)。

3 2S202工作面防治水實(shí)踐措施

防治水的關(guān)鍵是能夠準(zhǔn)確判定水量大的位置，并采取有效封堵、疏通等措施。根據(jù)當(dāng)前防治水技術(shù)特點(diǎn)并結(jié)合臺(tái)頭前灣煤業(yè)2S202工作面實(shí)際，采用瞬變電磁探測(cè)、超前疏干及合理設(shè)計(jì)開(kāi)采方式等措施進(jìn)行綜合治理。

3.1 瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

瞬變電磁探測(cè)法是確定含水層富水程度和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度的有效方式之一。對(duì)2S202工作面導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行探測(cè)，分別在99、84、69、54、39、24、9號(hào)支架處向頂板進(jìn)行剖面探測(cè)，測(cè)試起始角度為與煤壁法線(xiàn)呈45°，以15°為間隔，按照逆時(shí)針?lè)较蚬灿?jì)測(cè)試7個(gè)角度至135°位置，如圖1所示。

圖1 探放水鉆孔布置剖面圖Fig.1 Layout profile of water exploration and drainage drilling hole

3.2 頂板超前探放水技術(shù)

由于2S202工作面傾角較小，頂板含水層富水性一般，可以采用邊開(kāi)采邊超前疏干的方式進(jìn)行排水，保證工作面正常勻速開(kāi)采并使含水層的水盡量流向采空區(qū)，防止采場(chǎng)上方出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，并結(jié)合工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，確定超前探放水鉆孔垂高為35.0 m，覆蓋含水層；水平寬度取為采寬的1/3，為30.0 m；鉆孔在巷道中的排距以周期來(lái)壓步距為依據(jù)，取15.0 m；鉆孔直徑為50 mm，長(zhǎng)度為46.0 m，傾角為49.4°。鉆孔布置剖面如圖2所示。

圖2 探放水鉆孔布置剖面圖Fig.2 Layout profile of water exploration and drainage drilling hole

3.3 工作面合理開(kāi)采

合理的安全開(kāi)采措施是實(shí)現(xiàn)2S202工作面正常生產(chǎn)的重要手段，在回采中制定的防治水措施，具體如下：①回采時(shí)必須對(duì)回采工作面進(jìn)行交叉探水；②完善工作面的防排水系統(tǒng)，運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道必須各安設(shè)1趟3寸排水管路，配備專(zhuān)用排水泵；③設(shè)專(zhuān)人負(fù)責(zé)檢查、維護(hù)排水設(shè)備及管路，必須保證排水設(shè)備的暢通，保證完好；④對(duì)防治水工作的重點(diǎn)區(qū)域必須制定專(zhuān)項(xiàng)防治水措施，嚴(yán)格貫徹落實(shí)；⑤在工作面回采時(shí)，密切注意各處漏水、涌水變化量，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行充分處理后，方可繼續(xù)正常回采。

4 工作面安全開(kāi)采效果

2S202工作面布置探放水鉆孔60個(gè)，累計(jì)泄水量19 200 m3。通過(guò)探放水的疏干作用，頂板淋水現(xiàn)象明顯減弱，垮落到采空區(qū)的頂板巖石濕潤(rùn)性明顯降低，采空區(qū)積水現(xiàn)象明顯改善。

對(duì)巷道頂板富水區(qū)域進(jìn)行圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖3所示。可以看出，隨著時(shí)間的推移，巷道圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，變形速度逐漸趨于0，說(shuō)明工作面兩巷未受積水影響，確保了巷道可以長(zhǎng)期安全高效開(kāi)采。采用行之有效的探放水措施后，也減少了2S202工作面的配巷工程量和搬家移動(dòng)設(shè)備的次數(shù)，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

圖3 頂板富水巷道圍巖變形分析Fig.3 Deformation analysis of surrounding rock of roof water abundance roadway

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)臺(tái)頭前灣煤業(yè)2S202工作面上覆含水層對(duì)工作面開(kāi)采的危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析，確定采用瞬變電磁探測(cè)、超前疏干排放水和合理開(kāi)采等綜合措施進(jìn)行工作面防治水管理。實(shí)踐表明，采取這些措施后，頂板淋水現(xiàn)象明顯減弱，巷道圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，避免了涌突水事故的發(fā)生，保障了礦井長(zhǎng)期安全高效生產(chǎn)。