西曲礦14308工作面采空區涌水綜合治理技術

閆志強

（西山煤電集團西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

礦井水害一直嚴重影響礦井安全生產。礦井工作面回采、掘進過程中，礦井水害時有發生。本礦水源主要來自于鄰近含水層或臨近的老空區，周邊區域的水源補給直接影響涌水量大小。目前礦井水害防治措施堅持“預防為主、防治結合、綜合治理”的指導方針。關于礦井水害防治問題，我國專家學者做過大量研究工作。王勝進行了大水礦井綜放工作面波浪式開采及綜合防治水技術研究，針對波浪式開采過程中水害問題進行闡述，制定了專項防治水措施。高運增等人進行了傾斜長壁綜采工作面采空區涌水治理系統研究，并進行了現場應用，效果明顯。馬艷等人進行了綜采面過富水區開采全周期水資源利用技術研究，對開采周期內富水區水運移規律進行了研究，為水害防治奠定了理論基礎。龍天文進行了彬長礦區東北部礦井導水裂隙帶發育高度及涌水量預測研究，關于彬長礦區裂隙水運移規律進行了研究。張博龍進行了杭來灣煤礦301盤區礦井涌水量變化特征及來源分析研究，對杭來灣煤礦的涌水量情況進行了分析，為后期水害防治措施的制定奠定了基礎。之前的研究主要針對于機理研究或工程研究，對于水害問題的微觀研究、綜合探測、工程應用綜合研究較少【1-13】。

山西西山煤電股份有限公司西曲礦14308工作面回采過程中，工作面異常涌水，水量逐漸增大，到一定時間淹沒運輸巷部分區域，為預防和控制該工作面產生水害，通過對現場水害情況進行綜合分析，采用物探、鉆探等技術進行探測和治理，并進行效果考察。

1 礦井及工作面概況

西曲礦設計生產能力300萬t/a，主采煤層有2、3、4、8號煤層。目前在采工作面為14308工作面，工作面長度1 280 m，面寬190 m，開采4號煤層，煤層傾角10°工作面采用綜合機械化采煤法。為低瓦斯礦井；礦井水文地質情況復雜，工作面地質情況比較復雜，存在斷層構造等9個；工作面上方存在已采完的采空區。工作面回采至269 m區域時出現涌水，運輸巷積水量增加。通過隨后14 d對工作面涌水量進行統計（如圖1所示），涌水量從251 m3/h增加到360 m3/h，且整體仍呈現增漲趨勢，漲幅也在增大。該區域水害治理迫在眉睫。

圖1 14308工作面涌水量統計圖

2 水害情況綜合分析

14308工作面主采煤層4號煤層，頂板為粉砂巖，底板為泥質砂巖。上方為13308工作面，工作面已經采完，采空區內存在積水。14308工作面出水位置點為距離運輸巷20 m距離點，該點標高+998 m，運輸順槽標高+996 m，回風巷標高+1 028 m。14308工作面距離上部13308工作面垂高為56 m，當13308工作面回采后，工作面整體下沉。根據《礦井水文地質規程》（試行），開采冒落帶和導水裂縫帶高度計算一般經驗公式如式（1）、式（2）：

式中：m為礦層開采厚度，m；K為巖石松散系數；a為礦層傾角，°；h1為導水裂縫帶高度，m；h2為導水裂縫帶高度，m。

據上經驗公式得出14308工作面冒落帶高度約為7 m，導水裂縫帶高度為63 m。導水裂縫帶高度及上方的13308工作面積水采空區。主要出水點距離14308運輸巷20 m處，現場觀測水量為368 m3/h。

通過對工作面水害情況的綜合分析，急需進行水害控制治理。采用FLAC、FLUENT數值運算、綜合物探和鉆探的方法對水害情況進行探測和治理。

2.1 14308工作面裂隙水運移規律模擬研究

通過綜合分析14308工作面涌水量情況，工作面上方導水裂縫帶高度為63 m，為研究該區域內裂隙水運移規律，為進一步地球物理勘探、防治水措施的制定提供更加可靠理論基礎，現對14308工作面區域水害情況進行數值模擬研究。對工作面裂隙水運移規律影響比較大的是應力場和滲流場，現采用軟件FLAC進行應力場研究，采用FLUENT進行滲流場模擬研究。

現場采樣，帶頂、底板巖層樣本及4號煤層樣本到實驗室，現場取樣樣本如圖2所示，

圖2 煤巖樣本及應力參數測試圖

表1 模擬參數表

采用FLAC進行14308工作面圍巖應力分布數值模擬，基本假設：①模型底部和左、右兩邊均為固定約束；②模型頂部邊界載荷為13 MPa；③圍巖為均勻介質；④模擬過程中不考慮構造影響。

模擬模型在頂部邊界載荷的作用下工作面圍巖豎向應力分布和水平應力分布情況，模型2個方向應力分布情況如圖3所示。

圖3 14308工作面圍巖應力分部云圖

根據14308工作面圍巖應力分布情況分析，14308工作面豎向應力集中區域主要分布在工作面頂板和底板，整個工作面圍巖豎向應力分布集中區域呈現“馬蹄”形，豎向應力達到煤巖介質極限應力便會出現集中區域豎向垮落現象，最終垮落形狀和豎向應力集中分布情況基本一致。根據圖3（a）中底板應力分布情況分析，回采后工作面底板會出現大面積底鼓現象。應力出現反向應力，最大應力為13 MPa，最小應力為6 MPa。根據現場觀測，應力為13 MPa位置區域內為垮落區域，應力為6 MPa區域僅僅出現裂隙，該裂隙將含水層和工作面、掘進巷道導通，形成導水通道。根據圖3（b）可知，在頂板應力作用下，14308工作面水平位移主要為采面上部區域以及底板位置區域，正上方一段區域出現應力集中區域后水平應力集中面積變小，隨后又出現大面積水平應力集中區域，整體呈工字形，出現以上情況主要原因為上覆巖層巖性不同，直接頂在回采完畢后必然出現大面積沉陷，產生倒U型垮落區域，垮落區域上覆堅硬巖層會在破碎圍巖的支撐下產生一定的平衡力來抵御水平位移，含水層區域圍巖在下覆巖層的應力變化及自身含水層的水平影響下最終產生平向大面積位移情況。

通過綜合應力分析可知，14308工作面上覆巖層在回采后會出現整體下沉垮落的現象。在不考慮構造影響的情況下，回采后工作面上覆巖層會出現整體沉降，產生的應力失衡形成裂隙帶將含水層和工作面導通。

為進一步研究構造情況下裂隙水分布情況，現采用軟件FLUENT進行工作面斷層構造情況下裂隙水運移規律，數值模擬指標參數為滲透率。假設工作面通過F3斷層，根據礦區地質勘察報告可知，F3斷層為正斷層，斷距3.2 m，傾角46°。根據以上情況進行數值模擬得到回采后工作面區域滲透率分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，14308工作面上部含水層產生的采空區在水壓作用下沿著斷層裂隙開始滲透，假設斷層周圍巖體為裂隙巖體，通過現場采樣進行實驗室測試，裂隙帶平均孔隙率為0.65，邊界壓力水頭為6 kPa，在水壓作用下，老空區的水進行滲透，由于斷層斷面周邊圍巖在斷層自由面一側空隙較大，隨著距離自由面不斷增大，裂隙逐漸閉合，因此出現圖4中滲透率逐漸遞減的滲透率演化分布云圖。圖4中，斷層區域最大滲透率為1.6×10-8，斷層產生的有效影響范圍和應力分布有關，斷層上盤有效影響范圍為8 m，斷層下盤有效影響范圍為4 m，在地應力作用下，斷層上盤破碎區域比較大，破碎范圍比較大，因此滲透率有效影響范圍比較大。由于上部老空區水壓比較大，水量逐漸向下滲流，但上部圍巖整體完整性較好，靠近采空區位置圍巖破碎范圍比較大，因此水平方向下部滲透率突出區域面積比較大，上部靠近采空區位置滲透率突出區域面積較小。

圖4 14308工作面滲透率云圖

通過數值模擬研究結果可知，靠近工作面頂板斷層區域為滲透率最大區域，該區域會出現大量積水，老空區內水流通過斷層、工作面上部巖層斷層裂隙最終導入工作面，工作面位置會出現滲水現象，從而形成14308工作面采空區積水，最終形成工作面水害隱患，重點區域為斷層和工作面交界區域。

2.2 物探

探測采用瞬變電磁法，設備為瞬變電磁儀TEMHZ75。物探點布置見圖5。主要探測工作面前方水平距離400 m，垂直高度10 m范圍內的水害情況。通過對工作面前方數據進行采集、數學反演計算，得到此范圍內電阻率反演云圖，見圖6。

圖5 物探測點布置圖

圖6 物探反演數據圖

由圖3可知，運輸巷一側距離14308切眼位置前方100 m采空區域大面積積水，采空區其他積水點為小積水點。

2.3 鉆探

為確定物探成果，同時對采空區內水害大小定量探測，采用鉆探技術進行探測，鉆孔設計圖如圖7所示。鉆探鉆孔設計依據物探、現場涌水量觀測，以及工作面開采區域地質情況確定，鉆孔共計6個。

圖7 鉆孔設計圖

鉆孔過程中，出水量比較多的為4、5、6號鉆孔，其區域與物探結果一致；1、2、3號鉆孔出水量較小，因此在靠近回風巷區域也存在積水點（見表2）。

表2 鉆孔出水情況表

3 水害治理措施及效果考察

根據分析，目前礦井開采區域水源主要為工作面上方采空區積水，主要積水區域在運輸順槽一側。為解決該區域水害問題，采用注漿的方法進行封堵。注漿材料為硅酸鹽水泥漿，添加速凝劑，水灰比為1∶1.6。注漿點如圖8所示。

圖8 工作面注漿施工圖

為有效控制整個工作面后期出現的水害，對整個工作面前方進行注漿封堵，分別在距離運輸巷20、70、120、170 m位置點打孔注漿，注漿管伸入13308采空區內4m。根據采空區內孔隙率約30 %計算，注漿完成后可形成80 m的注漿墻，根據經驗，有效堵水墻厚度可達到30 m。根據探放水規定，超前20 m即安全距離，因此該注漿措施可以滿足阻隔13308工作面積水繼續向下透入14308工作面。

現場注漿量10 000 m3。據資料統計分析，采空區孔隙率約為30 %，則注漿量延伸至工作面前方88 m區域，形成水泥漿阻隔帶，基本可以對水害進行控制。注漿作業完成后，對現場積水進行排水，封堵注漿管。對前方涌水量進行觀測，觀測周期為一周，觀測結果如圖9所示。

圖9 注漿后14308工作面涌水量圖

由圖6可知，注漿完成后，14308工作面初始涌水量為12 m3/h，隨后涌水量不斷增加到33 m3/h，最終穩定在33 m3/h。綜合分析，注漿完成后，仍有一些積水從裂隙中流出。隨著時間的推移，出水量開始有所增加，當到達一個穩定值后，不再增加。穩定數值33 m3/h遠遠小于探測區域的涌水量251～360 m3/h值，說明漿液已經有效阻斷了工作面上方采空區積水區域的裂縫通道，有效控制了水害發生。

4 總結

本文通過物探、鉆探技術探測出14308工作面積水區域，使用注漿技術對涌水進行治理，結論如下。

1）14308工作面回采至269 m時，運輸巷出現積水14 d，水量由251 m3/h增至360 m3/h。

2）數值模擬結果顯示，14308工作面主要積水區域為工作面采空區和斷層交界位置。

3）物探結果顯示，工作面主要技術區域位置14308運輸順槽前方月100 m位置點；鉆探結果和物探結果基本一致。

4）注漿范圍為工作面前方采空區88 m范圍，注漿完成后對工作面涌水量進行觀測，觀測穩定值為33 m3/h，說明注漿效果較好。

5）通過整體分析，采用物探鉆探技術探測出水害區域；采用注漿技術有效隔阻前方采空區積水，效果較好。