华阳煤业15101工作面上覆采空区积水防治研究

原晓晖

(山西煤炭运销集团 华阳煤业有限公司， 山西 晋城 048000)

煤矿水害严重威胁着煤矿的安全生产，对采空区积水防治研究具有重要意义，通过国内学者不断探索与实践，煤炭科学研究院刘天泉院士提出了“上三带”理论[1]，提出了顶板防治水主要控制冒落带和裂隙带；中国矿业大学钱鸣高院士创立了关键层理论[2]，认为关键层是承载能力最强的岩层，遭到破坏就会发生突水；西安科技大学侯忠杰教授提出了组合关键层理论[3]，该理论分析了不同覆岩岩层关键层的层位；山东科技大学高延法教授提出了岩移“四带”模型[4]，将岩层划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，进一步拓宽了对顶板突水机理的认识。本文基于关键层理论采用模拟与计算对上覆采空区积水进行研究，主要是为了确定工作面回采对采空区积水带形成的影响程度，从而确定最终导水裂隙带的发育程度，并以此为依据对工作面顶板进行水害防治，从而保障工作面回采安全。

1 工程概况

山西煤炭运销集团华阳煤业有限公司位于晋城市西约35 km处，井田范围由19个拐点连线圈定，面积为8.649 8 km2，开采深度740～600 m，井田呈不规则多边形，北宽南窄，东西最宽约3.1 km，最窄约0.9 km，南北最长约3.9 km. 华阳煤业可采3#、9#、15#煤层，已知3#煤层已采空，有一个积水区；9#煤层共有32个采空区、1个古空区及8个破坏区，其中有17个积水区。现开采15#煤层，位于太原组下部K2灰岩下，上距9#煤层底板31.17 m，下距K1砂岩顶5.00 m，煤层厚度2.41～4.09 m，平均3.06 m，顶板为K2灰岩；底板为泥岩、铝土泥岩，15#煤属结构简单-复杂、稳定可采的中厚煤层。15101工作面为15#煤层的首采面，在回采15101工作面时，15101回风顺槽、15101运输顺槽、15101切眼巷道表现出涌水量异常增大，最大涌水量1 155.38 m3/d，经过地面瞬变电磁探测到上覆9#煤层采空区存在积水，在图1的L34测线视电阻率剖面图中可以看出，9#煤层呈现出低阻异常特征，经检测估算出采空区积水量达140 050 m3，在回采15101工作面时可能会受到9#煤层采空区积水的影响，因此必须做好探放水工作。

2 15101工作面回采数值模拟

2.1 数值模型的建立

在回采15101工作面时，为了确定上覆采空区积水对工作面回采的影响程度，应用UDEC数值模拟软件对工作面的回采进行了模拟分析，数值计算模型见图2. 模型范围为90 m×240 m，煤层厚度3 m，下部底板厚度5 m，煤层上部直接顶厚度6 m. 直接顶以上依次为3 m厚亚关键层、14 m厚基岩、6 m厚主关键层、26 m厚基岩、3 m厚风化带、20 m厚四含承压含水层、10 m厚松散层，模型在左右边界固定x方向位移，底部界面固定y方向位移，松散土层的自重应力作为均布荷载施加于顶部边界。采用摩尔库伦滑移本构模拟节理单元，采用摩尔库伦破坏准则模拟块体单元[5].

图2 数值模型图

2.2 模拟结果分析

模拟计算过程设置为工作面每回采30 m设置模型，左右两侧为保护边界，亚关键层每隔20 m划分一个结构面、主关键层每隔50 m划分一个结构面，结果见图3.

图3 开采模型垮落图

由图3a)可知，开采30 m后，主关键层下部20.0～30.0 m基岩出现切断垮落，悬露部分的主关键层弯曲下沉，引起上部基岩也向下移动，此时离层裂隙在基岩中产生。由图3b)可知，开采60 m后，主关键层内部竖向裂隙开始发育，最大竖向裂隙发育高度达43.0 m，说明主关键层有整体切断垮落的趋势，主关键层在相互连接的界面上因承受剪切作用而发生剪切位移，此时离层裂隙发育最大高度为59.0 m. 由图3c)可知，开采90 m后，煤层上部直接顶全部垮落，竖向裂隙发育最大高度为72 m，主关键层形成悬臂梁结构，主关键层悬臂部分上覆基岩中竖向裂隙发育明显。由图3d)可知，开采120 m后，主关键层发生整体切断，主关键层下部基岩和直接顶也随之整体切断垮落，此时离层裂隙发育最大高度为81 m，竖向裂隙波及承压含水层，工作面发生突水事故。

2.3 回采120 m时导水裂隙带模拟结果

为了更直观地看出工作面回采120 m时导水裂隙带的发育程度，对工作面回采120 m时进行了模拟分析，模拟结果见图4.

图4 回采至120 m时导水裂隙带发育程度图

由图4可知，经过有限元计算分析开采120 m后，主关键层下部基岩和直接顶也随之整体切断垮落，垮落区主应力方向发生偏转，形成拱状。垮落区的竖向位移极大，即已触碰到采空区的底板。主关键层上方的基岩体内离层裂隙发育显著，且竖向裂隙发育至承压含水层底板，导致发生突水事故。

2.4 导水裂隙带计算

井田内各煤层分布大小不一的采空区，矿井未来5年计划开采15#煤层。井田内15#煤层为缓倾角，顶板主要为石灰岩。依据相关公式计算出15#煤层导水裂隙带最大高度：

(1)

(2)

式中：

M—累计采厚，m；

H导—导水裂隙带高度，m；

n—煤分层层数。

15#煤层厚度为2.41～4.09 m，平均3.06 m，经计算后得出15#煤层导水裂隙带高度为58.16～70.67 m，平均62.97 m，而15#煤层距离9#煤层为27.84～46.15 m，开采15#煤层后，冒裂带高度能达到9#煤层。

3 采空区探放水

3.1 方案选择

经过模拟可知，工作面回采会导致上覆采空区导水裂隙带高度不断增大，最终使15#煤层与9#煤层贯通，并形成突水事故。针对采空区积水防治，通常有两种方案，探放水和顶板注浆，前者能够较好地对采空区内积水进行疏排，而后者通常治理效果不如前者。因此，该矿通过对现场地质的勘测以及经验，决定采用探放水手段，对9#煤层采空区积水进行探放，设备选用ZYJ-770/180型架柱式液压回转钻机，额定压力12 MPa，额定转矩770 N·m，额定转速180 r/min，钻杆150根、钻头d65 mm，以终孔位置设计为15101工作面上覆9#煤层最低处为基本原则。

3.2 施工过程

该次施工共设计1组钻场，钻孔个数3个，分别为空1-1钻孔、空1-2钻孔、空1-3钻孔，各个钻孔施工开孔位置选取为15#煤层15101回风顺槽与切眼交叉位置，终孔位置选取为9#煤层以上2 m. 该组钻场分为3个方向，其方向分别为与15101回风顺槽平行，指向停采线方向；与15101回风顺槽夹角为30°，指向工作面内；与15101回风顺槽垂直，指向15101运输顺槽，钻孔平面布置图见图5. 其中，空1-1钻孔，起点标高637.55 m，终孔标高687.76 m，平距38.64 m，方位角S0.9°E，平均倾角52°，深度63.36 m，开孔孔径108 mm，终孔孔径75 mm；空1-2钻孔，起点标高637.55 m，终孔标高687.02 m，平距35.59 m，方位角S30.9°E，平均倾角54°，深度60.76 m，开孔孔径108 mm，终孔孔径75 mm；空1-3钻孔，起点标高637.55 m，终孔标高687.80 m，平距36.05 m，方位角N89.1°E，平均倾角55°，深度62.12 m，开孔孔径108 mm，终孔孔径75 mm.

图5 钻孔平面布置图

3.3 施工效果

3个钻孔均对9#煤层小窑积水进行探放，钻孔达到设计终孔层位后，对钻孔深度进行测量，并根据孔内煤岩性预测钻孔偏斜情况，即将揭露采空区积水之前要在孔口安装防喷反压装置，钻进过程中，一旦发现“见软”、“见空”、“见水”和“变层”，要立即停钻。该矿经过为期120天的探放水，放水量共计83 040 m3，回采过程中巷道涌水量正常，为692.43 m3/d，使工作面得以安全回采。

4 结 论

该矿为了确定工作面回采过程中受到上覆采空区积水的影响程度，采用UDEC数值模拟软件对工作面回采过程进行模拟，得出：

1) 在工作面回采至120 m时，直接顶的垮落即第二次周期来压的显现，造成了15#煤层导水裂隙带的增大，进一步导致竖向裂隙波及承压含水层发生突水事故。

2) 经过计算得出，15#煤层导水裂隙带的高度为58.16～70.67 m，平均62.97 m，开采15#煤层后，冒裂带高度能达到9#煤层，并可能造成工作面突水。

3) 采用探放水技术对上覆采空区进行了探放，探放水总量达83 040 m3，工作面回采过程中涌水量表现正常为692.43 m3/d，为工作面的安全回采提供了保障。