水峪煤业61124工作面上覆老空区积水治理研究

宋忠慧

(山西焦煤汾西矿业集团 水峪煤业有限公司，山西 孝义 032300)

1 工程概况

汾西矿业集团水峪煤业有限公司位于山西省吕梁市，现阶段正在进行太原组之10+11号煤层的采掘工作，61124工作面为六采区新的回采工作面，开采10号、11号煤层，上部9号煤为黑坡沟小煤窑破坏区，层间距为65～82 m，平均74 m，61124工作面煤层平均厚度6.97 m，直接顶为泥岩，老顶为K2石灰岩，底板为铝质泥岩，煤层结构复杂，煤层倾角2～5°，平均倾角3°。工作面整体为一轴向北东的向斜构造，中部为向斜最低处。目前该工作面已布置完毕，即将投入生产，但工作面上覆采空区积水威胁着工作面的安全生产，为此对其进行研究。

2 顶板涌水可能性分析

2.1 导水裂隙带高度理论计算

水峪煤业10号、11号煤层顶板多为灰岩、砂岩，单轴抗压强度为40～80 MPa，属坚硬岩层，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》得到导水裂隙带计算公式[1-2]：

(1)

10号、11号煤层采用综合机械化放顶煤采煤工艺，平均采高为7.0 m。计算可得，工作面回采后，采空区上覆岩层产生的导水裂缝带最大高度为60.8～78.6 m，因此可初步确定61124工作面开采导水裂隙带发育高度最大可达78.6 m，工作面距上部9号煤层采空区垂直距离为65～82 m，可初步判断导水裂隙带可能导通上覆采空区积水。

2.2 导水裂隙带发育高度模拟分析

为掌握61124工作面回采期间顶板破坏特征，通过导水裂隙带的发育高度来判断上覆采空区积水涌入工作面的可能，采用FLAC3D数值软件以61124工作面为原型进行模拟研究[3]。工作面长度300 m，为消除边界效应，两侧各留250 m煤柱，沿工作面推进方向为避免边界效应，两端各留200 m煤柱，模型垂直方向按照煤层柱状图1∶1建立，最终建立长、宽、高为800 m×800 m×260 m的三维数值模型，如图1(a)所示，模型侧面和底面均采用位移约束，顶部边界采用自由面，工作面在模型中部开挖，开挖步距为10 m，工作面采高为7.0 m，模拟开挖方案如图1(b)所示。

图1 数值模型及模拟方案示意

模拟61124工作面回采400 m后，沿工作面推进方向取垂直剖面，得到围岩塑性区分布如图2所示。由图2可以看出，工作面推进400 m后，顶板岩层出现了大面积的塑性破坏，整体基本呈“M”型分布，在采空区中部塑性区发育高度较小，最大高度为78.5 m，采空区后方边界附近(原有切眼处)及前方边界附近(采煤工作面)发育高度达到最大，最大高度为90.5 m，岩层塑性破坏后，将产生大量的裂隙、缝隙，为地下水的渗流提供途径，因此可认为61124工作面回采期间上覆岩层导水裂隙带发育高度为90.5 m。61124工作面距上覆9号煤层采空区间距为65～82 m，小于导水裂隙带高度，故可认为工作面开采将导通上覆采空区积水。

图2 采空区围岩塑性区分布

3 探放水施工钻孔设计方案

根据小煤窑调查资料，工作面上部9号煤为黑坡沟小煤窑破坏区，工作面预计积水面积约31 890 m2，积水量约19 560 m3，工作面涌水量为20～150 m3/h。根据可能影响61124工作面安全回采的9号煤层采空区，将探放水钻场布置在六采区运输大巷端头附近，钻场长、宽、高为4.0 m、4.0 m、3.5 m，采用锚网索支护，所有探放水钻孔均布置在钻场内，探放水钻孔布置平面如图3所示。

图3 探放水钻孔布置平面

钻探开孔时，先使用钻头直径为108 mm、钻杆直径42 mm进行开孔，然后使用直径80 mm、长度10.2 m的孔口管进行封堵，最后用混凝土(厚度14 mm)进行加固(混凝土基准配合比为：水泥∶沙∶水=1∶2.58∶0.7 )，待注入孔内的混凝土凝固72 h后，再进行耐压试验(测试结果按一般为平均水量的1.5倍测试。首先用钻头直径为72 mm扫孔至孔底以外0.2 m，然后进行清水耐压试验，试验压力为1 MPa，稳定30 min，以孔口管周围不漏水、孔壁不外鼓、孔口管不松动为合格，否则必须重新注浆加固，直至耐压试验合格)，最后使用钻头直径为50 mm，钻杆直径为42 mm开始进行钻探。在钻场内共布置6个探放孔，其详细参数如表1所示。

表1 探放水钻孔设计参数

4 探放水效果评价

4.1 探放水量评价分析

通过对61124工作面上覆9号煤层采空区积水的疏放，截止6号探放孔注浆封孔，累计探放顶板水2.1万m3，统计总疏放水量随时间的变化规律，整理得到图4所示结果，根据探放水总疏放量的变化趋势可以看出，探放水早期由于排水钻孔少等原因，疏放水总量增长较缓慢，中期对各钻孔透孔、扩孔后，疏水总量增长速率明显增大，疏放后期，放水总量趋于平缓，一定意义上表明61124工作面上部9号煤层老空区积水已基本疏放完成。

图4 探放水总水量趋势

4.2 探放钻孔水压效果评价

1号探水钻孔疏放时间最长，因此记录1号探放水钻孔水压变化[4-6]，整理得到图5所示结果，由图5可以看出，随着疏放时间的增加，1号探水孔水压逐渐降低，由探放初期的1.12 MPa，逐渐减小0.73 MPa左右，钻孔水压显著降低。61124工作面与上覆采空区平均层间距为74 m，最终钻孔水压稳定在0.73 MPa左右，由此可知上覆采空区内积水水位标高已显著下降至采空区底板，表明本次探放水工程很好地解决了61124工作面上部9号煤层采空区积水的威胁。

图5 探放水钻孔水压统计

5 结 语

依据水峪煤业61124工作面详细的水文地质及开采技术条件，通过理论计算得到其导水裂隙带发育高度为60.8～78.6 m，采用FLAC3D软件模拟分析确定导水裂隙带发育高度为90.5 m，导水裂隙带发育高度大于工作面与上覆9号煤采空区的高度，工作面回采期间将导通上覆采空区积水。在61124工作面回采前施工探放水钻孔对上覆采空区积水进行疏放，疏放总量达到2.1万m3，探放孔水压由1.12 MPa降低至0.73 MPa，61124工作面上覆9号煤层采空区积水得到有效疏放，为矿井的安全高效生产提供了可靠保障。