原曉暉

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 華陽煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000)

煤礦水害嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，對采空區(qū)積水防治研究具有重要意義，通過國內(nèi)學(xué)者不斷探索與實踐，煤炭科學(xué)研究院劉天泉院士提出了“上三帶”理論[1]，提出了頂板防治水主要控制冒落帶和裂隙帶；中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士創(chuàng)立了關(guān)鍵層理論[2]，認(rèn)為關(guān)鍵層是承載能力最強(qiáng)的巖層，遭到破壞就會發(fā)生突水；西安科技大學(xué)侯忠杰教授提出了組合關(guān)鍵層理論[3]，該理論分析了不同覆巖巖層關(guān)鍵層的層位；山東科技大學(xué)高延法教授提出了巖移“四帶”模型[4]，將巖層劃分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖擊層帶，進(jìn)一步拓寬了對頂板突水機(jī)理的認(rèn)識。本文基于關(guān)鍵層理論采用模擬與計算對上覆采空區(qū)積水進(jìn)行研究，主要是為了確定工作面回采對采空區(qū)積水帶形成的影響程度，從而確定最終導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育程度，并以此為依據(jù)對工作面頂板進(jìn)行水害防治，從而保障工作面回采安全。

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)華陽煤業(yè)有限公司位于晉城市西約35 km處，井田范圍由19個拐點(diǎn)連線圈定，面積為8.649 8 km2，開采深度740～600 m，井田呈不規(guī)則多邊形，北寬南窄，東西最寬約3.1 km，最窄約0.9 km，南北最長約3.9 km. 華陽煤業(yè)可采3#、9#、15#煤層，已知3#煤層已采空，有一個積水區(qū)；9#煤層共有32個采空區(qū)、1個古空區(qū)及8個破壞區(qū)，其中有17個積水區(qū)。現(xiàn)開采15#煤層，位于太原組下部K2灰?guī)r下，上距9#煤層底板31.17 m，下距K1砂巖頂5.00 m，煤層厚度2.41～4.09 m，平均3.06 m，頂板為K2灰?guī)r；底板為泥巖、鋁土泥巖，15#煤屬結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜、穩(wěn)定可采的中厚煤層。15101工作面為15#煤層的首采面，在回采15101工作面時，15101回風(fēng)順槽、15101運(yùn)輸順槽、15101切眼巷道表現(xiàn)出涌水量異常增大，最大涌水量1 155.38 m3/d，經(jīng)過地面瞬變電磁探測到上覆9#煤層采空區(qū)存在積水，在圖1的L34測線視電阻率剖面圖中可以看出，9#煤層呈現(xiàn)出低阻異常特征，經(jīng)檢測估算出采空區(qū)積水量達(dá)140 050 m3，在回采15101工作面時可能會受到9#煤層采空區(qū)積水的影響，因此必須做好探放水工作。

2 15101工作面回采數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

在回采15101工作面時，為了確定上覆采空區(qū)積水對工作面回采的影響程度，應(yīng)用UDEC數(shù)值模擬軟件對工作面的回采進(jìn)行了模擬分析，數(shù)值計算模型見圖2. 模型范圍為90 m×240 m，煤層厚度3 m，下部底板厚度5 m，煤層上部直接頂厚度6 m. 直接頂以上依次為3 m厚亞關(guān)鍵層、14 m厚基巖、6 m厚主關(guān)鍵層、26 m厚基巖、3 m厚風(fēng)化帶、20 m厚四含承壓含水層、10 m厚松散層，模型在左右邊界固定x方向位移，底部界面固定y方向位移，松散土層的自重應(yīng)力作為均布荷載施加于頂部邊界。采用摩爾庫倫滑移本構(gòu)模擬節(jié)理單元，采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則模擬塊體單元[5].

圖2 數(shù)值模型圖

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬計算過程設(shè)置為工作面每回采30 m設(shè)置模型，左右兩側(cè)為保護(hù)邊界，亞關(guān)鍵層每隔20 m劃分一個結(jié)構(gòu)面、主關(guān)鍵層每隔50 m劃分一個結(jié)構(gòu)面，結(jié)果見圖3.

圖3 開采模型垮落圖

由圖3a)可知，開采30 m后，主關(guān)鍵層下部20.0～30.0 m基巖出現(xiàn)切斷垮落，懸露部分的主關(guān)鍵層彎曲下沉，引起上部基巖也向下移動，此時離層裂隙在基巖中產(chǎn)生。由圖3b)可知，開采60 m后，主關(guān)鍵層內(nèi)部豎向裂隙開始發(fā)育，最大豎向裂隙發(fā)育高度達(dá)43.0 m，說明主關(guān)鍵層有整體切斷垮落的趨勢，主關(guān)鍵層在相互連接的界面上因承受剪切作用而發(fā)生剪切位移，此時離層裂隙發(fā)育最大高度為59.0 m. 由圖3c)可知，開采90 m后，煤層上部直接頂全部垮落，豎向裂隙發(fā)育最大高度為72 m，主關(guān)鍵層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，主關(guān)鍵層懸臂部分上覆基巖中豎向裂隙發(fā)育明顯。由圖3d)可知，開采120 m后，主關(guān)鍵層發(fā)生整體切斷，主關(guān)鍵層下部基巖和直接頂也隨之整體切斷垮落，此時離層裂隙發(fā)育最大高度為81 m，豎向裂隙波及承壓含水層，工作面發(fā)生突水事故。

2.3 回采120 m時導(dǎo)水裂隙帶模擬結(jié)果

為了更直觀地看出工作面回采120 m時導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育程度，對工作面回采120 m時進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果見圖4.

圖4 回采至120 m時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度圖

由圖4可知，經(jīng)過有限元計算分析開采120 m后，主關(guān)鍵層下部基巖和直接頂也隨之整體切斷垮落，垮落區(qū)主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成拱狀?？迓鋮^(qū)的豎向位移極大，即已觸碰到采空區(qū)的底板。主關(guān)鍵層上方的基巖體內(nèi)離層裂隙發(fā)育顯著，且豎向裂隙發(fā)育至承壓含水層底板，導(dǎo)致發(fā)生突水事故。

2.4 導(dǎo)水裂隙帶計算

井田內(nèi)各煤層分布大小不一的采空區(qū)，礦井未來5年計劃開采15#煤層。井田內(nèi)15#煤層為緩傾角，頂板主要為石灰?guī)r。依據(jù)相關(guān)公式計算出15#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度：

(1)

(2)

式中：

M—累計采厚，m；

H導(dǎo)—導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

n—煤分層層數(shù)。

15#煤層厚度為2.41～4.09 m，平均3.06 m，經(jīng)計算后得出15#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為58.16～70.67 m，平均62.97 m，而15#煤層距離9#煤層為27.84～46.15 m，開采15#煤層后，冒裂帶高度能達(dá)到9#煤層。

3 采空區(qū)探放水

3.1 方案選擇

經(jīng)過模擬可知，工作面回采會導(dǎo)致上覆采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度不斷增大，最終使15#煤層與9#煤層貫通，并形成突水事故。針對采空區(qū)積水防治，通常有兩種方案，探放水和頂板注漿，前者能夠較好地對采空區(qū)內(nèi)積水進(jìn)行疏排，而后者通常治理效果不如前者。因此，該礦通過對現(xiàn)場地質(zhì)的勘測以及經(jīng)驗，決定采用探放水手段，對9#煤層采空區(qū)積水進(jìn)行探放，設(shè)備選用ZYJ-770/180型架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，額定壓力12 MPa，額定轉(zhuǎn)矩770 N·m，額定轉(zhuǎn)速180 r/min，鉆桿150根、鉆頭d65 mm，以終孔位置設(shè)計為15101工作面上覆9#煤層最低處為基本原則。

3.2 施工過程

該次施工共設(shè)計1組鉆場，鉆孔個數(shù)3個，分別為空1-1鉆孔、空1-2鉆孔、空1-3鉆孔，各個鉆孔施工開孔位置選取為15#煤層15101回風(fēng)順槽與切眼交叉位置，終孔位置選取為9#煤層以上2 m. 該組鉆場分為3個方向，其方向分別為與15101回風(fēng)順槽平行，指向停采線方向；與15101回風(fēng)順槽夾角為30°，指向工作面內(nèi)；與15101回風(fēng)順槽垂直，指向15101運(yùn)輸順槽，鉆孔平面布置圖見圖5. 其中，空1-1鉆孔，起點(diǎn)標(biāo)高637.55 m，終孔標(biāo)高687.76 m，平距38.64 m，方位角S0.9°E，平均傾角52°，深度63.36 m，開孔孔徑108 mm，終孔孔徑75 mm；空1-2鉆孔，起點(diǎn)標(biāo)高637.55 m，終孔標(biāo)高687.02 m，平距35.59 m，方位角S30.9°E，平均傾角54°，深度60.76 m，開孔孔徑108 mm，終孔孔徑75 mm；空1-3鉆孔，起點(diǎn)標(biāo)高637.55 m，終孔標(biāo)高687.80 m，平距36.05 m，方位角N89.1°E，平均傾角55°，深度62.12 m，開孔孔徑108 mm，終孔孔徑75 mm.

圖5 鉆孔平面布置圖

3.3 施工效果

3個鉆孔均對9#煤層小窯積水進(jìn)行探放，鉆孔達(dá)到設(shè)計終孔層位后，對鉆孔深度進(jìn)行測量，并根據(jù)孔內(nèi)煤巖性預(yù)測鉆孔偏斜情況，即將揭露采空區(qū)積水之前要在孔口安裝防噴反壓裝置，鉆進(jìn)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)“見軟”、“見空”、“見水”和“變層”，要立即停鉆。該礦經(jīng)過為期120天的探放水，放水量共計83 040 m3，回采過程中巷道涌水量正常，為692.43 m3/d，使工作面得以安全回采。

4 結(jié) 論

該礦為了確定工作面回采過程中受到上覆采空區(qū)積水的影響程度，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對工作面回采過程進(jìn)行模擬，得出：

1) 在工作面回采至120 m時，直接頂?shù)目迓浼吹诙沃芷趤韷旱娘@現(xiàn)，造成了15#煤層導(dǎo)水裂隙帶的增大，進(jìn)一步導(dǎo)致豎向裂隙波及承壓含水層發(fā)生突水事故。

2) 經(jīng)過計算得出，15#煤層導(dǎo)水裂隙帶的高度為58.16～70.67 m，平均62.97 m，開采15#煤層后，冒裂帶高度能達(dá)到9#煤層，并可能造成工作面突水。

3) 采用探放水技術(shù)對上覆采空區(qū)進(jìn)行了探放，探放水總量達(dá)83 040 m3，工作面回采過程中涌水量表現(xiàn)正常為692.43 m3/d，為工作面的安全回采提供了保障。