劉志強(qiáng)

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 洪洞陸成煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 031600）

1 概 況

陸成煤業(yè)井田面積12 km2，生產(chǎn)能力56 萬(wàn)t/a，井田內(nèi)主采3 號(hào)、5 號(hào)煤層。3 號(hào)、5 號(hào)煤均屬優(yōu)質(zhì)煤，3 號(hào)煤層平均厚度0.82 m，5 號(hào)煤層平均厚度2.1 m，3 號(hào)煤層和5 號(hào)煤層層間距35.5～46.2 m。煤礦前期開采5 號(hào)煤層形成較大范圍的老采空區(qū)，且老采空區(qū)有積水。后開采3 號(hào)煤層時(shí)，由于兩煤層間距不遠(yuǎn)，采空區(qū)垮落形成的導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)致采空區(qū)積水流入3 號(hào)煤層開采區(qū)，形成水害危險(xiǎn)，極有可能引發(fā)煤礦突水災(zāi)害。因此，對(duì)該礦井3 號(hào)煤層開采中水害防治的設(shè)計(jì)研究非常重要。通過模擬研究3 號(hào)煤層開采過程中導(dǎo)水帶裂隙發(fā)育情況以及圍巖變形變規(guī)律，分析采空區(qū)積水的危險(xiǎn)性，進(jìn)而展開水害防治技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2 覆巖活動(dòng)規(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶高度研究

2.1 水文地質(zhì)情況

陸成煤業(yè)3 號(hào)煤層因受地質(zhì)環(huán)境影響，只有部分區(qū)域可開采，5 號(hào)煤層全區(qū)可開采，由于前期開采，5 號(hào)煤層存在大范圍的老采空區(qū)。3 號(hào)煤層與5 號(hào)煤層平均間距41 m，煤層埋深280～380 m，底板標(biāo)高980—1 050 m，煤層賦存單一，無(wú)斷層及巖漿活動(dòng)。

礦井水源來(lái)源有4 個(gè)方面，即地下水、地表水、老窯水以及大氣降水，礦井供排水系統(tǒng)設(shè)置較為完善。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可知導(dǎo)水裂隙帶高度為22 m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合相似模擬實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 模型設(shè)計(jì)

模擬實(shí)驗(yàn)利用已有的1∶1 000 的平面應(yīng)力架模型，長(zhǎng)×寬×高為3 m×20 m×2 m。1220 工作面模擬開采走向剖面圖如圖1 所示。

圖1 工作面模擬開采走向剖面圖Fig.1 The simulation mining strike profile of working face

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為了研究頂板巖層的位置變動(dòng)，在3 號(hào)煤層1220 工作面頂板6 m、26 m 巖層處放置2 條檢測(cè)線，編號(hào)a、b；5 號(hào)煤層放置3 條檢測(cè)線，分別位于5 號(hào)煤層頂板4、24、44 m，檢測(cè)線上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每條線設(shè)計(jì)14 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并編號(hào)c～e，如圖2 所示。采用全站儀對(duì)設(shè)置的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行豎向移動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)Fig.2 The monitoring design of simulation experiment

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為模擬實(shí)際開采過程，5 號(hào)煤層開采前128 m采用留隔水煤柱開采模式，采8 留7，以模擬小煤窯開采現(xiàn)象，保留20 m 隔水柱后進(jìn)行長(zhǎng)壁后退式開采。開采過程中，煤柱及圍巖保持穩(wěn)定，形成大量采空區(qū)，頂板淋水情況下，會(huì)形成積水采空區(qū)。5 號(hào)煤層工作面推進(jìn)40 m 處，發(fā)生頂板第一次垮落，高度大于50 cm，之后逐漸增加，推進(jìn)60 m處，距離頂板5 m、6 m 處出現(xiàn)層理一致的水平裂紋，之后逐漸發(fā)展，直至92 m 處，頂板巖層裂縫發(fā)展至距離頂板22 m 處，距離頂板22 m 處層間豎向間隙達(dá)到最大，為0.3 m。

3 號(hào)煤層模擬開采試驗(yàn)采用長(zhǎng)壁開采的形式，使用滾筒類機(jī)械開采，采高1.2 m。在1220 工作面開采推進(jìn)32 m 時(shí)，距離煤層頂板1 m、3 m 處開始出現(xiàn)巖層層理微裂紋，隨后逐漸擴(kuò)展，推進(jìn)44 m時(shí)，直接頂垮落，垮落高度距頂板3 m，之后逐漸增加，模擬開采中經(jīng)歷1 個(gè)初壓和6 個(gè)周期性來(lái)壓，平均來(lái)壓步距19 m。工作面推進(jìn)164 m 時(shí)形成3 號(hào)和5 號(hào)煤層貫通的垂向裂隙，之后垂向裂隙整體閉合效果不佳，因此3 號(hào)煤層開采過程中，工作面推進(jìn)164 m 處時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)防水設(shè)計(jì)。

對(duì)5 號(hào)、3 號(hào)煤層開采過程地表豎向位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兩煤層模擬開采完畢后，得到如圖3 所示的豎向位移變化曲線圖。由圖3 可知，3 號(hào)煤層開采完成后，地表最大下沉748 mm，發(fā)生在距離開切眼170 m 處。

圖3 模擬開采完畢后地表測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線Fig.3 The vertical displacement curve of surface measuring point after simulating mining

3 防水方案設(shè)計(jì)

防水設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面展開，老采空區(qū)積水探放和相鄰采空區(qū)防水墻設(shè)計(jì)。

3.1 老采空區(qū)積水探放

探放老采空區(qū)積水，首先應(yīng)確保排水系統(tǒng)完善，準(zhǔn)備好堵水物資，此外，還需監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?，做相?yīng)通風(fēng)工作，過程中還要確保煤壁安全可靠，安全通道暢通無(wú)阻。老采空區(qū)積水探測(cè)往往不是一次性確定的，一般均要經(jīng)過探水—掘進(jìn)——探水不斷循環(huán)的過程，需確定超前距、超前檢測(cè)孔洞，從而開始探放，根據(jù)礦井實(shí)際特點(diǎn)，控制超前距在20 m，探放水鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 探放水鉆孔布置Fig.4 The layout of water exploration and drainage drilling holes

3.2 防水墻設(shè)計(jì)

對(duì)老采空區(qū)積水采用探放方式防治，然后進(jìn)行回采，回采完成后，相鄰采空區(qū)仍然需要做防水設(shè)計(jì)。經(jīng)過分析研究，決定采用永久性防水墻進(jìn)行防治水設(shè)計(jì)，預(yù)防采空區(qū)積水流入下面的采面，干擾之后的開采作業(yè)。

防水墻的設(shè)計(jì)首先要考慮其承受水壓的情況，根據(jù)已有資料，設(shè)計(jì)承受壓力為1.0 MPa；其次是斷面尺寸，已知巷道高3 m，寬5 m，設(shè)計(jì)防水墻斷面尺寸可適當(dāng)加大，設(shè)計(jì)為高4 m，寬6 m，尺寸隨實(shí)際施工過程做調(diào)整；墻體材料強(qiáng)度也有一定的要求，應(yīng)具有56 kg 的抗壓能力，以及16 kg 的抗剪能力，因此采用C25 的混凝土設(shè)計(jì)制作防水墻；此外，防水墻的穩(wěn)定性與巷道圍巖強(qiáng)度有很大關(guān)系，墻與圍巖要粘結(jié)牢靠，設(shè)計(jì)粘結(jié)力0.22 MPa，實(shí)際施工過程中可適當(dāng)調(diào)整。

3.2.1 防水墻厚度設(shè)計(jì)

防水墻厚度設(shè)計(jì)可根據(jù)混凝土強(qiáng)度計(jì)算：

式中：L為防水墻設(shè)計(jì)厚度，m；K為安全系數(shù)，取2.5；P為抗水壓力，為1.0 MPa；τ 為混凝土允許抗剪強(qiáng)度，為1.6 MPa；n為巷道斷面系數(shù)，取1；a=0.7，m=0.35 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；L0為應(yīng)力回升段長(zhǎng)度，為2 m。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得，防水墻設(shè)計(jì)為高4 m，寬6 m，厚2.3 m。

3.2.2 錨桿設(shè)計(jì)

選擇φ18 mm 的鋼筋做灌漿錨桿，孔徑設(shè)計(jì)為60 mm，間距1.5 m，分別設(shè)計(jì)頂部、底部錨桿為1.8 m、4.3 m，雙側(cè)錨桿設(shè)計(jì)為3.3 m。在實(shí)際施工之前，要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)的錨桿進(jìn)行試驗(yàn)，錨桿、壓漿管、導(dǎo)向支架施工示意圖如圖5 所示。

圖5 錨桿、壓漿管、導(dǎo)向支架施工示意Fig.5 The construction diagram of bolt grouting pipe and guide support

施工中做錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)時(shí)，先求解D1、D2、D3 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，然后對(duì)其進(jìn)行組裝，先與φ18 mm 的鋼筋應(yīng)連接成一個(gè)直線，在進(jìn)行鋼筋組裝，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，孔內(nèi)要求注1∶1.2的水漿泥液。

3.2.3 后壓漿設(shè)計(jì)

在巷道周邊巖壁上穩(wěn)定配置壓漿管，封存孔洞后進(jìn)行混凝土澆灌工作，混凝土澆灌完成，等待強(qiáng)度達(dá)到要求后，開始在防水墻壁上注漿，配比1∶1，分段施工，整個(gè)注漿作業(yè)分3 次施工，保證壓力逐漸提升。

3.2.4 蓖子門設(shè)計(jì)

防水墻上需配置泄水孔和泄水閘閥，為預(yù)防堵塞進(jìn)水口，在墻上15 m 處設(shè)計(jì)蓖子門。

4 應(yīng)用情況

在3 號(hào)煤層1220 工作面開采過程中實(shí)際應(yīng)用所設(shè)計(jì)水害防治措施，回采前先對(duì)5 號(hào)煤層老采空區(qū)進(jìn)行探放水，然后對(duì)3 號(hào)煤層進(jìn)行開采，開采完成后相鄰采空區(qū)設(shè)計(jì)施工永久性防水墻，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及施工要求進(jìn)行施工。工程應(yīng)用中，工作面開采作業(yè)穩(wěn)定持續(xù)120 d，工作面順利開采430 m，采煤量達(dá)5.23 萬(wàn)t，整個(gè)開采過程中并未發(fā)生涌水，采空區(qū)積水得到了有效的控制。

5 結(jié) 論

陸成煤業(yè)主采3 號(hào)、5 號(hào)煤層，前期主采5 號(hào)煤層，在3 號(hào)煤層開采時(shí)，采空區(qū)積水可能由導(dǎo)水裂隙帶流入開采工作面，發(fā)生水害危險(xiǎn)，為進(jìn)行安全可靠的開采，需對(duì)3 號(hào)煤層開采進(jìn)行防水設(shè)計(jì)。

（1） 利用模擬試驗(yàn)開采分析3 號(hào)、5 號(hào)煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，可知3 號(hào)煤層開采過程中有周期性來(lái)壓，平均來(lái)壓步距為19 m。模擬推進(jìn)完成后，距開切眼170 m 處頂板達(dá)最大下沉748 m。3 號(hào)煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度為15.5 m，采空區(qū)積水可能向下?lián)舸? 號(hào)和3 號(hào)煤層部分閉合垂向裂隙帶，導(dǎo)致水害發(fā)生。

（2） 根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，需對(duì)3 號(hào)煤層開采進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，分兩步完成，首先是老采空區(qū)積水的探放，其次是相鄰采空區(qū)防水墻的設(shè)計(jì)。

（3） 嚴(yán)格按防水設(shè)計(jì)進(jìn)行防水施工，實(shí)際應(yīng)用于1220 工作面的開采作業(yè)中，開采作業(yè)穩(wěn)定持續(xù)120 d，工作面順利開采430 m，采煤量達(dá)5.23萬(wàn)t，整個(gè)開采過程中并未發(fā)生涌水，表明該方案適用于該礦井采空區(qū)水害的防治，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。