綜采工作面頂板水超前裂隙帶探放技術(shù)

楊慧艷

(潞安化工集團 漳村煤礦，山西 長治 046032)

現(xiàn)今，治理頂板砂巖裂隙水的方法主要以采前物探、鉆探疏放水為主，而對回采過程中頂板水運移、大埋深采煤工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育機理方面的研究較少，砂巖裂隙水害大多為后方采空區(qū)滯后突水，并無防治監(jiān)測措施。因此，本文針對回采過程中工作面內(nèi)涌水增大的情況進(jìn)行分析，提出綜采工作面超前裂隙帶探放技術(shù)，利用回采工作面推進(jìn)過程中頂板裂隙發(fā)育，對頂板水在超前裂隙帶進(jìn)行探放，以減少工作面突然來水、涌水增大的現(xiàn)象。

1 漳村煤礦水文地質(zhì)條件

漳村煤礦主采3號煤層，主要充水水源為大氣降水和地表水、第四系孔隙水、煤層頂板砂巖裂隙水、采空區(qū)積水。在整個+480 m水平，3號煤層直接充水含水層為上石盒子組K8砂巖裂隙含水層，K8砂巖距3號煤頂板平均距離為30 m，且K8砂巖富水性較強，在開采過程中K8砂巖水必然通過導(dǎo)水裂隙進(jìn)入采區(qū)；上石盒子組底部存在很強的富水砂巖K10，K10砂巖富水能力較K8更強，且K10與K8之間水力聯(lián)系差異性很大，使得頂板水防治難度加大；此外，+480 m水平斷層、陷落柱分布較多，增加了3號煤層頂板導(dǎo)水通道。礦區(qū)地形總體呈現(xiàn)西高東低，地形有利于自然排水，而且導(dǎo)水裂隙帶的高度尚未發(fā)育到地表和第四系孔隙含水層，加之井田區(qū)內(nèi)第四系底部存在較厚的粘土層，可起到良好的隔水作用，在沒有導(dǎo)水構(gòu)造的前提下，大氣降水、地表水和第四系孔隙水不會對礦井造成威脅。所以確定二疊系的砂巖裂隙含水層K8、K10是3號煤層頂板的主要充水水源。K8、K10 的補給來源為大氣降水，補給路徑長、范圍有限、補給量少，因此含水層的富水性較差。在煤層開采過程中，頂板會產(chǎn)生裂隙。當(dāng)采掘活動產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙溝通或者采掘揭露頂板的強富水區(qū)域，會使含水層中的水瞬時大量涌入礦井造成突水事故。因此裂隙的高度能否達(dá)到含水層的底部邊界和含水層的富水性是否良好對于安全回采非常重要。

2 導(dǎo)水裂隙帶的計算

3號煤層采空區(qū)垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶地層總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀一般為1～11°，該次利用井田內(nèi)鉆孔資料對3號煤層采空區(qū)冒落帶及導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)行計算。

3號煤層上覆巖巖性主要為砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖，巖層總體抗壓強度在20～40 MPa之間，按照《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》、《煤礦防治水細(xì)則》、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(安監(jiān)總煤裝【2017】66號)要求計算冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶最大高度如下。

Hf=(3～4)ΣM

(1)

Hf=100ΣM/(3.3n+3.8)±5.1

(2)

(3)

(4)

式中：Hf為預(yù)測冒落帶最大高度，m；ΣM為累計采厚，m；Hm為垮落最大高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；n為采煤分層層數(shù)。

應(yīng)用上述公式，利用井田內(nèi)鉆孔資料，計算3號煤層冒落帶發(fā)育最大高度為30.40 m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度為152 m。而3號煤層頂板至基巖界面距離為93.25～571.25 m，距K10砂巖79.10～126.90 m，距K8砂巖17.0～47.50 m。由表1分析，3號煤冒落帶高度值部分未達(dá)到K8砂巖底板，部分發(fā)育到K8砂巖至K10底板之間；3號煤導(dǎo)水裂縫帶全部導(dǎo)通K8砂巖底板，大部分發(fā)育至K8砂巖底板至K10砂巖底板，少部分發(fā)育至第四系，個別地段達(dá)到地表。根據(jù)收集到的鉆孔資料，未來5 a開采范圍導(dǎo)水裂隙帶高度全部導(dǎo)通K10砂巖底板，未達(dá)到第四系。

表1 2501工作面水裂隙帶和垮落帶計算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬的結(jié)果分析，隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板不斷發(fā)生破裂、冒落。工作面推進(jìn)至30 m的時候，頂板開始發(fā)生破裂，直接頂開始出現(xiàn)初步垮落。工作面推進(jìn)至60 m時，直接頂垮落，第二層頂板開始出現(xiàn)變形破壞，此時發(fā)育高度為10 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m時，隨著工作面的突進(jìn)，發(fā)育高度增大速率明顯加快，此時發(fā)育高度為33 m。工面推進(jìn)至190 m時，發(fā)育高度逐漸達(dá)到最大，趨于穩(wěn)定(見圖1)。

圖1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度變化

由圖1可以看出，最終在工作面推進(jìn)至190 m時達(dá)到基本穩(wěn)定，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為132 m，垮落帶高度為33 m?？梢缘贸鰧?dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬結(jié)果基本與計算結(jié)果相符合。

3 2501工作面超前裂隙帶探放技術(shù)實施

3.1 2501工作面概況

2501工作面底板整體東高西低，西傾坡度平均為5°，工作面回采由東向西?；夭芍晾享敵蹩鍟r，工作面老塘開始來水，且工作面中部存在一向斜，造成工作面中部大量積水，給回采出煤造成一定困難，遂停采進(jìn)行放水。放水一段時間后，工作面老塘來水逐漸減小，恢復(fù)生產(chǎn)回采一段距離后老塘來水又逐漸增大。為徹底解決老塘來水對回采帶來的影響，考慮施工頂板放水孔對頂板水進(jìn)行疏放。

3.2 2501工作面超前裂隙帶探放水原理

通過對2501工作面煤層底板等高線分析，2501工作面頂板巖層走向近于南北，傾向近于西。通過對工作面水文地質(zhì)情況進(jìn)行分析，工作面頂板存在K7、K8(距3號煤層頂板29 m)、K10(距3號煤層頂板90 m)砂巖含水層。工作面隨著回采推進(jìn)，頂板裂隙高度逐漸增高，當(dāng)工作面回采190 m后，頂板裂隙高度穩(wěn)定達(dá)到最大值。工作面頂板裂隙以切眼頂板為起始點與垂直方向呈72°夾角斜向上發(fā)育，也就是頂板巖層的破裂超前于切眼。

3.3 2501工作面超前裂隙帶探放水過程

通過在2501工作面運巷與風(fēng)巷對稱布置多組頂板放水孔，放水孔終孔高度以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最高高度為準(zhǔn)，一組鉆孔終孔位置在同一條直線上，這樣就可以達(dá)到兩個放水目的(表2)：①對頂板水直接進(jìn)行疏放，在含水層中形成降落漏斗；②當(dāng)頂板裂隙發(fā)育與放水孔溝通后，且此時頂板含水層由于裂隙存在，滲透性大大增強，直接超前于工作面切眼位置對頂板水進(jìn)行疏放。

表2 2501工作面超前裂隙帶探放水鉆孔布置

2組位于距切眼370 m處，3組位于距切眼460 m處，4組位于距切眼550 m處，5組位于距切眼640 m處，其余打鉆參數(shù)與1組鉆孔數(shù)據(jù)相同。

3.4 2501工作面放水效果

2501工作面通過施工頂板放水孔，后期回采老塘來水量明顯減小，未發(fā)生工作面積水影響回采的情況，同時為回采作業(yè)創(chuàng)造了良好條件。

4 頂板水防治技術(shù)的應(yīng)用分析

對于頂板水防治，一般煤礦采取頂板水疏放、注漿等技術(shù)，頂板疏放技術(shù)運用較多但效果較差。在工作面回采過程有漏水或涌水現(xiàn)象，如果單純依據(jù)出水位置或構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行疏放，就不能對煤層整個頂板進(jìn)行疏放，因此效果不好。

在此種條件下，漳村煤礦+480 m水平頂板水疏放通過分析頂板富水規(guī)律從而確定強、弱富水區(qū)域以及補給、徑流區(qū)域。通過計算分析開采影響下煤層頂板裂隙高度及范圍，從構(gòu)造地質(zhì)角度分析天然導(dǎo)水裂隙分布規(guī)律，綜合確定導(dǎo)水能力強、弱區(qū)域分布規(guī)律，超前工作面進(jìn)行探放。這樣不僅有效減少了工作面回采過程中的涌水，而且保證了工作面安全生產(chǎn)，也在一定程度上保證了該礦正常采掘銜接，緩解了該礦現(xiàn)階段采掘銜接緊張的局面。此外，綜采工作面頂板水超前裂隙帶探放中，所有鉆孔打至導(dǎo)水裂隙帶，不用穿透含水層，鉆探距離短，放水效果明顯，排除了水患，達(dá)到了預(yù)期效果。該技術(shù)的成功應(yīng)用取得了良好的安全效益和經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

回采工作面突水事故，致使工作面停產(chǎn)，嚴(yán)重時還會造成人員傷亡。因此，采掘工作面水害預(yù)報和疏放是保障安全回采的關(guān)鍵。為了有效預(yù)防突水事故的發(fā)生，回采之前應(yīng)探明工作面頂板富水情況，從而布設(shè)合適的鉆孔進(jìn)行疏放。為了減少工作面回采期間，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育導(dǎo)致工作面水量增加的現(xiàn)象，通過分析計算導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。超前工作面裂隙帶探放頂板水，是有目的、按計劃地主動放水，而不是被動治水。文章綜合利用鉆探、井下物探和化探手段對3號回采工作面出水特征及水源進(jìn)行了分析和預(yù)測，得知形成的導(dǎo)水裂隙帶溝通頂板砂巖含水層是致使工作面出水的主要原因，采空區(qū)及回采工作面前方190 m范圍為工作面主要出水區(qū)。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律提出超前工作面裂隙帶探放頂板水，形成了探測先行、分析驗證、預(yù)測防治為一體的安全評價及防治技術(shù)與方法，確保采掘工作面安全掘進(jìn)。