唐安煤矿3401 工作面顶板涌水防治技术应用研究

崔 雅

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，山西 高平 048400）

1 工程概况

山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司位于高平市马村镇境内，北东距高平市15.2km，东南距晋城市32km。唐安煤矿分公司现开采3#煤层，开采标高为+600-+850m。矿井采用斜立井开拓方式，工业场地内布置主斜井和副斜井，在井田中央布置有掌握进风立井和龙背石回风立井，为高瓦斯矿井。本井田内可划分五大含水层组，即：第四系砂砾石层孔隙含水层组；二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层组；二叠系下统山西组、下石盒子组砂岩裂隙含水层组；石炭系上统太原组砂岩夹薄层灰岩裂隙含水层组；奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组。除奥陶系中统石灰岩含水层处于3#煤层下部外，其余4 个含水层均位于3#煤层上方。井田内3#煤层上覆岩性组合为砂岩、砂质泥岩，为中硬岩层，目前该矿开采3 号煤层，采煤方法为走向长壁与倾斜长壁相结合开采，采煤工艺全部采用综合机械化低位放顶煤采煤，全部垮落法管理顶板。唐安煤矿即将进行矿井西翼4 采区的开采，根据采区准备巷道采掘活动中顶板涌水情况，本区域顶板含水层区域富水性明显要强于原有地质资料所阐述的情况，因此展开对于3401 工作面开采过程中顶板的涌水量进行研究和预测，为工作面的安全回采提供指导和借鉴。

2 3401 工作面导水裂缝带高度模拟分析

唐安煤矿3401 工作面回采期间充水水源包括采空区积水、地表水和顶板含水层水，根据以往的生产经验工作面主要充水源为顶板含水层水。根据唐安煤矿3#煤层4 采区的地质条件可知，工作面回采期间顶上覆岩层破坏产生的裂隙为工作面涌水的主要通道，为具体的分析煤层覆岩变形破坏随着工作面回采动态变化的特征，根据唐安煤矿3401工作面具体的地质条件，采用FLAC3D 数值模拟软件对3401 工作面的回采进行模拟。煤岩体采用摩尔——库伦本构模型，模型尺寸长×宽×高=400×250×400m，3#煤层工作面采高3.5m，平均埋深为400m，3#煤层开挖后采用一次性换充填材料模拟采空区冒落矸石[1]，模型示意图及数值模拟模型如图1所示。

图1 三维数值计算模型

唐安煤矿3401 工作面模拟的工作面长度为220m，工作面共推进350m，每开挖5m 进行一次分析计算，由于篇幅所限，仅将典型的结果展示在图2 中，由图可知，工作回采会使周围煤岩体产生一定范围内的塑性破坏，随着工作面推进距离的增大，上覆岩层塑性破坏范围逐渐增大，并且逐渐趋于稳定。工作面回采30m 时顶板塑性破坏范围较小，约为8.0m，当工作面回采150m 时，上覆岩层塑性破坏高度达29m，并且在距离工作面50m 的围岩内出现小范围的塑性破坏区域；当工作面回采200m 时，顶板塑性破坏高度达到65m；工作面继续推进至350m 时，塑性破坏范围高度达到93m，工作面继续回采，上覆岩层的塑性破坏高度稳定在93m。

图2 回采工作面覆岩变形破坏演化过程

3 4 采区3401 工作面开采涌水量预计

工作面回采期间，后方采空区的涌水量主要由静态储量和动态补给量组成，静态储量的值主要和工作面后方采空区的面积、导水裂隙带连通的含水层的厚度和富水性相关，动态补给量的值由顶板含水层的厚度和渗透系数决定，动态补给量随着采空区面积的增大而增加，当推进到一定程度后趋于稳定[2]。通过第二节的分析可知，3401 工作面导水裂隙带发育高度约为93m，因此3 号煤层直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层，据抽水试验数据该含水层属弱富水性含水层；间接充水含水层为下石盒子组砂岩含水层据抽水试验数据，该含水层属中—弱富水性含水层。

图3 工作面涌水量构成示意图

3.1 静态储水量

工作面回采后，由于顶板岩层破坏使采空区与富含水层连通，静态储量的瞬时释放对采空区产生较大威胁，直接充水含水层静态储量的充水形式为弹性释水和重力释水[3]，弹性释水量：

式中：Qt为弹性释水量，单位：m3；S 为弹性储水系数，根据生产经验取10-4；ΔH 为顶板砂岩承压水水位降深，单位：m3；F 为采空区面积，单位：m2；

重力释水量：

式中：Qz为重力释水量，单位：m3；μ 为含水层重力补给系数，根据经验取0.05；F 为采空区面积，单位：m2；M为含水层厚度，单位：m；

唐安煤矿3#煤层直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层，间接充水含水层为下石盒子组砂岩含水层。唐安煤矿3401 工作面长度为220m，推进长度约为1100m，ΔH 山西组砂岩裂隙含水层水位降深为70m，下石盒子组砂岩含水层水位降深为150m，带入相应公式可得，山西组和下石盒子组弹性释水量分别为0.8 万m3、1.5 万m3，山西组和下石盒子组重力释水量分别为35.2 万m3和46.8 万m3，唐安煤矿3401工作面上覆岩层含水层静态中储量为84.3 万m3。

3.2 动态补给量

工作面回采期间，顶板含水层中的水体通过顶板导水裂隙带涌入工作面后方的采空区，根据数值模拟的结果，当工作面回采350m 时，导水裂隙高度达到最大，此后动态补给量注逐渐趋于稳定，采用集水廊道法对3401 工作面回采期间顶板充水量进行预测，随着工作面的开采，顶板含水层的水头降至煤层底板以下，采用承压～无压单侧进水模型进行计算[4]：

式中：Q 为涌水量，单位：m3/d;K 为渗透系数，山西组0.063m/d，下石盒子组0.142m/d；M为含水层厚度，山西组32m，下石盒子组89m；L 为集水廊长度，1100m；H 为水头高度，山西组654m，下石盒子组726m；h0为降水后水头高度，取0m。R 为影响半径，单位：m；

将3401 工作面具体的参数带入式（3）计算可知，3401 工作面回采时顶板涌水量为383m3/h。

3.3 涌水量综合确定

唐安煤矿3#煤层3401 工作面动态补给量利用集水廊道法计算正常涌水量为383m3/h，由于3401 工作面为4 采区首采工作面，工作面回采引起的顶板导水裂隙较大，井下通过顶板探放水钻孔的钻进及探放的效果不理想等因素，导致顶板岩层下石盒子组的静储水量疏放难度较大，当工作面回采约350m 时导水裂隙带导通该含水层，开采期间造成最大涌水量的上升，并借鉴三采区3301 首采工作面（图4）采空区顶板的涌水情况分析3401 工作面最大的涌水量为789m3/h。

图4 3301 工作面实际涌水量

4 工作面排水系统设计及应用

根据以上研究结果，3401 工作面顶板静态储水量为84.3 万m3，如果采前对下石盒子组砂岩含水层的静态水体不进行处理，工作面推进350m 作左右时，工作面面临淹井的危险，因此设计采用探放孔进行采前顶板静态水释放，钻孔的布置详情如图5 所示，3401 运输顺槽共布置22 个探放孔，3401 辅运顺槽布置18 个探放孔，探放高度约为90m，垂直于顺槽的钻孔为主孔，主孔两侧为副孔，从切眼处开始施工，当主孔的出水量小于5m3/h 时，即可以进行工作面的正常回采及后续的疏放工程。根据3401 工作面底板的起伏情况，工作面涌水可自动汇集到3401 辅运顺槽距切眼274m 处，此处开挖联络巷汇集工作面淋、涌水，配备4 台BQW275-50-90 型水泵，保证排水能力不小于800m3/h。截止到2019 年5 月份,3401 工作面已安全回采700m，工作面实际涌水量如图5（b）所示。工作面最大涌水量达750m3/h，实际涌水量与研究结果情况较为接近。

图5 工作面顶板探放孔布置及实际涌水量

5 结论和建议

根据唐安煤矿3401 工作面详细的地质条件，通过理论分析、数值计算及数值计算等方法，获知工作回采期间上覆岩层导水裂隙带发育高度为93m，工作面直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层，间接充水含水层为下石盒子组砂岩含水层，通过计算求得工作面上覆岩层含水层静态中储量为84.3 万m3，预测3401 工作面最大的涌水量为789m3/h，据此设计3401工作面采前的顶板疏放和回采期间的排水设施，现场应用表明取得了很好的治理效果。