三盘区运输巷顶板淋水特征分析及防治方案

陈 朋,王 鹏

(山西兰花科技创业股份有限公司 伯方煤矿分公司，山西 高平 048400)

伯方矿三盘区运输巷II段临一盘区采空区段巷道在掘进过程中,顶板的锚索、锚杆孔多处出现淋水现象,实测单孔涌水量约0.25 m3/h,全巷涌水量约33 m3/h。6个月后,1 420-1 500 m段巷道顶板发生离层,顶板下沉量约50 cm,局部发生冒顶,严重威胁运输和行人安全。为保障安全生产,防止水害事故,现对淋水情况进行分析并制定防治方案。

1 三盘区运输巷概况

1.1 工程概况

三盘区运输巷II段沿煤层顶板掘进,巷道为矩形断面,采用锚网+锚索支护,西北侧为三盘区轨道巷,东南侧为一盘区3115、3116、3117、3118采空面。据3117工作面回采前对3116、3118采空区疏放水情况可知,采空区内存在积水,并有一定的动态补给。该段巷道标高最低处为677 m,一盘区采空积水标高约为775 m, 预计最大水头高度约98 m,水压约1 MPa。三盘区运输巷与一盘区正采空工作面间设计留设了40 m防隔水煤柱。图1为三盘区运输巷与一盘区采空积水区关系示意图。

图1 三盘区运输巷与一盘区采空积水区关系示意图Fig.1 Relationship between the transportation roadway in No.3 panel and water-storage goaf in No.1 panel

1.2 地质及水文地质情况

1.2.1地层及构造情况

三盘区运输巷II段布置在山西组3#煤层中,煤层赋存稳定,厚5.47 m,顶底板特征见602#钻孔柱状图(图2),巷道揭露构造情况如表1所示。

图2 602#钻孔柱状图Fig.2 Stratum histogram of No.602 borehole

表1 巷道揭露构造情况Table 1 Structure of roadway exposure

1.2.2水文地质情况

三盘区运输巷II段煤层埋深约320 m,地表为Q2、Q3黄土层覆盖,冲沟发育,沟内平时干涸无水,大气降水对3#煤层顶板砂岩水补给有限。对工作面有影响的含水层自上而下分为第四系松散岩类孔隙含水层、基岩风化带裂隙含水层、上下石盒子组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层、太原组灰岩和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。依据空间赋存特征,自上而下主要有二叠系砂质泥岩和泥岩隔水层、石炭系太原组灰岩含水层间砂质泥岩和泥岩隔水层和本溪组铝土质泥岩隔水层。3#煤层顶板砂岩含水层的直接充水水源为山西组砂岩裂隙含水层,富水性弱,渗透系数为0.006～0.535 m/d,钻孔消耗量一般为0.10～0.57 m3/h。据我矿及附近煤矿以往开采情况,井下局部低凹处有1～2级淋头水,大部分无水,一般随时间推移逐渐变小,大多数干涸。

2 防隔水煤柱留设情况

2.1 防隔水煤柱安全性计算

防隔水煤(岩)柱的尺寸可参考经验公式(1)[1]:

(1)

式中:b为煤柱留设的宽度,m;K为安全系数(一般2～5),取最大值5;d为煤层厚度,取602#钻孔5.47 m;p为水头压力,取1 MPa;Kp为煤的抗拉强度,取0.5 MPa。

根据该公式计算得出结果b=33.5 m,证明留设的40 m防隔水煤柱安全可靠。

2.2 物探验证情况

物探成果见图3所示。

图3 三盘区运输巷临一盘区采空段(1 320-1 920 m)物探成果图Fig.3 Geophysical detection results of the transportation roadway of No.3 panel dose to the goaf in No.1 panel (1 320-1 920 meters)

通过对三盘区运输巷II段(1 320-1 920 m)临一盘采空积水段的顶板、顺层和底板三个方向进行瞬变电磁仪物探,结果显示防隔水煤柱留设宽度基本与设计留设宽度相符合,煤柱内未发现低阻异常区,说明煤柱隔水性较好,煤层内无导水通道。在1 750-1 770 m段呈低阻异常,后经现场检查该段,顶板及煤帮均无涌水异常状况,现场附近为锚杆堆放点,疑为物探过程中干扰所致;在1 820-1 890 m段呈现高阻异常,经核实为3117与3118工作面之间的煤柱。

3 淋水补给来源和通道

通过现场勘查及对顶板淋水情况观测,1 420-1 500 m为S10向斜轴部附近,该处受地质构造作用力影响,顶板破碎,节理与巷道斜交,分析认为巷道淋水的补给来源、来水方向为相邻的一盘区采空区积水,补给通道为3#煤层顶板的砂岩裂隙(包括成岩裂隙和构造裂隙),主要为顶板4.81～17.54 m的粗砂岩裂隙。原因有以下几点。

1)巷道淋水量较正常值显著偏大且保持长期稳定。若是3#煤层顶板砂岩水,一般补给有限,富水性弱,随着巷道掘进和时间推移,淋水整体呈变小趋势,正常巷道掘进时的涌水量不超过1 m3/h。该淋水地段总涌水量达33 m3/h,近半年时间呈稳定趋势,说明有稳定的补给来源。

2)在运输巷掘进前,回风巷顶板淋水较大,在运输巷掘进后,回风巷淋水变小,说明运输巷对回风巷的顶板淋水有截流作用,即来水方向为采空区方向。

3)顶板施工垂直锚索钻孔时,打至5 m后,孔内涌水迅速增大。附近602#钻孔显示,工作面顶板4.81～17.54 m为粗砂岩层,厚度约12.73 m,厚度较大,质地坚硬,裂隙发育。该段受构造力作用,顶板裂隙在此基础上更为发育,且淋水地段为S10向斜一翼,对顶板水有汇聚作用,老空水通过垮落带和导水裂隙带与3#煤层顶板砂岩裂隙沟通,在顶板破碎段成为一盘采空积水的集中排泄口。

4)在淋水段顶板发生较大面积的离层现象,巷道顶板砂岩长期受水冲刷、浸泡,顶板发生软化[2-4],同时水对锚杆锚索腐蚀,降低了锚杆的锚固力,使锚杆既失去了稳定的承载基础,又弱化了预应力的传递介质,从而降低了锚杆的预应力作用,导致应力重新分布,以致于顶板失稳离层,证明巷道顶板淋水来源为老空水渗透[5]。

4 防治方案

4.1 防治方案的确定

相邻野川煤矿与我矿南部边界相邻,与我矿水文地质情况相似,该矿在布置3103工作面回采前对我矿3118工作面积水进行了疏放,放水时水量约969 m3/d,放水时间90 d,共放水约87 210 m3,放水过程中水压无变化,放水效果不明显,预计放水难度较大,后将放水钻孔全部封闭。综上得出以下基本判断:

1)采空区积补给量超过1 000 m3/d;

2)当疏放水量小于1 000 m3/d时,可能为无效排水量,增加长期排水费用;

3)在采空区积水的补给边界、补给通道暂未查明的情况下,暂不具备疏放降压条件。

通过分析相邻矿井的放水情况,结合我矿防隔水煤柱的留设情况、生产现状、排水能力,在未查明一盘区采空区积水补给边界、补给通道、补给量等情况下,现阶段建议以“堵”为主,以“排”为辅,主要措施为顶板注浆封堵和增强排水能力。

4.2 防治方案的实施

防治方案分三个阶段实施。

第一阶段:进行复合支护,增设检修水泵。针对现阶段巷道顶板发生离层现象,建议采取复合支护,在原有支护方式基础上,架设钢支架,给顶板予以支撑,防止顶板再次离层。

第二阶段:完善排水系统,提升排水能力。配备三台型号为200D-43×3排水泵(一用一备一检修)、布设两趟Φ200 mm排水管路,及时清理水仓,保证足够的排水能力。

第三阶段:注浆截堵。复合支护完成后,在顶板来水方向进行注浆治理,截断导水通道,起到充填裂隙、隔绝水源和将破碎岩体胶结为整体的作用;加固相邻地段3115、3116、3117、3118采空面的巷道顶板。关键地段为1 420-1 500 m,加固关键层位为巷道正上方及左帮顶板4.81～17.54 m的粗砂岩层,形成堵水帷幕,将补给边界改造为阻水边界,减少无效排水量,减轻矿井排水负担。

5 治理情况

通过对三盘区运输巷1 400-1 500 m巷道淋水段顶板复合支护后进行帷幕注浆封堵,该段的淋水量由原来的30 m3/h减小为2 m3/h,注浆效果显著,说明对巷道淋水的充水水源和通道判断准确,防治方案可行。

6 结论

1)通过对防隔水煤柱的可靠性进行计算,并通过瞬变物探进行验证,认为防隔水煤柱安全可靠。

2)通过现场勘查和水文地质调查,结合顶板淋水特征,查明了顶板淋水的充水水源和充水通道为构造发育带,如向斜轴部和顶板裂隙发育带。

3)针对顶板长期受水冲刷、浸泡,顶板发生软化的情况,制定了先金属和点柱复合支护，再注浆加固关键层的方案,治理效果显著。

以上的分析方法和施工方案为同类地质和水文条件下的顶板淋水防治方案提供了借鉴。