辛置矿顶板离层水突涌机理及防治技术研究

石 磊

（霍州煤电集团有限责任公司，山西 临汾 031400）

1 工程概况

辛置煤矿隶属于山西焦煤霍州煤电集团，矿井设计生产能力为250 Mt/a。目前主采2#煤层，位于二叠系下统山西组，煤层稳定可采，含两层夹矸，其中第二层夹矸层位较稳定，厚度稍大，为低硫肥煤。煤层厚度3.8～4.3m，煤层倾角2°～6°，煤层顶底板岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

2-208 工作面位于310 m 水平二采区轨道巷左侧，为二采区系统巷道煤柱回收工作面，北面紧邻二采区轨道巷、皮带巷，南面距离二采区右翼皮带巷110 m，西面距离二采区回风巷25 m，东面距离2-202 工作面采空区最小间距为63 m。工作面平均埋深450m，走向长度175 m，倾向长度580 m。

矿井地质报告资料显示，影响工作面的主要充水水源为2#煤层上覆二叠系各砂岩裂隙水，在2#煤层以上依次有K8、K9、K10 砂岩含水层。2-208工作面在开采过程中频繁出现涌水现象，影响了工作面正常生产，因此，需对工作面涌水形成机理及防治技术展开研究[1-5]。

2 工作面涌水机理分析

2.1 现场涌水量观测

经初步判定2-208 工作面开采时涌水源为上部砂岩裂隙水。通过现场布置测点，每隔20 m 对工作面涌水量进行统计，并将统计结果绘制成曲线进行分析，如图1。

图1 工作面涌水量观测结果

工作面在推进过程中涌水量不应超过10 m3/h，而由图1 可知，2-208 工作面推进前期涌水量已超过安全要求。推进长度为20～140 m 时，工作面涌水量呈起伏波动，波动范围为10.516～60.593 m3/h。工作面涌水量在推进至150 m 时急剧持续增长，推进至190 m 时涌水量达到顶峰，最大涌水量为143.6 m3/h。

2.2 机理分析

由于煤层上方有多个含水层且顶板多为泥岩或砂质泥岩，在工作面推进过程中由于顶板上方发生离层，从而使得水流渗入顶板。离层主要是因开采后关键层发生断裂，导致各岩层弯曲下沉，因岩层间的岩性不同，各岩层的下沉移动不连续，从而形成了离层空间。可通过关键层理论对离层发生的位置进行判别，将各岩层的参数带入公式进行计算，若满足公式的条件，即可认为第n 岩层与第n+1 岩层间发生了离层。煤层上方各岩层的参数见表2。

表2 煤层顶板岩层情况

式中：E为各岩层的弹性模量，h为各岩层的平均厚度，γ为各岩层的容重，n为岩层序号（自下而上）。

将2#煤顶板各岩层的参数代入公式计算后得出，在第1 层泥岩、第2 层砂质泥岩间有离层，在第5 层粉砂岩、第6 层泥岩及第7 层细粒砂岩间存在离层。由于离层的存在，导致顶板上方产生积水空间，而离层空间会随着工作面回采发生变化，一般随着推进距离增加，主关键层悬顶面积增多，离层出现位置逐渐向上移动，下方离层空间在覆岩压力下逐渐闭合，基本呈梯形动态变化。随着积水量增多及离层位置上移，在水压及覆岩压力双重作用下极易引发顶板突水。

2.3 裂隙带高度计算

由于离层位置会随着工作面推进动态变化，需通过裂隙带高度计算出顶板上方的主要积水空间，为防治水提供依据。裂隙带高度计算如下：

式中：H为裂隙带高度，m；M为煤层厚度，取4.0 m。

经计算得出2#煤层裂隙带高度为49.14 m，而2#煤层距第7 层细粒砂岩底板高度为46.5 m，由此可知，主要积水离层空间在第6 层泥岩与第7 层细粒砂岩之间，并且裂隙贯通，为水流涌入工作面提供了通道。

3 数值模拟分析

3.1 建立模型

为了直观地分析工作面回采过程中的顶板离层情况，采用UDEC 数值模拟软件，依据2-208 工作面实际赋存条件建立模型，模型尺寸为长×高=400 m×70 m。根据工作面埋深，在模型顶部施加7.5 MPa 垂直应力以模拟覆岩压力，通过位移边界条件对模型两侧和底部进行约束。煤岩体的物理力学参数按表3 进行赋参。

表3 煤岩体物理力学参数

3.2 模拟结果分析

模型建好后，首先进行原岩应力平衡计算，待平衡后按每10 m 进行循环开挖，煤层开挖180 m及220 m 后，岩体离层情况如图2、图3。

由图2 可知，离层空间在煤层开挖至100 m 时开始形成，并随着工作面向前推进不断扩大，开挖至180 m 时，离层空间达到峰值。由此可知，离层空间增长周期为80 m。由图3 可知，煤层开挖至220 m 时，离层位置逐渐上移，在距煤层上方50～55 m 之间形成了新的离层空间，原先的离层闭合。由此可知，2#煤层顶板离层上移周期为120 m。综上所述，工作面推进至每隔120 m 时，出现新老离层接替，而新离层位于裂隙带范围内，上方砂岩含水层内的水会随着裂隙通道涌入离层空间，此时容易发生离层水突出，造成工作面涌水量较大，需提前对离层水进行疏防。

图2 开挖180 m 时离层空间情况

图3 开挖220 m 时离层空间情况

4 离层水防治措施

为降低离层水对工作面回采的影响，采用导水钻孔对顶板离层水进行提前疏放，疏放结束后进行注浆，使裂隙封闭，防止水流再次涌出。沿工作面推进方向，在上下顺槽布置导水钻场，钻孔终孔朝向采空区方向，钻孔布置如图4。

图4 钻孔布置方案

每条顺槽各布置9 个导水钻场，每个钻场内各布置5 个钻孔，钻孔均向上仰斜60°～70°，终孔位于煤层上方易发生离层的第6 层泥岩附近。钻进时，开孔直径为140 mm，钻孔直径不小于80 mm，钻进结束后下入套管，先进行疏放水操作，疏水结束后采用封堵材料进行封孔处理，并开始进行注浆加固，封闭顶板裂隙。为防止钻孔坍塌影响注浆效果，可提前用水泥浆液进行冲孔处理，提高围岩强度。另外，对于巷道内顶板由于淋水而破碎的区域，采用锚索网补强支护，并使用防水锚固剂进行加长锚固。

采用疏放水及注浆加固等措施后，工作面回采时涌水情况明显改善，其平均涌水量下降为8.6 m3/h，且未出现突水事故。

5 结论

对辛置矿2-208 工作面上方离层空间进行了理论分析及数值模拟。结果表明：煤层上方主要离层空间为第6 层泥岩与第7 层细粒砂岩之间，并且裂隙贯通，上方砂岩含水层的水流通过裂隙涌入离层空间形成积水层；工作面推进每隔120 m 时，新老离层接替，而新离层位于裂隙带范围内，容易发生离层水突出，造成工作面涌水量较大，需提前对离层水进行防治。针对顶板离层情况，制定了提前疏放+注浆加固的防治水措施，工作面回采时涌水情况得到明显改善，其平均涌水量下降为8.6 m3/h，且未出现突水事故。