综采工作面顶板水超前裂隙带探放技术

杨慧艳

(潞安化工集团 漳村煤矿，山西 长治 046032)

现今，治理顶板砂岩裂隙水的方法主要以采前物探、钻探疏放水为主，而对回采过程中顶板水运移、大埋深采煤工作面导水裂隙带发育机理方面的研究较少，砂岩裂隙水害大多为后方采空区滞后突水，并无防治监测措施。因此，本文针对回采过程中工作面内涌水增大的情况进行分析，提出综采工作面超前裂隙带探放技术，利用回采工作面推进过程中顶板裂隙发育，对顶板水在超前裂隙带进行探放，以减少工作面突然来水、涌水增大的现象。

1 漳村煤矿水文地质条件

漳村煤矿主采3号煤层，主要充水水源为大气降水和地表水、第四系孔隙水、煤层顶板砂岩裂隙水、采空区积水。在整个+480 m水平，3号煤层直接充水含水层为上石盒子组K8砂岩裂隙含水层，K8砂岩距3号煤顶板平均距离为30 m，且K8砂岩富水性较强，在开采过程中K8砂岩水必然通过导水裂隙进入采区；上石盒子组底部存在很强的富水砂岩K10，K10砂岩富水能力较K8更强，且K10与K8之间水力联系差异性很大，使得顶板水防治难度加大；此外，+480 m水平断层、陷落柱分布较多，增加了3号煤层顶板导水通道。矿区地形总体呈现西高东低，地形有利于自然排水，而且导水裂隙带的高度尚未发育到地表和第四系孔隙含水层，加之井田区内第四系底部存在较厚的粘土层，可起到良好的隔水作用，在没有导水构造的前提下，大气降水、地表水和第四系孔隙水不会对矿井造成威胁。所以确定二叠系的砂岩裂隙含水层K8、K10是3号煤层顶板的主要充水水源。K8、K10 的补给来源为大气降水，补给路径长、范围有限、补给量少，因此含水层的富水性较差。在煤层开采过程中，顶板会产生裂隙。当采掘活动产生的导水裂隙沟通或者采掘揭露顶板的强富水区域，会使含水层中的水瞬时大量涌入矿井造成突水事故。因此裂隙的高度能否达到含水层的底部边界和含水层的富水性是否良好对于安全回采非常重要。

2 导水裂隙带的计算

3号煤层采空区垮落带及导水裂缝带地层总体为一向西倾斜的单斜构造，地层产状一般为1～11°，该次利用井田内钻孔资料对3号煤层采空区冒落带及导水裂缝带进行计算。

3号煤层上覆岩岩性主要为砂质泥岩、砂岩、泥岩，岩层总体抗压强度在20～40 MPa之间，按照《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》、《煤矿防治水细则》、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装【2017】66号)要求计算冒落带、导水裂缝带最大高度如下。

Hf=(3～4)ΣM

(1)

Hf=100ΣM/(3.3n+3.8)±5.1

(2)

(3)

(4)

式中：Hf为预测冒落带最大高度，m；ΣM为累计采厚，m；Hm为垮落最大高度，m；Hli为导水裂缝带最大高度，m；n为采煤分层层数。

应用上述公式，利用井田内钻孔资料，计算3号煤层冒落带发育最大高度为30.40 m，导水裂缝带发育最大高度为152 m。而3号煤层顶板至基岩界面距离为93.25～571.25 m，距K10砂岩79.10～126.90 m，距K8砂岩17.0～47.50 m。由表1分析，3号煤冒落带高度值部分未达到K8砂岩底板，部分发育到K8砂岩至K10底板之间；3号煤导水裂缝带全部导通K8砂岩底板，大部分发育至K8砂岩底板至K10砂岩底板，少部分发育至第四系，个别地段达到地表。根据收集到的钻孔资料，未来5 a开采范围导水裂隙带高度全部导通K10砂岩底板，未达到第四系。

表1 2501工作面水裂隙带和垮落带计算结果

根据相关数值模拟的结果分析，随着工作面的推进，煤层顶板不断发生破裂、冒落。工作面推进至30 m的时候，顶板开始发生破裂，直接顶开始出现初步垮落。工作面推进至60 m时，直接顶垮落，第二层顶板开始出现变形破坏，此时发育高度为10 m。当工作面推进至100 m时，随着工作面的突进，发育高度增大速率明显加快，此时发育高度为33 m。工面推进至190 m时，发育高度逐渐达到最大，趋于稳定(见图1)。

图1 导水裂隙带发育高度变化

由图1可以看出，最终在工作面推进至190 m时达到基本稳定，导水裂隙带最大高度为132 m，垮落带高度为33 m。可以得出导水裂隙带发育高度模拟结果基本与计算结果相符合。

3 2501工作面超前裂隙带探放技术实施

3.1 2501工作面概况

2501工作面底板整体东高西低，西倾坡度平均为5°，工作面回采由东向西。回采至老顶初垮时，工作面老塘开始来水，且工作面中部存在一向斜，造成工作面中部大量积水，给回采出煤造成一定困难，遂停采进行放水。放水一段时间后，工作面老塘来水逐渐减小，恢复生产回采一段距离后老塘来水又逐渐增大。为彻底解决老塘来水对回采带来的影响，考虑施工顶板放水孔对顶板水进行疏放。

3.2 2501工作面超前裂隙带探放水原理

通过对2501工作面煤层底板等高线分析，2501工作面顶板岩层走向近于南北，倾向近于西。通过对工作面水文地质情况进行分析，工作面顶板存在K7、K8(距3号煤层顶板29 m)、K10(距3号煤层顶板90 m)砂岩含水层。工作面随着回采推进，顶板裂隙高度逐渐增高，当工作面回采190 m后，顶板裂隙高度稳定达到最大值。工作面顶板裂隙以切眼顶板为起始点与垂直方向呈72°夹角斜向上发育，也就是顶板岩层的破裂超前于切眼。

3.3 2501工作面超前裂隙带探放水过程

通过在2501工作面运巷与风巷对称布置多组顶板放水孔，放水孔终孔高度以导水裂隙带发育的最高高度为准，一组钻孔终孔位置在同一条直线上，这样就可以达到两个放水目的(表2)：①对顶板水直接进行疏放，在含水层中形成降落漏斗；②当顶板裂隙发育与放水孔沟通后，且此时顶板含水层由于裂隙存在，渗透性大大增强，直接超前于工作面切眼位置对顶板水进行疏放。

表2 2501工作面超前裂隙带探放水钻孔布置

2组位于距切眼370 m处，3组位于距切眼460 m处，4组位于距切眼550 m处，5组位于距切眼640 m处，其余打钻参数与1组钻孔数据相同。

3.4 2501工作面放水效果

2501工作面通过施工顶板放水孔，后期回采老塘来水量明显减小，未发生工作面积水影响回采的情况，同时为回采作业创造了良好条件。

4 顶板水防治技术的应用分析

对于顶板水防治，一般煤矿采取顶板水疏放、注浆等技术，顶板疏放技术运用较多但效果较差。在工作面回采过程有漏水或涌水现象，如果单纯依据出水位置或构造区域进行疏放，就不能对煤层整个顶板进行疏放，因此效果不好。

在此种条件下，漳村煤矿+480 m水平顶板水疏放通过分析顶板富水规律从而确定强、弱富水区域以及补给、径流区域。通过计算分析开采影响下煤层顶板裂隙高度及范围，从构造地质角度分析天然导水裂隙分布规律，综合确定导水能力强、弱区域分布规律，超前工作面进行探放。这样不仅有效减少了工作面回采过程中的涌水，而且保证了工作面安全生产，也在一定程度上保证了该矿正常采掘衔接，缓解了该矿现阶段采掘衔接紧张的局面。此外，综采工作面顶板水超前裂隙带探放中，所有钻孔打至导水裂隙带，不用穿透含水层，钻探距离短，放水效果明显，排除了水患，达到了预期效果。该技术的成功应用取得了良好的安全效益和经济效益。

5 结 语

回采工作面突水事故，致使工作面停产，严重时还会造成人员伤亡。因此，采掘工作面水害预报和疏放是保障安全回采的关键。为了有效预防突水事故的发生，回采之前应探明工作面顶板富水情况，从而布设合适的钻孔进行疏放。为了减少工作面回采期间，导水裂隙带发育导致工作面水量增加的现象，通过分析计算导水裂隙带的发育规律。超前工作面裂隙带探放顶板水，是有目的、按计划地主动放水，而不是被动治水。文章综合利用钻探、井下物探和化探手段对3号回采工作面出水特征及水源进行了分析和预测，得知形成的导水裂隙带沟通顶板砂岩含水层是致使工作面出水的主要原因，采空区及回采工作面前方190 m范围为工作面主要出水区。根据导水裂隙带发育规律提出超前工作面裂隙带探放顶板水，形成了探测先行、分析验证、预测防治为一体的安全评价及防治技术与方法，确保采掘工作面安全掘进。