慈林山矿上覆采空区积水煤层开采突水危险性评价

张楠

（潞安化工集团慈林山煤业有限公司 慈林山煤矿，山西 长子 046605）

1 概 况

潞安集团慈林山煤矿井田范围内主要可采煤层为3 号、9 号煤层，3 号煤层赋存稳定，结构复杂，含1～2 层夹矸，平均煤厚为5.8 m，煤层结构为1.5（0.3） 1.1（0.3） 1.4（0.7） 0.5；9 号煤层赋予太原组中下部，上距3 号煤层73.90～95.15 m，平均88.02 m，煤层在该工作面呈一单斜构造，倾向为东西向，走向为南北向，煤层倾角之间2°～6°，平均4°，为近水平煤层，煤层厚1.25～4.66 m，平均3.62 m，局部含1 层泥岩夹矸，煤层结构简单，属稳定的大部可采煤层。

9101 工作面位于首采区+230 水平，盖山厚度为783～805 m，主采9 煤，工作面最大倾斜长度179 m，走向长910 m。9101 工作面对应地表范围内北部为慈林山矿煤场及保安煤柱，该工作面为9号煤层首采工作面，工作面北部为西区暗斜井系统，南部为井田边界，西部为规划的9102 工作面，东部实体煤，工作面上方对应3103 工作面、3102工作面采空区。

经多年开采，3 号煤层形成大量的采空区，部分采空区存在采空积水，给下伏煤层开采造成潜在危险。为确定9101 工作面回采是否导通上覆采空区积水，对3 号煤层底板破坏深度和9 号煤层回采顶板导水裂缝带发育高度进行研究。

2 9 号煤层开采导水裂缝带发育高度综合研究

2.1 经验公式预测9 号煤层导水裂缝带高度

由于慈林山矿9 号煤层现阶段未进行采煤工作面回采作业，无法通过现场实测得到采空区覆岩导水裂缝带发育的实际情况，因此通过相关经验公式进行预测。根据“三下规范”和《煤矿防治水细则释义》等相关规定，导水裂隙带最大高度计算公式见表1。

表1 导水裂缝带发育高度经验公式Table 1 Empirical formula of water conduction fracture zone development height

慈林山矿9 号煤层与3 号煤层之间的岩层主要岩性及其厚度如图1 所示，主要由泥岩、灰岩、砂岩及少部分煤层组成，属于典型的坚硬岩层，因此确定9 号煤层回采工作面覆岩导水裂缝带高度公式如下：

图1 层间岩层岩性及厚度示意Fig.1 The lithology and thickness of interlayer rock layer

式中：∑M 为煤层厚度，m；Hli为覆岩导水裂缝带高度，m。慈林山矿9 号煤层平均厚度取3.62 m，通过式（1） 计算得到其导水裂缝带高度为48.16～65.96 m，通过式（2） 计算得到其导水裂缝带高度67.07 m，由此可初步确定慈林山矿9 号回采工作面覆岩导水裂缝发育最大高度为65.96～67.07 m。

2.2 导水裂缝带发育高度模拟研究

根据9101 工作面现场地质条件及工程实际，建立FLAC3D 数值模型，具体参数见表2。建立模型的走向长度为440 m，倾斜长度360 m，高度148.6 m，其中共有个756 980 个网格，648 540 个节点，模型实际情况如图2 所示。

图2 三维数值模型示意Fig.2 Three dimensional numerical model

表2 慈林山矿9101 工作面顶底板主要岩层力学参数Table 2 Main rock layer mechanics parameters of roof and floor of No.9101 face in Cilinshan Mine

9101 工作面沿走向方向推进，距离模型左边界90 m 处开切眼，倾向方向开挖180 m，前后留设90 m，每次开挖20～30 m，计算2 000 时步，走向推进最大距离为240 m。分别截取模拟过程中开挖180、210、240 m 塑性区发育情况，分析随着工作面向前推进覆岩破坏的演化过程，统计覆岩导水裂缝带发育高度随回采长度变化规则，具体情况如图3 所示。

图3 数值模拟分析结果Fig.3 Results of numerical simulation analysis

根据数值模拟结果可知，随着工作面的不断推进，覆岩塑性区破坏范围增大，当工作面开挖180 m，顶板塑性破坏去边缘呈“马鞍形”，此时破坏范围最大值为64.2 m；当开挖至210 m 时，顶板破坏高度增幅很小，最大高度69.6 m；当继续开挖至240 m，塑性区破坏范围不再增加，由此可知，9号煤层回采期间顶板岩层导水裂缝带最大发育高度范围为69.6 m。

3 3 号煤层回采引起底板破坏深度实测研究

井下俯孔压水试验法普遍用于采场底板裂隙发育情况的测试，通过在钻孔内安放封堵胶囊，达到在钻孔特定深度注水的目的，根据不同钻孔不同深度注水的流失量，判别此处岩层的裂隙发育情况，裂隙越发育漏失量越大。

为确定慈林山矿3 号煤层回采对底板岩层的破坏深度，在3103 运输巷布置1 个钻孔，对采场底板破坏深度进行测试。根据收集的矿井的生产资料，3103 运输巷与3102 回采工作面的采空区基本位于同一层面，两者间有25 m 的保护煤柱，因为钻窝宽2 m，因此钻孔的开口位置距离采3102 采空区的水平距离为23 m，钻孔布置形式如图4 所示。

图4 压水钻孔布置剖面Fig.4 Profile of water pressure drilling hole layout

测试孔最初采用φ127 mm 钻头钻进，当钻孔钻至较完整岩层时，安放直径108 mm 的套管，套管与孔壁间用高标号水泥封堵，套管外壁与钻采用水泥浆液封堵。待套管安装牢固后，用直径75 mm的钻头继续钻进。钻孔施工完成后关闭套管上的阀门，避免瓦斯、积水持续流入施工巷道。试验过程中，为保证试验探测底板破坏深度的准确性，钻孔控制注水压力表数值（水头压力值） 为+0.6 MPa，确保孔内的注水压力为恒定值0.6 MPa。观测孔压水试验施工情况见表3，钻孔漏失量如图5 所示。

图5 钻孔漏失量曲线Fig.5 Drilling hole leakage curve

表3 俯孔注水实验记录Table 3 Record of water injection experiment in downward hole

分析可知，钻孔深度为0～15 m 时，距离采空区底板较远，此时压水流量较小；钻孔深度为21 m 时，垂深为10.5 m，测试位置在采空区下方，压水流量达到最大为8.48 L/min，较前面2 组数据大幅度变大，说明该处底板岩层受到采动影响；钻孔深度为21～27 m 时，垂深为10.2～13.5 m，压水流量总体呈上升趋势，并在钻孔深度达到27 m、垂深为13.5 m 时达到本次实验的最大值11.74 L/min，说明这段裂隙发育；钻孔深度为27～42 m时，垂深为13.5~21 m，压水流量呈降低趋势，平均压水流量仍然保持在较高水平，说明这段裂隙较为发育。钻孔深度为42～48 m 时，垂深为21～24 m，压水流量大幅度衰减，并在钻孔深度48 m 之后一直保持在较低水平。根据钻孔压水试验数据，判断3102 工作面底板破坏带深度范围为21 m。

4 结 语

依据上文理论分析计算预计9 号煤层导水裂缝带发育高度为65.96～67.07 m，数值模拟研究表明导水裂隙缝带发育高度最大值为69.6 m，综合研究确定9 号煤层导水裂缝带发育高度为65.96～69.6 m，3 号煤层回采底板破坏深度实测值为21 m，由此可知9 号煤层导水裂缝带及3 号煤层底板破坏深度之和为86.96～90.6 m，3 号与9 号煤层间岩层厚度为73.90～95.15 m，说明9 号煤层回采将导通上方3 号煤层采空区，因此3 号煤层采空区积水威胁9 号煤层工作面的回采，9101 工作面开采前需对上覆3 号煤层采空区积水进行疏放。