工作面顶板含水层冒裂带分析及防治水措施

常金鹏

（潞安化工集团蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

1 工程概况

黑龙煤业2103 工作面倾向长度 （切眼）190.5 m，走向长度655 m。 工作面开采9+10+11号煤层，9 号煤平均厚度0.8 m，10 号与11 号煤层合并，10+11 号煤平均厚度4.8 m；9 号煤与10+11 号煤之间有一层均厚为1.6 m 的夹矸。3 层煤层均厚为7.2 m，煤层顶底板特征如表1 所示。

表1 煤层顶底板岩层特征

2103 工作面采用综合机械化放顶煤开采，采高3.0 m，放煤高度为2.6 m。 工作面顶板K2、K3、K4灰岩层为顶板主要含水层。 K2灰岩致密坚硬，均厚13.7 m，整体富水性较弱；K3灰岩致密坚硬，均厚14.2 m，整体富水性弱而不均匀，与工作面间间距为25～33 m；K4灰岩层均厚16 m，相对K2、K3，灰岩层含水性有所增强，局部区域富水性强，K4含水层与工作面煤层的间距为75～120 m。

2 顶板含水层冒裂程度分析

2103 工作面的顶板岩层为灰岩，岩性致密坚硬，煤层平均厚度为7.2 m，根据《煤矿防治水细则》中关于煤层厚度在3～12 m，坚硬顶板工作面导水裂缝带经验计算公式计算导水裂缝带高度，如下[1-3]：

式中：H 为导水裂缝带的发育高度；M 为煤层厚度；煤层均厚为7.2 m。 结合工作面内钻孔地质资料，将上述参数代入式（1），得到工作面内各个钻孔煤厚及导水裂缝发育最大高度，情况如表2 所示。

表2 导水裂缝带发育高度统计

根据工作面范围内导水裂缝带发育高度的数据资料，采用ArcGIS 软件绘制出工作面区域内导水裂缝带的分布图，如图1 所示。

图1 2103 工作面区域导水裂缝带发育高度分布

当工作面顶板隔水层的厚度小于导水裂缝带的发育高度时，此时在采掘扰动下，煤层顶板垮落后，顶板含水层会从顶板中涌出发生突水事故。 根据上述导水裂缝带发育高度的计算结果可知，工作面回采后导水裂缝带的发育高度均超过煤层顶板隔水层的厚度（75～120 m），工作面整体处于顶板冒裂带危险区内，回采前需采取有效的防水措施。

3 防治水技术方案

3.1 巷道掘进期间的防治水措施

为防止2103 工作面掘进期间顶板含水层发生突水事故，在运输巷和回风巷掘进期间均采用物探+钻探相结合的防治水措施，具体如下：

物探技术：现以运输巷为例进行说明。 工作面运输巷掘进期间采用瞬变电磁法进行顶板K2含水层富水性及构造裂隙发育程度的探测分析[4]。探测在顶板上30°方向上布置物理测点11 个，测点与巷道掘进方位角间的夹角分别为0°、±10°、±20°、±30°、±40°和±50°，具体测点布置方式如图2 所示。

图2 瞬变电磁法超前探测布置

巷道掘进期间循环进行瞬变电磁探测作业，每次探测的覆盖长度为130 m，超前距30 m，即探测安全后，允许掘进进尺100 m。 现以运输巷运2#测点前50 m 迎头处探测作业为例进行分析，根据探测结果可知，迎头前方100 m 范围内视电阻率等值线变化特征如图3 所示。

图3 顶板上30°方向视电阻率等值线

分析图3 可知，运2#测点前50 m 迎头前方70 m 位置出现电阻异常，表明顶板存在富水区域，且掘进前方构造较为发育。 产生富水的原因主要是裂隙发育导致的。 巷道掘进通过该区域前，需采用疏放水措施后方可掘进。

运输巷掘进期间，物探实施后，采用钻探对物探结果进行验证。 探放水钻孔在巷道迎头处施工，施工角度向上30°，钻进平距为130 m，钻孔布置方式如图4 所示。 通过钻孔验证能够有效疏放巷道前方物探预测的富水区域，若物探前方无富水区域，钻探验证后，仍无出水现象，巷道即可继续向前掘进。

图4 探放水钻孔布置平面

3.2 回采期间防治水措施

工作面回采前，巷道掘进期间已对工作面周围环境中的富水区段进行了疏放，但工作面内仍可能存在不确定的顶板富水区段，工作面回采期间防治水措施如下：

（1）通过钻探和物探分析，如回采前方区域含水层无补给情况时，此时通过两回采巷道向工作面内打疏放水钻孔，对物探分析出的低阻异常区域进行疏放作业。

（2）当顶板含水层存在补给无法疏干时，采取增加疏放钻孔，工作面回采作业与放水作业同时进行。 当工作面回采至放水钻孔区域时，再对钻孔进行封闭；打设下一循环的放水钻孔。

（3）排水沟设置：如通过钻孔疏放仍难以疏水降压，在工作面两侧设置排水沟，对顶板淋水进行集中收集处理。

（4）防水煤柱留设：工作面内存在断层时，会破坏岩层的完整性，断层区域常为顶板水的导水通道，当断层区域富水性较大，且顶板存在补给水源时，应留设防水煤岩柱，防止发生突水事故。 根据防治水相关规定[5-6]，防水煤柱留设宽度的计算公式如下：

式中：L 为防水煤柱的留设宽度；M 为煤层厚度或采高，取工作面煤层最大厚度8 m；KP为煤的抗拉强度；P 为实际水头值；K 为安全系数，一般取为2～5。 根据2301 工作面顶板含水层的赋存特征，取K=5，P=1.93 MPa，KP=0.35 MPa，M=8 m，基于上述数据代入式（2）；计算得出：L=81 m。具体工作面防治水煤柱留设如图5 所示。

图5 断层区域防水煤柱留设

3.3 工程应用效果

2103 回采工作面在巷道掘进期间采用物探+钻探的防治水措施后，巷道掘进期间无顶板突水，回采期间局部富水区域顶板仅有少量淋水，亦未出现突水现象，防治水措施有效保障了工作面的安全掘进和回采。

4 结语

根据2103 工作面顶板含水层的赋存特征，通过顶板含水层冒裂程度分析，得出工作面全区均处于顶板含水层冒裂危险区内。 基于顶板冒裂程度分析结果，分别对回采巷道掘进及工作面回采期间的防治水措施进行设计，防治水措施保障了工作面的安全掘进和回采。