含水层下工作面安全开采技术研究

李吉祥

（山西乡宁焦煤集团 台头前湾煤业有限公司，山西 乡宁 042103）

工作面水患是制约矿井安全高效开采的重要因素，尤其在采场上方存在含水层的情况下，一旦在开采区域进行回采活动，可能会导致上方顶板发生周期性断裂，导水裂隙带从工作面顶板一直延伸到含水层中，造成工作面顶板淋水、采空区积水等现象，导致围岩强度降低，巷道容易发生失稳，严重威胁工作面安全生产。因此，探究含水层下工作面安全开采技术，已成为当前诸多矿井安全高效开采的重要课题。本文以台头前湾煤业2S202工作面为工程背景，采用瞬变电磁探测技术、顶板超前探放水技术和工作面合理开采相结合的方式进行2S202工作面水害综合治理工作。

1 概 况

台头前湾煤业2S202综采工作面位于矿井运输大巷以南，东、西、南向为保安煤柱。工作面地面标高+1 329.1—+1 416.4 m，井下标高+1 185—+1 210 m，工作面开采2号煤层，平均厚度3.0 m、平均倾角5°，煤层结构稳定、赋存状态简单。2S202工作面直接顶为3.0～5.0 m黑灰色泥岩、粉砂岩及细粒砂岩，老顶为7.0 m厚的深灰色泥岩、粉砂岩，顶板含0～2层黑灰色泥岩夹矸，底板为2.0 m的泥岩、粉砂岩等，其物理力学参数见表1。

表1 2S202顶底板物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of roof and floor of No.2S202 face

2S202工作面顶板上方存在K8砂岩含水层，距离2号煤层35.0 m，含水层性质为弱富水层。根据附近矿井开采实际情况，回采后垮落带、导水裂隙带可直接连通含水层，使含水层直接向工作面产生充水，在2S202工作面巷道掘进过程中，顶板有淋水现象。因此，针对该工作面实际情况，需要着重对工作面开采过程中的防治水措施进行探究。

2 2S202工作面含水层下开采危险性分析

2.1 导水裂隙带高度

一般来说，随着工作面的不断推进，上方顶板会因矿山压力的作用产生变形移动和破坏，根据不同的破坏状态，可以将上覆岩层划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。对于存在上方含水层的开采工作面而言，其垮落带和裂隙带对导水通道起到至关重要的影响。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，按照2S202工作面顶底板岩性参数，对于近水平煤层中的中硬顶版工作面开采垮落带和裂隙带计算公式如下：

根据以上公式，代入开采高度M=3.0 m，计算后可知2S202工作面垮落带高度为6.56～11.56 m，裂隙带高度为30.11～41.31 m，即2S202工作面垮落带高度在9.0 m左右，裂隙带高度在35.0 m左右，表明K8砂岩含水层对2S202工作面开采存在涌突水危险。

2.2 矿压显现对工作面影响分析

根据周边相邻工作面的矿压显现规律推测，2S202工作面顶板初次来压步距为30.0 m、周期来压步距为15.0 m。工作面从切眼向前推进时，0.5 m厚的伪顶首先脱落，继续向前推进3～5 m的直接顶逐渐垮落，直至推进至30.0 m时，7.0 m厚的基本顶出现第一次垮落，此时上方裂隙发育仍未贯穿至含水层。继续推进工作面，裂隙逐渐向含水层位置发育，出现贯通，此时贯通导水主要向采空区流动，工作面和巷道受影响较为有限。

随着2S202工作面继续向前推进，基本顶及上方顶板垮落距离逐渐缩短，导水裂隙贯通速度和范围逐渐增加，裂隙内积水逐渐出现。此时随着时间的增加，采空区和顶板上方积水会向工作面和巷道涌入，产生突水危险。

3 2S202工作面防治水实践措施

防治水的关键是能够准确判定水量大的位置，并采取有效封堵、疏通等措施。根据当前防治水技术特点并结合台头前湾煤业2S202工作面实际，采用瞬变电磁探测、超前疏干及合理设计开采方式等措施进行综合治理。

3.1 瞬变电磁探测技术

瞬变电磁探测法是确定含水层富水程度和导水裂隙带发育程度的有效方式之一。对2S202工作面导水裂隙带进行探测，分别在99、84、69、54、39、24、9号支架处向顶板进行剖面探测，测试起始角度为与煤壁法线呈45°，以15°为间隔，按照逆时针方向共计测试7个角度至135°位置，如图1所示。

图1 探放水钻孔布置剖面图Fig.1 Layout profile of water exploration and drainage drilling hole

3.2 顶板超前探放水技术

由于2S202工作面倾角较小，顶板含水层富水性一般，可以采用边开采边超前疏干的方式进行排水，保证工作面正常匀速开采并使含水层的水尽量流向采空区，防止采场上方出现淋水现象。根据导水裂隙带发育高度，并结合工作面矿压显现规律，确定超前探放水钻孔垂高为35.0 m，覆盖含水层；水平宽度取为采宽的1/3，为30.0 m；钻孔在巷道中的排距以周期来压步距为依据，取15.0 m；钻孔直径为50 mm，长度为46.0 m，倾角为49.4°。钻孔布置剖面如图2所示。

图2 探放水钻孔布置剖面图Fig.2 Layout profile of water exploration and drainage drilling hole

3.3 工作面合理开采

合理的安全开采措施是实现2S202工作面正常生产的重要手段，在回采中制定的防治水措施，具体如下：①回采时必须对回采工作面进行交叉探水；②完善工作面的防排水系统，运输巷道、回风巷道必须各安设1趟3寸排水管路，配备专用排水泵；③设专人负责检查、维护排水设备及管路，必须保证排水设备的畅通，保证完好；④对防治水工作的重点区域必须制定专项防治水措施，严格贯彻落实；⑤在工作面回采时，密切注意各处漏水、涌水变化量，发现异常时进行充分处理后，方可继续正常回采。

4 工作面安全开采效果

2S202工作面布置探放水钻孔60个，累计泄水量19 200 m3。通过探放水的疏干作用，顶板淋水现象明显减弱，垮落到采空区的顶板岩石湿润性明显降低，采空区积水现象明显改善。

对巷道顶板富水区域进行围岩变形进行监测，如图3所示。可以看出，随着时间的推移，巷道围岩变形量逐渐趋于稳定，变形速度逐渐趋于0，说明工作面两巷未受积水影响，确保了巷道可以长期安全高效开采。采用行之有效的探放水措施后，也减少了2S202工作面的配巷工程量和搬家移动设备的次数，延长了矿井服务年限，取得了良好的经济社会效益。

图3 顶板富水巷道围岩变形分析Fig.3 Deformation analysis of surrounding rock of roof water abundance roadway

5 结 语

通过导水裂隙带发育高度和矿压显现规律对台头前湾煤业2S202工作面上覆含水层对工作面开采的危险性进行了分析，确定采用瞬变电磁探测、超前疏干排放水和合理开采等综合措施进行工作面防治水管理。实践表明，采取这些措施后，顶板淋水现象明显减弱，巷道围岩变形量逐渐趋于稳定，取得了良好的社会经济效益，避免了涌突水事故的发生，保障了矿井长期安全高效生产。