陆成煤业采空区水害防治方法的设计应用

刘志强

（山西煤炭进出口集团 洪洞陆成煤业有限公司，山西 临汾 031600）

1 概 况

陆成煤业井田面积12 km2，生产能力56 万t/a，井田内主采3 号、5 号煤层。3 号、5 号煤均属优质煤，3 号煤层平均厚度0.82 m，5 号煤层平均厚度2.1 m，3 号煤层和5 号煤层层间距35.5～46.2 m。煤矿前期开采5 号煤层形成较大范围的老采空区，且老采空区有积水。后开采3 号煤层时，由于两煤层间距不远，采空区垮落形成的导水裂隙带导致采空区积水流入3 号煤层开采区，形成水害危险，极有可能引发煤矿突水灾害。因此，对该矿井3 号煤层开采中水害防治的设计研究非常重要。通过模拟研究3 号煤层开采过程中导水带裂隙发育情况以及围岩变形变规律，分析采空区积水的危险性，进而展开水害防治技术的设计应用。

2 覆岩活动规律及导水裂隙带高度研究

2.1 水文地质情况

陆成煤业3 号煤层因受地质环境影响，只有部分区域可开采，5 号煤层全区可开采，由于前期开采，5 号煤层存在大范围的老采空区。3 号煤层与5 号煤层平均间距41 m，煤层埋深280～380 m，底板标高980—1 050 m，煤层赋存单一，无断层及岩浆活动。

矿井水源来源有4 个方面，即地下水、地表水、老窑水以及大气降水，矿井供排水系统设置较为完善。根据经验计算可知导水裂隙带高度为22 m，导水裂缝带发育高度可依据经验公式结合相似模拟实验研究。

2.2 模型设计

模拟实验利用已有的1∶1 000 的平面应力架模型，长×宽×高为3 m×20 m×2 m。1220 工作面模拟开采走向剖面图如图1 所示。

图1 工作面模拟开采走向剖面图Fig.1 The simulation mining strike profile of working face

2.3 监测设计

为了研究顶板岩层的位置变动，在3 号煤层1220 工作面顶板6 m、26 m 岩层处放置2 条检测线，编号a、b；5 号煤层放置3 条检测线，分别位于5 号煤层顶板4、24、44 m，检测线上设置监测点，每条线设计14 个检测点，并编号c～e，如图2 所示。采用全站仪对设置的各个点进行竖向移动监测。

图2 模拟实验监测设计Fig.2 The monitoring design of simulation experiment

2.4 监测结果分析

为模拟实际开采过程，5 号煤层开采前128 m采用留隔水煤柱开采模式，采8 留7，以模拟小煤窑开采现象，保留20 m 隔水柱后进行长壁后退式开采。开采过程中，煤柱及围岩保持稳定，形成大量采空区，顶板淋水情况下，会形成积水采空区。5 号煤层工作面推进40 m 处，发生顶板第一次垮落，高度大于50 cm，之后逐渐增加，推进60 m处，距离顶板5 m、6 m 处出现层理一致的水平裂纹，之后逐渐发展，直至92 m 处，顶板岩层裂缝发展至距离顶板22 m 处，距离顶板22 m 处层间竖向间隙达到最大，为0.3 m。

3 号煤层模拟开采试验采用长壁开采的形式，使用滚筒类机械开采，采高1.2 m。在1220 工作面开采推进32 m 时，距离煤层顶板1 m、3 m 处开始出现岩层层理微裂纹，随后逐渐扩展，推进44 m时，直接顶垮落，垮落高度距顶板3 m，之后逐渐增加，模拟开采中经历1 个初压和6 个周期性来压，平均来压步距19 m。工作面推进164 m 时形成3 号和5 号煤层贯通的垂向裂隙，之后垂向裂隙整体闭合效果不佳，因此3 号煤层开采过程中，工作面推进164 m 处时，应加强防水设计。

对5 号、3 号煤层开采过程地表竖向位移变化进行监测，两煤层模拟开采完毕后，得到如图3 所示的竖向位移变化曲线图。由图3 可知，3 号煤层开采完成后，地表最大下沉748 mm，发生在距离开切眼170 m 处。

图3 模拟开采完毕后地表测点竖向位移变化曲线Fig.3 The vertical displacement curve of surface measuring point after simulating mining

3 防水方案设计

防水设计从两个方面展开，老采空区积水探放和相邻采空区防水墙设计。

3.1 老采空区积水探放

探放老采空区积水，首先应确保排水系统完善，准备好堵水物资，此外，还需监测瓦斯浓度，做相应通风工作，过程中还要确保煤壁安全可靠，安全通道畅通无阻。老采空区积水探测往往不是一次性确定的，一般均要经过探水—掘进——探水不断循环的过程，需确定超前距、超前检测孔洞，从而开始探放，根据矿井实际特点，控制超前距在20 m，探放水钻孔布置如图4 所示。

图4 探放水钻孔布置Fig.4 The layout of water exploration and drainage drilling holes

3.2 防水墙设计

对老采空区积水采用探放方式防治，然后进行回采，回采完成后，相邻采空区仍然需要做防水设计。经过分析研究，决定采用永久性防水墙进行防治水设计，预防采空区积水流入下面的采面，干扰之后的开采作业。

防水墙的设计首先要考虑其承受水压的情况，根据已有资料，设计承受压力为1.0 MPa；其次是断面尺寸，已知巷道高3 m，宽5 m，设计防水墙断面尺寸可适当加大，设计为高4 m，宽6 m，尺寸随实际施工过程做调整；墙体材料强度也有一定的要求，应具有56 kg 的抗压能力，以及16 kg 的抗剪能力，因此采用C25 的混凝土设计制作防水墙；此外，防水墙的稳定性与巷道围岩强度有很大关系，墙与围岩要粘结牢靠，设计粘结力0.22 MPa，实际施工过程中可适当调整。

3.2.1 防水墙厚度设计

防水墙厚度设计可根据混凝土强度计算：

式中：L为防水墙设计厚度，m；K为安全系数，取2.5；P为抗水压力，为1.0 MPa；τ 为混凝土允许抗剪强度，为1.6 MPa；n为巷道断面系数，取1；a=0.7，m=0.35 为经验系数；L0为应力回升段长度，为2 m。

带入数据计算得，防水墙设计为高4 m，宽6 m，厚2.3 m。

3.2.2 锚杆设计

选择φ18 mm 的钢筋做灌浆锚杆，孔径设计为60 mm，间距1.5 m，分别设计顶部、底部锚杆为1.8 m、4.3 m，双侧锚杆设计为3.3 m。在实际施工之前，要在现场对设计的锚杆进行试验，锚杆、压浆管、导向支架施工示意图如图5 所示。

图5 锚杆、压浆管、导向支架施工示意Fig.5 The construction diagram of bolt grouting pipe and guide support

施工中做锚杆拉拔实验时，先求解D1、D2、D3 对应的应力值，然后对其进行组装，先与φ18 mm 的钢筋应连接成一个直线，在进行钢筋组装，严格控制焊接质量，孔内要求注1∶1.2的水浆泥液。

3.2.3 后压浆设计

在巷道周边岩壁上稳定配置压浆管，封存孔洞后进行混凝土浇灌工作，混凝土浇灌完成，等待强度达到要求后，开始在防水墙壁上注浆，配比1∶1，分段施工，整个注浆作业分3 次施工，保证压力逐渐提升。

3.2.4 蓖子门设计

防水墙上需配置泄水孔和泄水闸阀，为预防堵塞进水口，在墙上15 m 处设计蓖子门。

4 应用情况

在3 号煤层1220 工作面开采过程中实际应用所设计水害防治措施，回采前先对5 号煤层老采空区进行探放水，然后对3 号煤层进行开采，开采完成后相邻采空区设计施工永久性防水墙，严格按照设计及施工要求进行施工。工程应用中，工作面开采作业稳定持续120 d，工作面顺利开采430 m，采煤量达5.23 万t，整个开采过程中并未发生涌水，采空区积水得到了有效的控制。

5 结 论

陆成煤业主采3 号、5 号煤层，前期主采5 号煤层，在3 号煤层开采时，采空区积水可能由导水裂隙带流入开采工作面，发生水害危险，为进行安全可靠的开采，需对3 号煤层开采进行防水设计。

（1） 利用模拟试验开采分析3 号、5 号煤层开采覆岩活动规律以及导水裂隙带发育情况，可知3 号煤层开采过程中有周期性来压，平均来压步距为19 m。模拟推进完成后，距开切眼170 m 处顶板达最大下沉748 m。3 号煤层开采后的导水裂隙带高度为15.5 m，采空区积水可能向下击穿5 号和3 号煤层部分闭合垂向裂隙带，导致水害发生。

（2） 根据模拟试验结果，需对3 号煤层开采进行防水设计，分两步完成，首先是老采空区积水的探放，其次是相邻采空区防水墙的设计。

（3） 严格按防水设计进行防水施工，实际应用于1220 工作面的开采作业中，开采作业稳定持续120 d，工作面顺利开采430 m，采煤量达5.23万t，整个开采过程中并未发生涌水，表明该方案适用于该矿井采空区水害的防治，保障了煤矿的安全生产。