唐安煤矿3401 工作面顶板涌水防治技术应用研究_崔雅.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 1工程概况 山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公 司位于高平市马村镇境内， 北东距高平市 15.2km， 东 南距晋城市 32km。唐安煤矿分公司现开采 3 煤层， 开采标高为 600- 850m。矿井采用斜立井开拓方 式， 工业场地内布置主斜井和副斜井， 在井田中央布 置有掌握进风立井和龙背石回风立井，为高瓦斯矿 井。 本井田内可划分五大含水层组， 即 第四系砂砾石 层孔隙含水层组； 二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层 组； 二叠系下统山西组、 下石盒子组砂岩裂隙含水层 组；石炭系上统太原组砂岩夹薄层灰岩裂隙含水层 组； 奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组。除奥陶系 中统石灰岩含水层处于 3 煤层下部外，其余 4 个含 水层均位于 3 煤层上方。 井田内 3 煤层上覆岩性组 合为砂岩、 砂质泥岩， 为中硬岩层， 目前该矿开采 3 号 煤层，采煤方法为走向长壁与倾斜长壁相结合开采， 采煤工艺全部采用综合机械化低位放顶煤采煤， 全部 垮落法管理顶板。 唐安煤矿即将进行矿井西翼 4 采区 的开采，根据采区准备巷道采掘活动中顶板涌水情 况， 本区域顶板含水层区域富水性明显要强于原有地 质资料所阐述的情况，因此展开对于 3401 工作面开 采过程中顶板的涌水量进行研究和预测， 为工作面的 安全回采提供指导和借鉴。 23401 工作面导水裂缝带高度模拟分析 唐安煤矿 3401 工作面回采期间充水水源包括 采空区积水、 地表水和顶板含水层水， 根据以往的 生产经验工作面主要充水源为顶板含水层水。根据 唐安煤矿 3 煤层 4 采区的地质条件可知，工作面 回采期间顶上覆岩层破坏产生的裂隙为工作面涌 水的主要通道， 为具体的分析煤层覆岩变形破坏随 着工作面回采动态变化的特征， 根据唐安煤矿 3401 工作面具体的地质条件，采用 FLAC3D 数值模拟软 件对 3401 工作面的回采进行模拟。煤岩体采用摩 尔库伦本构模型， 模型尺寸长宽高 400 250400m， 3 煤层工作面采高 3.5m，平均埋深为 400m， 3 煤层开挖后采用一次性换充填材料模拟采 空区冒落矸石[1]， 模型示意图及数值模拟模型如图 1 所示。 唐安煤矿 3401 工作面顶板涌水防治技术应用研究 崔雅 （山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司 ， 山西 高平 048400 ） 摘要 唐安煤矿 3401 工作面的生产安全受到顶板涌水的威胁，为解决此类问题通过数值模拟、 理 论分析及计算等方法对顶板水害机理及防治技术进行研究，确定工作面回采引起的导水裂隙带高度 为 93m， 工作面上覆岩层含水层静态中储量为 84.3 万 m3， 预测 3401 工作面最大的涌水量为 789m3/h， 据此对 3401 工作面的采前顶板疏放钻孔和回采过程中排水设施进行设计， 3401 工作面回采期间实 际涌水量最大为 750m3/h， 设计的水害治理措施应用效果良好， 保证了 3401 工作面的安全正常回采。 关键词 顶板涌水 ； 数值模拟 ； 探放水； 中图分类号 TD745文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0053- 04 Application research on roof gushing prevention and control technology of 3401 working face in tang an coal mine CUI Ya （Shanxi Lanhua TechnologyVenture Co., Ltd., Tang an coal mine branch , Gaoping 048400 , China ） AbstractTangAn safetyproduction in coal mine 3401 workingface under the threat ofroofwater, in order tosolve this problembynumerical simulation, theoretical analysis and calculation for roof water damage mechanism and to study the prevention and control technology, determine the mining face caused by the water flowing fractured zone height is 93 m, the working plane reserves of 843000 m3 in the overburden rock aquifer static, predict 3401 face the biggest water inflowof 789 m3 / h, on the basis of the 3401 working face in the process of mining roof ShuFang before drilling and mining drainage design, 3401 mining face during the actual location of the maximum is 750 m3 / h, The designed water damage control measures have good application effect and ensure the safety and normal stopingof3401 workingface. KeywordsRoofgushing ; Numerical simulation ; Drain; 53 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 图 1三维数值计算模型 唐安煤矿 3401 工作面模拟的工作面长度为 220m， 工作面共推进 350m， 每开挖 5m进行一次分析 计算， 由于篇幅所限， 仅将典型的结果展示在图 2 中， 由图可知， 工作回采会使周围煤岩体产生一定范围内 的塑性破坏， 随着工作面推进距离的增大， 上覆岩层 塑性破坏范围逐渐增大， 并且逐渐趋于稳定。工作面 回采 30m时顶板塑性破坏范围较小， 约为 8.0m， 当工 作面回采 150m 时，上覆岩层塑性破坏高度达 29m， 并且在距离工作面 50m 的围岩内出现小范围的塑性 破坏区域； 当工作面回采 200m 时， 顶板塑性破坏高 度达到 65m； 工作面继续推进至 350m 时， 塑性破坏 范围高度达到 93m， 工作面继续回采， 上覆岩层的塑 性破坏高度稳定在 93m。 （a ）回采 30m（b）回采 70m （c ）回采 150m（d）回采 250m （e）回采 300m（f ）回采 350m （g ）回采 400m（h）顶板塑性破坏规律 图 2回采工作面覆岩变形破坏演化过程 34 采区 3401 工作面开采涌水量预计 工作面回采期间， 后方采空区的涌水量主要由静 态储量和动态补给量组成， 静态储量的值主要和工作 面后方采空区的面积、 导水裂隙带连通的含水层的厚 度和富水性相关， 动态补给量的值由顶板含水层的厚 度和渗透系数决定， 动态补给量随着采空区面积的增 大而增加， 当推进到一定程度后趋于稳定[2]。 通过第二 节的分析可知， 3401 工作面导水裂隙带发育高度约 为 93m， 因此 3 号煤层直接充水含水层为山西组砂岩 裂隙含水层， 据抽水试验数据该含水层属弱富水性含 水层； 间接充水含水层为下石盒子组砂岩含水层据抽 水试验数据， 该含水层属中弱富水性含水层。 图 3工作面涌水量构成示意图 3.1静态储水量 工作面回采后， 由于顶板岩层破坏使采空区与富 含水层连通， 静态储量的瞬时释放对采空区产生较大 威胁， 直接充水含水层静态储量的充水形式为弹性释 水和重力释水[3]， 弹性释水量 QtSFΔH（1 ） 式中 Qt为弹性释水量，单位 m3； S 为弹性储水 系数， 根据生产经验取 10-4； ΔH 为顶板砂岩承压水水 位降深， 单位 m3； F 为采空区面积， 单位 m2； 重力释水量 QzμFM（2 ） 式中 Qz为重力释水量，单位 m3； μ 为含水层重 力补给系数，根据经验取 0.05； F 为采空区面积， 单 位 m2； M为含水层厚度， 单位 m； 唐安煤矿 3 煤层直接充水含水层为山西组砂岩 裂隙含水层， 间接充水含水层为下石盒子组砂岩含水 层。唐安煤矿 3401 工作面长度为 220m， 推进长度约 为 1100m， ΔH 山西组砂岩裂隙含水层水位降深为 70m， 下石盒子组砂岩含水层水位降深为 150m， 带入 相应公式可得， 山西组和下石盒子组弹性释水量分别 为 0.8 万 m3、 1.5 万 m3，山西组和下石盒子组重力释 水量分别为 35.2 万 m3和 46.8 万 m3，唐安煤矿 3401 工作面上覆岩层含水层静态中储量为 84.3 万 m3。 3.2动态补给量 54 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 工作面回采期间， 顶板含水层中的水体通过顶板 导水裂隙带涌入工作面后方的采空区， 根据数值模拟 的结果， 当工作面回采 350m 时， 导水裂隙高度达到 最大， 此后动态补给量注逐渐趋于稳定， 采用集水廊 道法对 3401 工作面回采期间顶板充水量进行预测， 随着工作面的开采， 顶板含水层的水头降至煤层底板 以下， 采用承压 ～ 无压单侧进水模型进行计算[4] QLK （2H- M ） M- h 2 0 2R （3 ） 式中 Q 为涌水量，单位 m3/d;K 为渗透系数， 山 西组 0.063m/d，下石盒子组 0.142m/d； M为含水层厚 度， 山西组 32m， 下石盒子组 89m； L 为集水廊长度， 1100m； H 为水头高度，山西组 654m，下石盒子组 726m； h0为降水后水头高度， 取 0m。R 为影响半径， 单位 m； 将 3401 工作面具体的参数带入式 （3 ） 计算可知， 3401 工作面回采时顶板涌水量为 383m3/h。 3.3涌水量综合确定 唐安煤矿 3 煤层 3401 工作面动态补给量利用 集水廊道法计算正常涌水量为 383m3/h， 由于 3401 工 作面为 4 采区首采工作面， 工作面回采引起的顶板导 水裂隙较大， 井下通过顶板探放水钻孔的钻进及探放 的效果不理想等因素， 导致顶板岩层下石盒子组的静 储水量疏放难度较大， 当工作面回采约 350m 时导水 裂隙带导通该含水层， 开采期间造成最大涌水量的上 升， 并借鉴三采区 3301 首采工作面 （图 4 ） 采空区顶 板的涌水情况分析 3401 工作面最大的涌水量为 789m3/h。 图 43301 工作面实际涌水量 4工作面排水系统设计及应用 根据以上研究结果， 3401 工作面顶板静态储水 量为 84.3 万 m3，如果采前对下石盒子组砂岩含水层 的静态水体不进行处理，工作面推进 350m 作左右 时， 工作面面临淹井的危险， 因此设计采用探放孔进 行采前顶板静态水释放，钻孔的布置详情如图 5 所 示， 3401 运输顺槽共布置 22 个探放孔， 3401 辅运顺 槽布置 18 个探放孔， 探放高度约为 90m， 垂直于顺槽 的钻孔为主孔， 主孔两侧为副孔， 从切眼处开始施工， 当主孔的出水量小于 5m3/h 时， 即可以进行工作面的 正常回采及后续的疏放工程。根据 3401 工作面底板 的起伏情况，工作面涌水可自动汇集到 3401 辅运顺 槽距切眼 274m 处，此处开挖联络巷汇集工作面淋、 涌水， 配备 4 台 BQW275- 50- 90 型水泵， 保证排水能 力不小于 800m3/h。截止到 2019 年 5 月份,3401 工作 面已安全回采 700m， 工作面实际涌水量如图 5 （b ） 所 示。 工作面最大涌水量达 750m3/h， 实际涌水量与研究 结果情况较为接近。 （a ） 探放水钻孔布置示意图 （b） 3401 工作面实际涌水量 图 5工作面顶板探放孔布置及实际涌水量 5 结论和建议 根据唐安煤矿 3401 工作面详细的地质条件， 通 过理论分析、 数值计算及数值计算等方法， 获知工作 回采期间上覆岩层导水裂隙带发育高度为 93m， 工作 面直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层， 间接充 水含水层为下石盒子组砂岩含水层， 通过计算求得工 作面上覆岩层含水层静态中储量为 84.3 万 m3，预测 3401 工作面最大的涌水量为 789m3/h， 据此设计 3401 工作面采前的顶板疏放和回采期间的排水设施， 现场 应用表明取得了很好的治理效果。 参考文献 [1] 方刚.巴拉素煤矿先期开采地段顶板涌突水危险性评价 及防治措施[J].煤矿安全,2018,49 （12） 189- 193199. [2] 李东,刘生优,张光德,徐会军,赵宝峰.鄂尔多斯盆地北部典 （下转第 58 页 ） 55 ChaoXing （上接第 55 页 ） 型顶板水害特征及其防治技术[J].煤炭学报,2017,42 （12） 3249- 3254. [3] 潘磊,秦成,郑子明.复杂构造区顶板水害预测研究[J].能源 与环保,2017,39 （06） 190- 194. [4] 张亚南.钱家营矿 2875 东工作面 5 煤层顶板水害的综合治 理与研究[J].中小企业管理与科技 （上旬刊 ） ,2015 （07 ） 76. 作者简介 崔雅 （1989-） ， 山西高平人， 2012 年毕业于山西电视广 播大学行政管理专业， 助理工程师， 从事地质灾害防治与测 量工作。（收稿日期 2019- 6- 3） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 75、 90， 每个钻场共约 16 个钻孔。 4瓦斯综合治理效果 庞庞塔矿 9- 101 工作面上方高抽巷施工完成后， 在高抽巷内布置上向钻孔抽采上覆采空区内的瓦斯， 对 9- 101 工作面过程中高抽巷实际抽采浓度、 抽采纯 量进行监测， 得到如图 3 所示的结果， 根据图 3 （a ） 所 示的结果可以看出， 9- 101 工作面回采初期，高抽巷 瓦斯抽采量较小，而工作面通风排出的瓦斯量较大， 此时工作面顶板岩层中裂隙较少， 大量瓦斯无法弥散 到高抽巷， 大量的瓦斯通过风排排出工作面， 随着工 作面推进， 高抽巷内瓦斯浓度逐渐增大， 风排瓦斯含 量逐渐减小， 最终趋于平稳， 高抽巷和风排瓦斯总量 约为 8.5m3/min。 由图 3 （b ） 所示的结果可知， 9- 101 正 常 回 采 期 间 ， 高 抽 巷 内 瓦 斯 抽 采 纯 量 为 6.39～11.15m3/min， 平均为 8.29m3/min， 抽采气体的体 积占供风量的 15左右， 但抽采瓦斯的量达到 9- 101 工作面涌出瓦斯总量的 90左右，高抽巷抽出瓦斯 率较高， 抽采效果稳定且良好。 （a ）工作面回采初期（b） 工作面正常回采期间 图 3工作面回采期间瓦斯纯量及抽采浓度和抽采率统计 图 49- 101 工作面瓦斯浓度监测结果 庞庞塔矿 9- 101 工作面瓦斯 90的通过高抽巷 排出， 工作面回采期间 1011 顺槽 （回风巷） 和上隅角 瓦斯浓度的监测结果如图 4 所示， 1011 顺槽内瓦斯 含量在 0.18～0.31之间， 上隅角瓦斯含量在 0.35 ～0.56之间， 工作面风流内瓦斯含量很低， 有效的控 制了上覆采空区瓦斯流入工作面， 杜绝了上隅角瓦斯 超限的发生， 满足工作面正常安全生产的要求。 5结论 通过对庞庞塔矿 9 煤层一采区进行取样得知， 9- 101 工 作 面 附 近 9 煤 层 瓦 斯 含 量 为 0.69～2.45m3/t， 远远超过原本预计的值， 利用分源预测 法对 9- 101 工作面投入生产时期最大瓦斯涌出量进 行预测， 结果表明， 预计 9- 101 回采工作面瓦斯相对 瓦 斯 涌 出 量 为 1.84m3/t， 绝 对 瓦 斯 涌 出 量 为 10.65m3/min，根据工作面具体的地质和开采技术条 件，设计采用高抽巷与钻孔综合抽采技术治理瓦斯， 现场应用及观测结果表明， 高抽巷抽采气体的体积占 工作面供风量的 15左右，但抽采瓦斯的量达到 9- 101 工作面涌出瓦斯总量的 90左右， 高抽巷抽出 瓦斯率较高； 1011 顺槽内瓦斯含量在 0.18～0.31 之间， 上隅角瓦斯含量在 0.35～0.56之间， 工作面 瓦斯浓度很低， 保证了工作面的安全正常回采。 参考文献 [1] 谷伟.特厚煤层综放工作面瓦斯综合治理技术[J].江西煤 炭科技,2019 （02） 145- 147. [2] 殷宏.余吾煤业高强度立体式瓦斯综合抽放技术[J].现代 矿业,2019,35 （04） 201- 202. [3] 张红义.煤矿瓦斯治理技术研究[J].内蒙古煤炭经济,2019 （02） 101100. [4] 韩兵.厚煤层综放工作面上隅角瓦斯抽放方法研究[J].能 源与环保,2019,41 （01） 17- 22. 作者简介 王鹏洲 （1990-） ， 男， 山西晋城人， 2016 年 1 月毕业于太 原理工大学采矿工程专业， 助理工程师， 现从事煤矿生产技 术工作。（收稿日期 2019- 7- 10） 58 ChaoXing