郭亮亮

（山西沁和能源集团有限公司候村煤矿，山西 晋城 048000）

工作面回采煤层顶板垮落后形成的导水裂缝极易与工作面上方的老空积水联通，给工作面安全回采造成较大威胁［1-4］。以候村煤业15105采煤工作面为工程背景，采用理论计算分析、摩尔-库仑本构数值模拟分析，掘进顺槽进行物探探测和钻孔进行验证，对老空水治理技术进行研究。

1 工程概况

候村煤业15105工作面开采15号煤层，全部垮落法管理顶板，工作面平均埋深251.4 m，工作面走向长度362.71 m，倾斜长100 m。15号煤层赋存稳定，平均煤厚4.5 m，煤层厚度变化不大，煤层平均倾角为4°。15105工作面北侧为东辅运大巷，东侧为104工作面辅运顺槽。在15105工作面上方是13号煤层13101已采工作面采空区，13101综采工作面采空区平均埋深185 m。为进一步查清15105工作面回采前方地质及水文地质情况，确保安全生产，依据“物探先行”的原则，探测方法选择瞬变电磁法，经测定积，水范围在13101工作面局部低洼处，采空区积水约36 000 m3。15105综采工作面进行试生产时，顶板局部有淋水，受淋水影响顶板灰岩出现风化破碎，降低了工作面顶板的强度。15105工作面顶底板岩性如表1所示。

表1 工作面顶底板岩性

2 理论计算

2.1 15号煤层回采期间导水裂缝带高度分析

根据2010年07月开始实施的《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》，需经过理论分析验算，查明15105工作面顶板淋水来源，判定是否与四邻工作面有关，计算公式如式（1）：

式中：H1为导水裂缝带高度，m；M为采高，该面取4.5 m。

计算得出，H1为52.42 m。

2.2 13号煤层回采巷底围岩破坏垂深分析

根据2017年国家煤矿安全监察局新修订的《建筑物、水体、铁路、主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，随着13101工作面回采进行，巷道压力重新分布变化，尤其是底板出现底鼓、开裂等不同程度变化，计算公式如式（2）所示：

式中：h为巷底围岩最大破坏垂深，m；H为埋深，m，该面取185 m；α为地层倾角，取4°；L为工作面倾斜长度，m，取220 m。

代入上式计算得出h为10.998 m，取11 m。

15105工作面顶板破坏高度：Hp=H1+h

根据以上计算结果，H1为52.42 m，h为11 m

代入上式分析验算得出，15105工作面巷顶破裂垂高为63.42 m，与该面顶板至13101工作面采空区底板之间距离66.4 m的差值相近，加之15105工作面顶板局部有淋水，受淋水影响顶板灰岩出现风化破碎，大大降低了工作面顶板强度。因此，该面回采可能受13101工作面空区积水威胁，工作面生产前，需进行老空水探查疏放治理。

3 数值模拟试验

3.1 模型建立

为准确观测15105工作面开采后上覆岩层顶板围岩塑性及弹性模量变化情况，采用摩尔-库仑本构模型，根据煤层顶底板不同岩性（煤层顶底板岩石力学参数如表2所示），从上向下逐层建立。模型尺寸为270 m×155 m×138 m，模型前、后、左、右各拓展50 m，作为各边预留煤（岩）柱。通过FLAC3D模拟软件进行数据分析，得出采高为4.5 m条件下，工作面顶部导水裂缝带高度。

表2 煤层顶底板岩石力学参数

3.2 数值模拟结果分析

当模型采高为4.5 m时，工作面顶板塑性区变化图如图1所示。通过分析，工作面回采后顶部岩石逐渐趋稳，切巷前后侧顶部围岩塑性区较发育，该时导水裂隙带发育高度达到50.27 m左右，裂采比为31.9，围岩大部分出现剪裂变形，尤其是切巷中、上方围岩，大部分受到拉伸及剪切变形。通过观察分析，煤层上部直接顶被拉伸开裂，剪切破坏主要在老顶及以上围岩出现较多。通过数值模拟分析，15105工作面开采时工作面顶部导水裂缝带发育高度与分析验算数据基本一致。

图1 采高4.5 m条件下顶板塑性区

4 工程现场实践

15105工作面平均采高4.5 m，为确保工作面安全回采，在运输顺槽打3个平行观测孔进行仰孔注水并测漏，实测15105综采工作面上方导水裂缝带发育高度。随着工作面推进55 m后，在15105工作面运输顺槽内超前布置3个平行观测孔，每个观测孔间距均为15 m，钻孔编号分别为K01、K02、K03。同时，为保证采空区积水有效疏放，避免杂物堵塞钻孔，将钻孔终孔位置设计在原采空区顶板向下1.5～2 m巷道以外位置。采用履带式ZDY4000LP（S）型坑道钻机施工钻孔；钻杆直径73 mm，开孔直径94 mm，安装孔口管直径113 mm；要求下套管长度10 m，套管直径108 mm，管壁厚度5 mm，套管使用内丝加外丝对接，丝扣长度不少于100 mm；使用直径113 mm钻头扩孔11 m，每节套管缠裹棉纱使用钻机推进，下入10 m套管。在管壁与孔壁之间用封孔胶进行封孔，凝固时间30 min，套管固定牢固，套管外不得渗水、漏水，套管口安装25 kg阀门，并使用钢丝绳进行联锁加固。钻孔设计平面如图2所示，钻孔结构如图3所示，15105工作面导水裂缝带发育高度实测数据如表3所示。

图2 钻孔设计

图3 钻孔结构

表3 15105工作面导水裂缝带发育高度实测数据

据表3 15105工作面导水裂缝带实测数据，推测工作面巷顶导水裂缝带高度为53.8～55.7 m，与模拟试验及分析验算数据相差较小。结合经验公式及模拟结果，确定15105工作面导水裂缝带发育最大高度55.7 m，尚不能排除存在局部工作面回采形成的导水裂缝通道已与其上方老空积水联通，出现涌水威胁。

5 治理措施

为有效排除13101工作面采空区积水，将一台履带式ZDY4000LP（S）型坑道钻机运至15105综采工作面运输顺槽内，在该巷设计放水钻孔3个，钻孔布置参数如表5所示。开孔孔径113 mm，采用94 mm钻头施工至终孔。终孔位置到达上部13101工作面巷底以上1.5～2 m，施工期间矿地测技术人员进行现场跟班，确保治理效果。

表5 放水孔布置参数

候村煤业15采区下山泵房共安装了4台MD450-60×7型多级分段式离心水泵，水泵额定流量为500 m3/h，扬程为399 m。15采区下山泵房正常开启两台水泵，额定排水能力能达到1 000 m3/h。在15105工作面运输顺槽打放水钻孔，充分释放13101工作面老空存水，通过矿技术人员测定，15采区正常涌水量为410 m3/h，最大涌水量达到522.27 m3/h。两台MD450-60×7型多级分段式离心水泵同时运行，13101工作面老空积水共计约36 300 m3，经过225 h被排完，消除了上方13101工作面老采空区积水对下覆15105工作面回采的影响，保证了15105工作面安全顺利回采。

6 结语

通过理论分析、FLAC3D数值模拟等手段，同时通过勘探探测和钻孔进行验证，结果表明，15105工作面回采采空区顶板垮落后，顶板破断产生的导水裂缝会与上部13101工作面采空区形成联通，该面回采期间存在涌水威胁，需进一步进行探放水。矿井在15105工作面运输顺槽布置探放水钻孔对上方13101工作面采空区积水进行了释放，经225 h共排水36 300 m3，消除了采空区积水隐患，保证了15105综采工作面的安全回采。