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上行開采裂隙水害研究與防治

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大興礦　　徐忠軍 羅廣利

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摘 ?要 ?本文以上行開采“三帶”劃分理論為指導(dǎo)，結(jié)合大興礦北一采區(qū)2_-3煤層上行開采裂隙水害實(shí)際，深入分析了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，實(shí)施探放水措施，取得了較好效果。

關(guān)健詞 ?上行開采、裂隙水害、防治

上行開采自下而上的反常規(guī)開采方式，在資源萎縮礦區(qū)殘復(fù)采和開采下保護(hù)層中得以應(yīng)用。作為一種非常規(guī)的施工順序，下覆煤層開采后必將引起上覆煤（巖）層的垮落、開裂、下沉變形，從而改變上覆煤（巖）結(jié)構(gòu)，造成圍巖裂隙異常發(fā)育。井下水體與裂隙導(dǎo)通形成裂隙水，裂隙成為礦井充水最重要的通道。裂隙水大量聚集，使得弱含水巖體變成富水巖體,給采掘生產(chǎn)帶來極大的安全隱患，且這種危害的隱敝性較大。

上行開采在殘復(fù)采和開采下保護(hù)層中應(yīng)用，上行開采在導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶裂隙較發(fā)育，尤其在下沉邊緣可能存在裂隙異常區(qū)，有裂隙水害危險(xiǎn)。裂隙水害防治要根據(jù)“三帶”理論加以科學(xué)分析，采用物探和鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行探測(cè)，采取針對(duì)性防治措施。

1上行開采裂隙水害分析

1.1上行開采“三帶”的劃分

采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生垮落、斷裂、彎曲下沉，由下而上依次為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，簡(jiǎn)稱“三帶”，如圖1所示。

上覆煤層如果位于下覆采空區(qū)垮落帶內(nèi)，煤層的結(jié)構(gòu)將遭到嚴(yán)重破壞，無法進(jìn)行開采。只有上覆煤層位于下覆采空區(qū)的裂隙帶或彎曲下沉帶上開采才可以進(jìn)行。所以上行開采生產(chǎn)過程中將裂隙帶、彎曲下沉帶形成的裂隙水害作為研究與防治的重點(diǎn)。

圖1 ?煤層開采后上覆巖層“三帶”分布

裂隙一般集中發(fā)育在裂隙帶中，彎曲下沉帶也有少量發(fā)育，裂隙分為兩種：一種是垂直或斜交巖層的新生張裂隙也叫縱向裂隙，它可能部分或全部穿過巖層。另外一種是沿層面的離層裂隙，也叫橫向裂隙。兩種裂隙相互連通，使水體能向下滲透，因此又將裂隙帶叫做導(dǎo)水裂隙帶。彎曲下沉帶巖層以整體變形為主，當(dāng)以較軟巖層為主時(shí)，巖層表現(xiàn)為整體斷裂下沉，裂隙微小，數(shù)量較少，裂隙間連通不好，導(dǎo)水能力微弱。當(dāng)軟弱巖層上覆直接為堅(jiān)硬巖層時(shí)，軟硬巖層下沉量明顯不一致，造成軟硬巖層間出現(xiàn)離層空間，具備了一定的蓄水能力。

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2 實(shí)例分析

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2.1地質(zhì)概況

大興礦北一采區(qū)位于井田的北部，總體為一單斜構(gòu)造，南北高東西低，南側(cè)較陡最大達(dá)到18^??，東西側(cè)和北側(cè)較緩，一般為7^??。

煤層特征表現(xiàn)為泥炭沼澤相，湖濱相、湖泊相組成。煤層層次明顯，層間距清晰、厚度穩(wěn)定，以復(fù)合煤層為主，自然分層較多，其夾石以泥巖，粉砂巖為主。2_-3煤層煤厚一般為1.8m，下覆4-2、7_-2煤層大部分已回采。2_-3煤層頂?shù)装迩闆r: 直接頂巖性以泥巖、薄煤層和粉砂巖為主，灰色，局部夾細(xì)砂巖，厚度一般為3.7m。老頂巖性以中砂巖、泥巖、薄煤層和粉砂巖為主，灰色，厚度一般在5.0m以上。底板巖性以粉砂巖為主，灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，夾煤線，厚度一般為1.4m。

北一采區(qū)已開采煤層3層，自下而上分別為7_-2煤、4_-2煤、2_-3煤，4_-2煤層平均厚度為2. 8m， 7_-2煤層平均厚度為4m。2-3煤層與4_-2煤層間距在38～70m之間，一般為45m。4_-2煤層與7_-2煤層間距在45～70m之間，一般為52m。

本區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層老頂粗砂巖、中砂巖為微弱直接充水含水層，含有孔隙水、裂隙水。

2.2導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

根據(jù)大興煤礦北二705綜采面垮落帶高度探測(cè)結(jié)果，垮落帶高度為采高的6.21～6.44倍。北一七層工作面采高為4 m，參考實(shí)測(cè)結(jié)果其垮落帶高度為24.84～25.76 m。

根據(jù)“三下”開采規(guī)程，上、下兩煤層的最小垂距大于回采下煤層的垮落帶高度時(shí)，上、下煤層的導(dǎo)水裂隙帶最大高度可按上、下層煤的厚度分別計(jì)算。4_-2煤層與7_-2煤層間距為52m，大于7_-2煤層的垮落帶最大高度25.76 m。4_-2煤層頂板為中硬巖層，故其導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式如下：

????????????????????????（1）

?????????????????????????????（2）

式中 ?—厚煤層分層開采的累計(jì)采厚，m。

利用式（1）（2）分別進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算，其結(jié)果為40.25m和43.47m。

根據(jù)2008年大興煤礦北二705綜采面導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)結(jié)果，導(dǎo)水裂隙帶高度為采高的17.03～19.45倍。北一4_-2煤層工作面采高為2.8 m，參考實(shí)測(cè)結(jié)果其導(dǎo)水裂隙帶高度為47.68～54.46 m。

取上述導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算最大值作為預(yù)計(jì)值，即54.56m。根據(jù)本采區(qū)煤層間距分析可知，2_-3煤層處在4_-2煤層開采的裂隙帶頂部或彎曲下沉帶底部，且裂隙帶與2_-3煤層頂板含水層相連通，使得本區(qū)域水文地質(zhì)條件變得復(fù)雜。

2.3上行開采工作面裂隙水害影響情況

大興煤礦現(xiàn)有上行開采工作面4個(gè)，其中2個(gè)已回采完畢，1個(gè)正在回采，1個(gè)正在掘進(jìn)施工。具體情況如附表：

附表 ?上行開采工作面裂隙水害實(shí)見情況分析

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上覆2-3煤層		下覆4-2煤層		上、下覆生產(chǎn)間隔時(shí)間	裂隙水害情況
工作面	采掘情況及時(shí)間	工作面	結(jié)束時(shí)間
N1E201	采完（2013年）	N1E401	2002年	11年	裂隙水、局部淋水
N1E202	采完（2015年）	N1E402	2001年	14年	裂隙水、局部淋水
N1201	正回采中 （2019年）	N1403	1993年	26年	裂隙水、局部淋水、打鉆涌水20m3/h,水量小
		N1405	1995年	24年
N1202	掘進(jìn)（2019年）	N1402	1994年	25年	裂隙水、局部淋水、打鉆涌水30m3/h,總量4800 m3
		N1406	2017年	2年（暫未涉及）

由附表可以看出，上覆2_-3煤層頂板雖為微弱含水層，但受下覆回采影響，2_-3煤層及其頂?shù)装辶严栋l(fā)育，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的滲透、匯聚，局部煤（巖）體成為了富水體。這種后期形成的富水區(qū)極具隱敝性，極易給采、掘活動(dòng)造成影響，甚至危及安全生產(chǎn)。

3 采、掘生產(chǎn)過程中裂隙水害防治

采、掘生產(chǎn)過程中水害防治主要是探、放工作，利用科學(xué)手段加強(qiáng)分析做到探放結(jié)合。上行開采回采工作面主要受工作面上方巖體中裂隙水影響，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)論，2_-3煤層頂板處在下覆采空區(qū)的彎曲下沉帶中，裂隙較少，可能存在軟硬巖層下沉不均造成形態(tài)改變、局部離層，尤其是煤(巖)體形態(tài)發(fā)生改變區(qū)域，易形成離層富水區(qū)。如圖2，N₁201由于受N₁405、N₁701重復(fù)采動(dòng)影響，采空區(qū)疊加區(qū)上方煤（巖）體變形加大，上部較硬的砂巖與下部的粉砂、泥巖、薄煤線下沉量明顯不一致，形成局部離層，造成2_-3煤層與下覆煤（巖）層形態(tài)明顯不一致。所以，防治頂板的離層水是采煤工作面的重點(diǎn)。

圖2 ?N₁201采煤工作面探放離層水示意圖

首先采用瞬變電磁儀對(duì)上部巖體進(jìn)行探測(cè)，然后采用鉆探方式對(duì)富水區(qū)進(jìn)行探放。N₁201工作面開采前，通過物探手段共探測(cè)到富水區(qū)5處，采用鉆探探放5處，共有3處放出水積水85 m³，最大涌水量達(dá)20m³/h，短時(shí)間衰減，總量較小。

根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)論，2_-3煤層掘進(jìn)工作面處在下覆采空區(qū)裂隙帶上部、變曲下沉帶的底部，是裂隙水害防治的重點(diǎn)。如圖3，大興煤礦N₁202運(yùn)順在掘進(jìn)到72m時(shí)，工作面打超前探孔61m時(shí)出水，正常涌水量15m³/h最大涌水量達(dá)40m³/h，持續(xù)13天，總量達(dá)4830m³。通過瞬變電磁儀對(duì)前方、上部巖體進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證，在工作面前方40～60m，上方40～60m區(qū)域存在富水異常帶。此涌水區(qū)位于下覆采空區(qū)下沉邊緣，煤（巖）體下沉極不均勻，離層裂隙發(fā)育較好，與縱向的裂隙相互連通，形成裂隙發(fā)育異常帶，具備了導(dǎo)水和蓄水能力。加之，該區(qū)域位于北一采區(qū)單斜構(gòu)造的較低處，含水層水經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的滲透、聚集到裂隙中，在此區(qū)域形成富水異常帶，所以前方和頂板裂隙水是掘進(jìn)工作面水害防治重點(diǎn)。如圖3所示，通過向工作面前方、上方打鉆，對(duì)裂隙水進(jìn)行探放，確保了安全生產(chǎn)。

圖3 ?N₁202運(yùn)順掘進(jìn)工作面探放裂隙水示意圖

4結(jié) ?論

（1）上行開采方式造成水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單地區(qū)的異?；?、復(fù)雜化。

（2）上行開采在導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶裂隙較發(fā)育，尤其在下沉邊緣可能存在裂隙異常區(qū)，有裂隙水害危險(xiǎn)。

（3）回采工作面受上方離層水影響，在地層形態(tài)發(fā)生變化區(qū)域可能性較大；掘進(jìn)工作面受前方和上部裂隙水害影響，存在裂隙發(fā)育異常區(qū)，水害風(fēng)險(xiǎn)較大。

（4）裂隙水害防治要根據(jù)“三帶”理論加以科學(xué)分析，采用物探和鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行探測(cè)。

第一作者簡(jiǎn)介：徐忠軍（1974-），男，高級(jí)工程師。1996年畢業(yè)于遼源煤炭工業(yè)學(xué)校地質(zhì)與測(cè)量專業(yè)，現(xiàn)任大興煤礦工程地測(cè)大隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)。曾發(fā)表論文6篇。聯(lián)系電話：15104102517。