径流带风氧化灰岩顶板水治理研究

  径流带风氧化灰岩顶板水治理研究

华志刚  ,陈永强

山西吕梁离石金晖荣泰煤业有限公司  山西 吕梁  033000

摘要：荣泰矿东北部煤层埋藏较浅，遭受剥蚀风氧化，发育一定宽度的风氧化带，

随着开采向东北部推进、煤层顶板标高的升高，风氧化情况加剧。现开采的10#煤层主要受直接顶板L1灰岩含水层水影响，含水层主要补给水源在东北方向，径流方向为从东北方向向西南方向补给，部分开采区域处于L1灰岩含水层径流带，根据以往开采经验，L1灰岩水水量为40～100m3/h。在总结以往地质及水文资料基础上，预测L1灰岩含水层的富水区域，径流方向、范围，对煤层顶板岩性进行探测，采取施工超前钻孔截流疏水措施，为采掘创造安全条件。

关键词：径流带；风氧化；顶板水治理

引言

荣泰矿东北部煤层埋藏较浅，遭受剥蚀风氧化，发育一定宽度的风氧化带。当煤层顶板标高达到+870m以上时，顶板灰岩出现变薄、风化；达到+900m 以上，顶板灰岩完全泥化；达到+920m以上，煤层厚度由2.9～3.2m变薄为1.6～1.8m。随着开采向东北部推进、煤层顶板标高的升高，风氧化情况加剧。

开采10#煤层，主要受直接顶板L1灰岩含水层水影响，含水层主要补给水源在东北方向，径流方向为从东北方向向西南方向补给，目前和今后开采区域就位于矿井东北部，部分开采区域处于L1灰岩含水层径流带。根据以往开采经验，L1灰岩水水量为40～100m3/h。

如何在遭受风氧化侵蚀的灰岩含水层径流带下安全掘进和回采，需要我们技术人员进行认真研究和探索。本项目以10120、10121、10122工作面采掘为研究对象，在总结以往地质及水文资料基础上，预测L1灰岩含水层的富水区域，径流方向、范围，对煤层顶板岩性进行探测，采取施工超前钻孔截流疏水措施，为采掘创造安全条件。

10120、10121、10122工作面位于一采区三条大巷的东南侧，平面位置如图1所示。地表为黄土山、梯田等，35KV线塔8座，无其它建筑物。地表标高为+993.7～+1117.1m，井下标高为+884.5～+925.8m。

图1  10122工作面平面位置示意图

1、主要研究内容

（1）探测分析矿井东北部区域煤层赋存情况、顶板岩性、煤层及顶板岩层风氧化程度。

（2）探测分析掘进工作面上覆顶板灰岩岩溶裂隙水、砂岩含水层孔隙、裂隙水、第四系及第三系砂砾石孔隙水等含水层补给水源、富水区域范围、径流方向。

（3）研究如何布置钻场、如何设计钻孔，超前截流，把顶板水汇聚到钻窝，减少巷道顶板淋滴水，为掘进创造条件。

（4）研究回采前及回采过程中如何控制顶板水，为生产创造条件，保证回采安全。

2、主要技术内容

（1）矿井东北部煤层赋存及风氧化程度探测

荣泰矿东北部煤层埋藏较浅，遭受剥蚀风氧化，发育一定宽度的风氧化带。当煤层顶板标高达到+870m以上时，顶板灰岩出现变薄、风化；达到+900m 以上，顶板灰岩完全泥化；达到+920m以上，煤层厚度由2.9～3.2m变薄为1.6～1.8m。随着开采向东北部推进、煤层顶板标高的升高，风氧化情况加剧。

一采区回风大巷迎头顶板取芯孔及回风措施巷掘进资料显示，回风措施巷迎头向前30m时，10#煤层厚1.2m；向前58.7m时，10#煤层厚1.0m；向前80m时，10#煤层厚0.5m（煤层变质为黑色泥岩状）。

10120、10121、10122工作面位于一采区三条大巷的东南侧，平面位置如图1所示。10120、10121工作面煤层及顶板不同程度遭受风氧化，10122工作面北部区域煤层风氧化严重，煤层厚度最薄处仅1m，向南厚度逐渐变厚到正常厚度值3.2m，但顶部0-0.7m厚度的煤层不同程度风氧化。顶板岩性参见图2。

（2）10#煤层“三带”计算

煤层大面积采空后，周围的岩层失去了平衡，在重力作用下产生变形和移动，不同地质条件和采煤技术条件，围岩的变形和移动是不同的。当使用长壁式全部垮落采煤方法开采近水平或缓倾斜煤层时，采空区上覆岩层的移动稳定后，一般形成由下往上的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。

当上覆含水层位于下位煤层开采引起的裂隙带之内时，上覆含水层水通过裂隙导入工作面影响煤层开采。

图3 回采“三带”示意图

不同倾角、不同岩性的岩层及其不同组合的覆岩，其移动规律及破坏规律是不同的。对于缓倾斜煤层，当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，垮落带最大高度Hm可按表1中的公式计算。详见《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》。

表1  垮落带高度Hm计算公式

注：∑M为累计采厚；±项为误差。

对应于不同的岩性，下位煤层开采后，上覆岩层形成的导水裂隙带高度的计算公式见表2，详见《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》。

表2  薄及中厚煤层导水断裂带高度计算公式

荣泰矿所采煤层为10#煤层：直接顶为L1灰岩，中部有黄色泥岩，常夹薄层砂质泥岩或泥岩，中硬易垮落；局部发育黑色泥岩伪顶，厚0.30m左右，结构疏松，极易破碎，多随煤层开采而冒落，给管理带来困难并增大煤的灰分。石灰岩抗压强度顶板抗压强度平均66.7MPa，抗拉强度平均3.5MPa，内摩擦角40°20´～41°55´，凝聚力系数7.4～12.8，膨胀性0.1%，普氏硬度系数6.2～6.8，属坚硬岩石，稳固性好。泥岩抗压强度抗压强度平均24.5MPa，抗拉强度平均1.0MPa，内摩擦角30°29´～37°40´，凝聚力系数3.1～6.9，膨胀性0.3%～0.7%，普氏硬度系数1.5～2.8。属软弱岩石，稳固性差。

①冒落带高度的确定

根据钻孔资料，10#煤层厚度为3.0-3.29m，取最大值3.29m计算。根据表1，10#煤层顶板为石灰岩、泥岩，属于中硬岩性，计算公式为 。

            Hm=11.86m-16.86m。

②裂隙带高度的确定

导水裂隙带的高度一般按表2中的经验公式计算。10#煤层顶板为石灰岩，为中坚岩层。

根据钻孔资料，10#煤层厚度为3.0～3.29m，取最大值3.29m计算。

按照公式计算，HL=46.41～64.21m，按照公式二计算，HL=64.42m.取大值，10号煤层采空的裂隙带高度为64.42m。

根据计算，10#煤层的上覆64.42m以内的含水层，均受10#煤层开采影响。

（3）影响10#煤层回采的主要含水层特征

开采10#煤层，主要受直接顶板L1灰岩含水层水影响。结合10118、10119、10120、10121、10122综采工作面对上覆含水层的探测与疏放，综合分析，确认了上覆含水层的地下径流方向及区域，含水层主要补给水源在东北方向，径流方向为从东北方向向西南方向补给，如图1所示，绿色线标示的区域为顶板水富水区域，绿色箭头标示顶板水径流方向，10120、10121、10122工作面部分开采区域处于L1灰岩含水层径流带。据统计，L1灰岩水水量为6～100m3/h。

（4）巷道掘进期间顶板水的治理

为治理掘进工作面顶板淋水，在各顺槽掘进巷道左侧每隔70m施工一个钻场，在钻场内设计施工五个超前放水孔，终孔位置确定在距顶板往上垂距3m、30m的位置，对顶板上覆岩溶裂隙水、第四系砂砾石含水层水进行截流疏放。详见图4。

图4巷道掘进超前探放水钻孔布置示意图

通过对各顺槽掘进工作面施工的超前探放水孔，将掘进工作面上覆3m范围内的岩溶水、23-27m范围第四系砂砾石含水层水，主动引入钻场内，在顺槽顶板上方垂向上形成一“流水通道”，阻断石灰岩及砂岩含水层水向掘进工作面迎头的补给通道，并通过在顺槽钻窝内施工的放水孔，对顶板含水层水集中截流疏放。

（5）回采前及回采过程中顶板水治理

随着顺槽下山掘进，钻窝向下山方向延伸，后路钻孔水逐步减小，工作面切眼与回风顺槽交叉口为工作面最低点，回风顺槽继续掘进20米，作为水仓，施工顶板水疏放钻孔截流顶板水，为回采创造了条件。根据各工作面底板等高线形态，施工泄水巷，把顶板水引流采空区，减少外排水量。

（6）项目施工情况

10120工作面掘进时间为2020年5月至10月，在径流带风氧化区域圈定可采煤量8.7万吨；10121工作面掘进时间为2021年4月至7月，在径流带风氧化区域圈定可采煤量9.6万吨；10122（含10123）工作面掘进时间为2021年9月至12月，在径流带风氧化区域圈定可采煤量13.8万吨。

10120、10121两个工作面已经于2021年2月至12月安全回采，在径流带风氧化区域采出煤量18.3万吨。

3、主要关键技术

（1）在回风顺槽施工顶板取芯孔，探测10#煤层顶板上覆地层岩性。

（2）根据掘进工作面顶板岩性、顶板水径流方向补给情况，合理确定钻孔参数。

（3）煤层及顶板风氧化泥化松软条件下安全高效钻探施工技术。

4、创新点

（1）改变顶板水治理以疏干为主传统思路，径流带下含水层水无法疏干，确定截流为主要治理方法。

（2）根据工作面顶板岩性、含水层位置、水径流方向补给情况，采用长短探相结合的方案。

（3）在工作面最低点布置水仓，施工钻孔截流顶板水，为回采创造条件。

（4）根据煤层底板等高线形态，施工泄水巷把涌水引流到采空区，减少外排水量。

5、社会效益

通过顶板水治理，有效减小了掘进迎头顶板淋水、消除了水害隐患、保障了安全施工，并且多回收了煤炭资源。

该项目的实施可以延长矿井服务年限，增加地区煤炭供应，对区域经济的发展做出重要贡献。有利于繁荣地方经济。增加地方税收收入，改善当地财政状况。可以为当地居民提供就业机会，有利于提高当地居民的收入水平。

该项成果可以推广到类似矿井，为类似条件下顶板水的治理提供了借鉴，具有指导意义。

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作者简介：华志刚（1979-），男，河北邯郸人，助理工程师。