黃 浩

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

涼水井煤礦地處榆神礦區(qū)東北部，礦井核定生產(chǎn)能力800萬噸/年，井田采用斜井開拓，綜合機械化開采，全部垮落式管理頂板。井田范圍內(nèi)可采煤層5層，分別為4-2、4-3、4-4、5-2、5-3號煤層。其中4-2、5-2號煤層為主要可采煤層，平均可采厚度5.52 m。設(shè)計為二個水平，其中3-1、4-2煤劃歸一水平；4-3、4-4、5-2、5-3煤劃歸為二水平。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，目前主采延安組4-2煤層，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要充水水源為4-2煤上覆風(fēng)化基巖裂隙水。

二水平431盤區(qū)首采面為43101工作面，工作面位于421盤區(qū)42101和42102工作面下方(圖1)，工作面走向長度為1980 m，傾向?qū)挾葹?80 m。根據(jù)鉆孔資料分析，煤層埋深為103.0～145.3 m，平均埋深為124.3 m；煤層厚度為1.07～1.20 m，平均厚度為1.14 m，煤層厚度變化不大。

圖1 43101工作面平面位置圖

礦井先期開采主要集中在一水平421和422盤區(qū)。其中421盤區(qū)共設(shè)計15個工作面，已回采完14個工作面。由于4-2煤回采時間距今較久，形成采空區(qū)面積大，積水水量較大。根據(jù)地質(zhì)資料分析，礦井4-3煤與4-2煤平均間距約為22 m，間距較近，上覆采空區(qū)積水成為4-3煤回采安全的主要水害隱患。因此，如何準(zhǔn)確評估4-2煤采空區(qū)積水對4-3煤采掘活動的安全威脅，制定相應(yīng)的防治水措施成為制約礦井4-3煤未來采掘規(guī)劃的主要影響因素。

1 頂板采空區(qū)積水威脅分析

1.1 4-2煤底板破壞深度分析

(1) 理論分析

為研究工作面在回采過程中底板巖石的破壞深度，可以根據(jù)滑移線場理論進(jìn)行計算[1]。圖2為工作面底板受超前支承壓力產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)示意圖(沿煤層走向)。假設(shè)工作面超前支承壓力造成的應(yīng)力集中系數(shù)為K，冒落帶的載荷為γHm。根據(jù)彈塑性理論，底板巖體的塑性區(qū)邊界包括主動極限區(qū)Ⅰ、過渡區(qū)Ⅱ、被動極限區(qū)Ⅲ。按照塑性滑移線場理論和莫爾強度準(zhǔn)則，可以得到超前支承壓力作用下底板破壞區(qū)的最大破壞深度、破壞位置。根據(jù)力學(xué)推導(dǎo)，可得到巖體最大破壞深度h1為：

(1)

式中，φ0為底板巖體內(nèi)摩擦角；rp為工作面前方煤壁屈服寬度。

圖2 底板塑性破壞區(qū)示意圖

根據(jù)礦井實測資料，4-2煤層直接底板剪切破壞試驗的內(nèi)摩擦角ψ為39.2°，煤柱的屈服區(qū)寬度為4.6 m。將上述參數(shù)代入底板破壞帶理論公式可得，4-2煤層底板巖體最大破壞深度h1為18.9 m。

(2) 經(jīng)驗公式

經(jīng)驗公式法是一種基于大數(shù)據(jù)尋找因變量和自變量的關(guān)系的預(yù)測性手段，該方法通過調(diào)查統(tǒng)計、數(shù)值模擬以及相似物理模擬實驗等途徑獲取底板破壞深度數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析底板破壞深度與影響因素之間的規(guī)律，最后進(jìn)行底板破壞深度的預(yù)測最后進(jìn)行底板破壞深度的預(yù)測工作[2～4]。在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中提出的底板破壞深度經(jīng)驗公式是目前國內(nèi)運用較為廣泛的統(tǒng)計預(yù)測方法，給出了3種工作面底板破壞深度的統(tǒng)計計算公式：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579；h2=0.7007+0.1079L；h3=0.303L0.8

(2)

式中，h1為底板破壞深度，m；H為采深，m；α為煤層傾角；L為工作面斜長，m。

根據(jù)礦井實際情況，將工作面4-2煤工作面相關(guān)參數(shù)代入上述計算參數(shù)，得出的底板破壞深度為16.1～20.1 m。

(3) 現(xiàn)場實測

為了探查4-2煤回采擾動造成的底板破壞深度，涼水井煤礦于2015年9月在42111工作面采用“注水試驗法”測試了4-2煤底板破壞深度。共計布置6個鉆孔。均為向底板鉆進(jìn)的俯斜鉆孔，鉆孔終孔距煤層的垂直深度為14～19 m。通過對不同深度鉆孔注水量測試結(jié)果分析，確定4-2煤工作面底板的最大破壞深度在16 m左右。

綜上所述，通過理論計算確定涼水井煤礦4-2煤底板破壞深度為18.9 m；應(yīng)用經(jīng)驗公式得出的底板破壞深度為16.1～20.1 m；通過注水試驗現(xiàn)場實測底板破壞深度約為16 m。現(xiàn)場實測結(jié)果、理論計算結(jié)果和經(jīng)驗公式相近。安全起見選取最大值作為評價依據(jù)，即4-2煤開采造成的底板破壞深度為18.9 m。

1.2 4-3煤掘進(jìn)安全分析

為了分析4-2煤采空區(qū)積水對4-3煤掘進(jìn)過程中是否存在安全隱患以及其隱患程度，需要分析兩煤層間基巖厚度與采掘活動造成的巖層破壞高度之間的關(guān)系。

綜上所述，通過對4-2煤回采造成的底板破壞深度分析，最終確定涼水井煤礦4-2煤底板破壞深度為18.9 m。結(jié)合周邊礦井實際經(jīng)驗[5]，4-3煤巷道掘進(jìn)圍巖松動圈(屈服區(qū))高度為3.5 m，兩者之和為22.4 m。

統(tǒng)計勘探期間鉆孔資料，4-2煤與4-3煤層之間基巖厚度平均值為22.94 m，4-2煤底板破壞深度與4-3煤掘進(jìn)圍巖松動圈高度之和為22.4 m。繪制4-3煤掘進(jìn)期間上覆基巖的完整基巖隔水層厚度等值線圖(圖3)。

如圖3所示，在井田范圍內(nèi)4-2煤與4-3煤之間的基巖厚度相對較小，其中431盤區(qū)范圍內(nèi)4-2煤與4-3煤之間有效隔水層厚度為0～3 m。其中43101工作面位于盤區(qū)南部，其巷道掘進(jìn)期間頂板完整基巖隔水層厚度為1～2 m。由于上覆4-2煤采空區(qū)均進(jìn)行了密閉放水，正常情況下積水高度不大。因此上覆采空區(qū)積水對43101工作面巷道掘進(jìn)安全影響相對較小。為了避免小構(gòu)造、沖刷帶等異常地質(zhì)體影響，只需要按照《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求，執(zhí)行正常超前探放水工作即可保證巷道安全掘進(jìn)。

圖3 4-3煤掘進(jìn)期間完整隔水層厚度等值線圖

1.3 4-3煤回采安全分析

根據(jù)礦井勘探報告資料，井田煤系地質(zhì)及上覆基巖地層的巖性以細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主，次為中粒砂巖及泥巖，呈互層結(jié)構(gòu)體。砂巖、粉砂巖、泥巖巖樣飽和極限抗壓強度平均值在36.81～41.37 Mpa，屬于中硬巖類?！兜V區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中的中硬類巖石的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式適合本盤區(qū)情況。根據(jù)規(guī)范中推薦公式對4-3煤采動影響下導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了計算。

Hli=100M/(3.3n+3.8)+5.1

(3)

式中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；M為累計采厚，m(本區(qū)取煤層厚度)；n為煤層分層開采層數(shù)(按單層開采計算，即n=1)。

根據(jù)勘探期間鉆孔資料統(tǒng)計，計算導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為7.6～29 m?？紤]到4-2煤回采造成的底板破壞深度為18.9 m，4-2煤與4-3煤層之間基巖厚度平均值為22.94 m。因此，4-3煤回采期間導(dǎo)水裂縫帶必然溝通上覆4-2煤采空區(qū)。因此，43101工作面回采前必須對上覆采空區(qū)積水進(jìn)行超前預(yù)疏放。

2 頂板采空區(qū)積水疏放

2.1 頂板采空區(qū)積水量預(yù)計

礦井4-2煤工作面采用雙巷掘進(jìn)，工作面煤柱寬度為15 m。加之工作面回采后提前在聯(lián)巷內(nèi)施工防水密閉，正常情況下各工作面采空區(qū)積水互不聯(lián)通。根據(jù)工作面布置情況，431301工作面回采主要受頂板4-2煤42101～42102采空區(qū)積水影響。根據(jù)4-2煤采空區(qū)底板等高線分析，采空區(qū)整體呈現(xiàn)為中間高兩端低的東西向?qū)捑彵承?，兩翼傾向約2°左右。最高點位于背斜軸部(標(biāo)高為+1156 m)，最低點位于背斜兩翼(西部停采線位置標(biāo)高+1143 m、東部切眼位置標(biāo)高+1146 m)。

根據(jù)井下密閉返水孔測定的采空區(qū)積水高度，繪制42101～42102采空區(qū)積水高度等值線圖(圖4)，上覆工作面采空區(qū)推斷有8個局部低洼積水區(qū)域。除了中間區(qū)域外，其余區(qū)域均存在一定的積水，積水高度0～10 m，水平均高度約為4 m。根據(jù)等值線圈定的范圍估算，采空積水面積103751 m2。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》專家解讀中附錄A推薦公式，采空區(qū)積水量按下列公式估算：

Q=S×H×K/cosα

(4)

式中，S為采空區(qū)積水面積，m2；H為積水高度，m；K為充水系數(shù)(一般取0.25～0.5，由于采空區(qū)形成時間超過10年，取值0.25)；α為煤層傾角(取平均值3°)。經(jīng)計算，42101～42102采空區(qū)積水水量約為41.21萬m3。

表1 涼水井煤礦42101～42102采空區(qū)積水計算成果表

2.2 采空區(qū)積水疏放效果評價

431301工作面形成后，開展了頂板采空區(qū)積水超前疏放，累計施工87個疏放水鉆孔。經(jīng)過3個月時間的疏放，絕大多數(shù)鉆孔水量衰減幅度超過85%。鉆孔通過高壓膠管直接連接到排水管路，由于管道負(fù)壓以及沿程水頭損失等影響，單個疏放水鉆孔流量不穩(wěn)定，無法獲取單個鉆孔疏放水過程中的流量及壓力曲線。因此，本次從單孔水量變化、群孔水量變化以及疏放水總量等三個方面進(jìn)行頂板采空積水疏放效果評價。

(1) 單孔水量變化

87個疏放鉆孔中初始水量在5 m3/h以下的鉆孔占比為41%，初始水量在5 m3/h以上的鉆孔為59%；其中水量在50～75 m3/h的鉆孔為26%(圖5)。經(jīng)過3個月的疏放后，鉆孔水在5 m3/h以下的鉆孔占比達(dá)到了94%，水量在5 m3/h以上的鉆孔為6%，僅有6個鉆孔。疏放水鉆孔水量統(tǒng)計結(jié)果表明：431301工作面頂板采空區(qū)積水總體上疏放水效果較好。

圖5 采空區(qū)積水疏放鉆孔流量統(tǒng)計餅圖

根據(jù)6個水量在5 m3/h以上鉆孔情況，繪制其初始水量、殘余水量以及衰減幅度的柱狀圖(圖6)。

如圖6所示，6個水量在5 m3/h以上的鉆孔均在Z16和Z17號鉆場。其中除了Z16-B2外，其余5個鉆孔水量衰減幅度均在70%以上。同時為了分析兩個鉆場的疏放水效果，針對Z16-4和Z17-B1號鉆孔進(jìn)行了水壓觀測，兩個鉆孔的水壓分別為0.221 MPa和0.242 MPa。結(jié)合鉆孔施工垂高分析，Z16-4和Z17-B1號鉆孔的垂高分別為22.4和22.6 m，表明采空區(qū)積水水位已經(jīng)疏放至4-2煤層底板附近，靜儲量基本疏放完成，鉆孔水量以動態(tài)補給量為主。

圖6 殘余水量較大鉆孔疏放結(jié)果對比柱狀圖

(2) 疏放水總流量變化

由于采取集水裝置管路放水，單個疏放水鉆孔流量不穩(wěn)定，無法獲取單個鉆孔疏放水過程中的流量曲線。本次通過工作面順槽排水管路流入水倉的流量來分析疏放水鉆孔總流量變化過程(圖7)。

圖7 工作面疏放鉆孔總流量變化曲線圖

如圖7所示，隨著疏放鉆孔逐步打開，431301工作面采空區(qū)積水疏放鉆孔的總流量逐漸增加，在4月29日達(dá)到峰值(295.4 m3/h)，之后逐漸衰減，在7月18日之后基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定流量為102 m3/h左右。從疏放水鉆孔流量變化來看，工作面頂板采空區(qū)積水靜儲量疏放效果良好，達(dá)到了動態(tài)平衡狀態(tài)。

(3) 疏放水總量

疏放鉆孔從2019年4月19日開始放水，截至2019年7月20日(工作面開始回采)，累計疏放水91 d。根據(jù)工作面順槽排水管路流入水倉的流量統(tǒng)計，累計疏放水量為43.5萬m3。根據(jù)3.1節(jié)中預(yù)測采空區(qū)積水總量為41.21萬m3。表明工作面頂板采空區(qū)積水靜儲量已經(jīng)疏放完全。

綜上所述，從單個鉆孔水量、疏放水鉆孔總水量以及疏放水總量等方面綜合，431301工作面頂板采空區(qū)積水疏放效果明顯，靜儲量已經(jīng)得到充分疏放，疏放水鉆孔殘余水量主要為砂巖含水層的動態(tài)補給量。且Z16和Z17號鉆場距離工作面切眼較遠(yuǎn)，經(jīng)過進(jìn)一步疏放以及工作面回采形成采空區(qū)儲水空間后，威脅較小。目前，工作面已完成安全回采，回采期間未出現(xiàn)水害險情，實踐結(jié)果表明針對頂板采空區(qū)積水水害威脅分析、防治措施制定以及疏放水效果評價是準(zhǔn)確可靠的。

3 結(jié)論

(1) 通過底板破壞深度實測結(jié)果、結(jié)合巷道掘進(jìn)塑性區(qū)計算以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)計，分析了4-3煤層頂板采空積水的威脅。工作面順槽掘進(jìn)威脅較小，工作面回采威脅嚴(yán)重，必須采取采前預(yù)疏放的防治水措施。

(2) 通過采空區(qū)積水水量計算，實施了井下群孔疏放采空積水的工程技術(shù)措施，并從單孔水量、群孔水量、疏放水總量三個方面分析了疏放水效果，達(dá)到了安全回采目標(biāo)。

(3) 形成了“威脅分析、水量計算、效果評價”三位一體的頂板采空區(qū)積水防治技術(shù)路線，為后續(xù)工作面開采提供防治依據(jù)。