姚依林

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

當(dāng)前我國(guó)煤炭供給已逐步向西北地區(qū)集中，且西北礦區(qū)開采也正逐步向深部發(fā)展[1-3]。蒙陜深部礦區(qū)采礦地質(zhì)條件較為特殊，煤層埋深普遍大于500 m，煤系地層被含水豐富且膠結(jié)程度差的白堊系地層覆蓋，無穩(wěn)定隔水層，煤層頂?shù)装遢^軟且遇水崩解，因此礦區(qū)內(nèi)多為近距離煤層群開采，為企業(yè)安全高效生產(chǎn)帶來極大影響。門克慶礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗的呼吉爾特礦區(qū)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為12 Mt/a。礦井首采區(qū)回采煤層有3 層，自上而下依次為2-1 煤、2-2 中煤和3-1 煤，煤層平均層間距約為30 m，煤層頂板賦存有多層富水性較強(qiáng)的高水壓含水層，對(duì)下伏多煤層的安全開采構(gòu)成了威脅，屬于典型的復(fù)合水體下煤層群開采問題。因此分析門克慶礦工作面充水規(guī)律，進(jìn)一步研究其工作面頂板復(fù)合水體開采疏降技術(shù)，對(duì)有效解決礦井水害威脅問題，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)有重要意義。

1 概 況

門克慶煤礦31201 工作面為3-1 煤首采工作面，工作面位于井田南部的二盤區(qū)西側(cè)，位置鄰近井田西側(cè)邊界。工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度260 m，推進(jìn)長(zhǎng)度5 680 m，上下順槽均設(shè)計(jì)為雙巷布置，如圖1 所示。工作面范圍內(nèi)3-1 煤厚4.00～6.17 m，平均煤厚4.95 m。

圖1 31201 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.31201 Face

2 工作面充水規(guī)律分析

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)與類型

井田內(nèi)覆巖巖性構(gòu)成分為砂巖類巖層和泥巖類巖層兩大類，其中砂巖類巖層包括粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖，泥巖類巖層包括砂質(zhì)泥巖和泥巖兩種。對(duì)煤層頂板以上40 m 和100 m 范圍內(nèi)的覆巖巖性構(gòu)成進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。結(jié)合上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)門克慶礦井檢孔所取巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)測(cè)試，測(cè)定3-1 煤層覆巖屬于中硬型頂板。

表1 井田內(nèi)覆巖巖性構(gòu)成Table 1 Lithology composition of overlying rocks in the well field

2.2 覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

31201 工作面范圍內(nèi)及周邊區(qū)域3-1 煤層的鉆孔揭露厚度為4.00～6.17 m，平均煤厚4.95 m，均大于3 m，因此將采用類似條件礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)類比分析法，預(yù)計(jì)首采區(qū)3-1 煤層覆巖破壞高度。據(jù)國(guó)內(nèi)類似開采條件下的覆巖破壞高度實(shí)測(cè)結(jié)果[4-7]，本著穩(wěn)妥安全的原則，選取門克慶礦首采區(qū)3-1 煤層綜采的裂采比為15，垮采比為6，預(yù)計(jì)結(jié)果如圖2所示。類比分析結(jié)果與工作面實(shí)測(cè)結(jié)果接近，最終預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為82 m，垮落帶為33 m。

圖2 門克慶煤礦31201 工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度等值線圖Fig.2 Contour map of the development height of water-conducting fracture zone at No.31201 Face of Menkeqing Mine

2.2.2 數(shù)值模擬分析

采用FLAC 數(shù)值模擬軟件，對(duì)門克慶礦3-1 煤開采過程中覆巖破壞動(dòng)態(tài)發(fā)育情況進(jìn)行分析。門克慶煤礦屬于緩傾斜煤層，因此模擬計(jì)算時(shí)按水平煤層考慮。模型傾向長(zhǎng)度為260 m，寬度為600 m，走向長(zhǎng)度為1 200 m，垂向上各巖層均按照實(shí)際厚度進(jìn)行模擬，并施加等效載荷，模型網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 覆巖破壞數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格圖Fig.3 Grid diagram of overburden damage numerical calculation model

（1） 破壞場(chǎng)分析。

圖4 為3-1 煤（采厚4.5 m） 開采后覆巖破壞場(chǎng)分布圖?？梢钥吹巾敯甯矌r破壞范圍呈現(xiàn)明顯的“馬鞍”型，其中拉伸破壞區(qū)和拉伸裂隙區(qū)發(fā)育晚于剪切破壞區(qū)，由此推斷，工作面頂板破壞首先是剪切破壞，進(jìn)而發(fā)展為拉伸破壞，最終發(fā)生斷裂、垮落。因此根據(jù)以上各破壞區(qū)域的范圍，判斷3-1煤采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為66.5 m，裂采比為14.8。

圖4 門克慶煤礦3-1 煤（采厚4.5 m）開采后覆巖破壞場(chǎng)分布圖Fig.4 Distribution of overburden damage field after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5m)in Menkeqing Mine

（2） 垂直位移場(chǎng)的分析。

圖5是門克慶煤礦3-1 煤層開采后垂直位移場(chǎng)模擬結(jié)果。由圖5 可知，煤層開采后，工作面上方覆巖下沉位移從下至上逐漸減小，沉陷范圍從下向上逐漸擴(kuò)大；底板發(fā)生較大的向上位移，即底鼓；由于受工作面回采的影響，工作面前方巖層下沉梯度明顯大于工作面后方巖層下沉梯度，巖層下沉為非對(duì)稱下沉，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，工作面前后方的下沉逐漸趨于一致。這說明隨著工作面的開采，后方的巖層逐漸壓實(shí)且趨于穩(wěn)定。

圖5 門克慶煤礦3-1 煤（采厚4.5 m） 開采后垂直位移場(chǎng)Fig.5 Vertical displacement field after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5 m)in Menkeqing Mine

（3） 最大主應(yīng)力場(chǎng)。

通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，最大主應(yīng)力等值線范圍不斷擴(kuò)大，逐漸變?yōu)閮深^高、中間低的“馬鞍”形，如圖6 所示。采空區(qū)邊緣采動(dòng)裂隙發(fā)育充分，導(dǎo)水裂縫帶在此處發(fā)育最高。在臨近煤層頂板區(qū)域主要是拉應(yīng)力區(qū)域，有微裂隙時(shí)頂板巖層拉應(yīng)力集中系數(shù)變得更大，使得該區(qū)域巖石極易垮落。

圖6 門克慶煤礦3-1 煤（采厚4.5 m） 開采后最大主應(yīng)力分布圖Fig.6 Maximum principal stress distribution after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5 m)in Menkeqing Mine

2.3 覆巖含水層導(dǎo)通性分析

煤層直接頂上方延安組含水層和直羅組底部含水層為采掘空間的直接充水水源，該地層的富水性及其與頂?shù)装搴畬娱g的水力聯(lián)系決定了工作面開采期間的涌水情況。分析工作面覆巖破壞對(duì)上覆含水層的影響，31201 工作面范圍內(nèi)覆巖含水層分布均勻，其中兩層位于覆巖破壞高度范圍內(nèi)，另一層距離采動(dòng)裂縫發(fā)育范圍較遠(yuǎn)，二者之間均為穩(wěn)定沉積的泥巖或粉砂巖，有效阻隔了二者的水力聯(lián)系。因此，對(duì)31201 工作面開采有充水影響的含水層分別位于3-1 煤頂板以上延安組上段和直羅組含水層底部的中粗砂巖含水層，如圖7 所示。

圖7 31201 工作面覆巖破壞對(duì)上覆含水層影響圖Fig.7 Influence of overburden failure on overlying aquifer in 31201 Face

3 工作面頂板復(fù)合水體疏降開采技術(shù)

3.1 疏降開采可行性分析

（1） 含水層富水性分析。

根據(jù)我國(guó)水體下壓煤開采經(jīng)驗(yàn)，工作面采前疏放水效果及疏水時(shí)間與目標(biāo)含水層的富水性、可疏性、巖性結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[8-11]。因此，從含水層富水性出發(fā)，將抽水試驗(yàn)過程中降深與涌水量的比值關(guān)系作為疏降可行性的判別標(biāo)準(zhǔn)[12]，具體結(jié)果見表2。

表2 門克慶礦井抽水試驗(yàn)降深與涌水量的比值計(jì)算Table 2 Drop depth and gushing water ratio calculation in pumping test of Menkeqing Mine

由表2 可知，各抽水試驗(yàn)成果計(jì)算所得的＞100，說明含水層比較容易疏降?？紤]到礦直接充水含水層富水性弱，且承壓含水層富水性不均一，連通性差，滲透系數(shù)低，因此對(duì)該含水層進(jìn)行提前疏放是可行的。

（2） 水層巖性特征分析。

3-1 煤層導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的巖層巖性以中、粗砂巖含水層和砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，對(duì)上述巖性巖石的物理力學(xué)及水理性質(zhì)進(jìn)行水理試驗(yàn)測(cè)試，其耐崩解系數(shù)均在98.0 ～99.5，說明地層的整體水穩(wěn)定性較好，具有較強(qiáng)的耐崩解性和抗軟化性能。而對(duì)煤系地層黏土礦物進(jìn)行的X-射線衍射分析結(jié)果表明，巖層不具有明顯的膨脹性特征，且表現(xiàn)出微弱的吸水軟化性能，據(jù)此推斷，疏水鉆孔施工后，疏水段一般不會(huì)出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象，有利于含水層水的疏放。

綜合上述，門克慶煤礦首采區(qū)的直接充水含水層易于疏降，且該含水層的層間泥質(zhì)巖類水穩(wěn)定性好，一般不會(huì)發(fā)生塌孔堵孔事故，有利于含水層的安全高效疏放。

3.2 工作面采前疏放水流場(chǎng)分析

3.2.1 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

根據(jù)礦井勘探及水文補(bǔ)勘過程中的鉆孔柱狀圖、含水層抽水試驗(yàn)成果以及各地層的水文地質(zhì)條件，建立礦井的三維地質(zhì)模型，模型平面范圍為井田范圍，垂向上自3-1 煤底板起直至地表，依地層巖性和沉積次序共劃為11 類65 層，建模過程共統(tǒng)計(jì)了井田范圍內(nèi)的65 個(gè)鉆孔，如圖8 所示。首采區(qū)三維地質(zhì)模型如圖9、圖10 所示。

圖8 井田鉆孔柱狀圖Fig.8 Borehole histogram of the minefield

圖9 門克慶煤礦三維地質(zhì)圖Fig.9 Three-dimensional geological map of Menkeqing Mine

圖10 3-1 煤與頂板砂巖含水層分布立體圖Fig.10 Three-dimensional map of No.3-1 coal and roof sandstone aquifer distribution

3.2.2 采前疏降流場(chǎng)分析

應(yīng)用均勻布井法對(duì)31201 首采工作面采前疏放水流場(chǎng)進(jìn)行分析，考慮到工作面切眼附近的煤層底板標(biāo)高處于+620—+630 m，煤層厚度為5 m，因此實(shí)際疏降的目標(biāo)水位應(yīng)控制在+730 m 左右。本次計(jì)算根據(jù)單孔出水能力選取5 種不同疏水量的采前疏水方案，結(jié)果見表3，如圖11～圖15 所示。

表3 采前疏水方案與疏水計(jì)算結(jié)果Table 3 Pre-extraction hydrophobic scheme and hydrophobic calculation results

圖11 采前疏水流場(chǎng)分布圖（方案Ⅰ：疏水量360 m3/h）Fig.11 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅰ:evacuation volume 360 m3/h)

圖12 采前疏水流場(chǎng)分布圖（方案Ⅱ：疏水量480 m3/h）Fig.12 Distribution of pre-mining evacuation water field(option II:evacuation volume 480 m3/h)

圖13 采前疏水流場(chǎng)分布圖（方案Ⅲ：疏水量600 m3/h）Fig.13 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅲ:evacuation volume 600 m3/h)

圖14 采前疏水流場(chǎng)分布圖（方案Ⅳ：疏水量720 m3/h）Fig.14 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅳ:evacuation volume 720 m3/h)

圖15 采前疏水流場(chǎng)分布圖（方案Ⅴ：疏水量960 m3/h）Fig.15 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅴ:evacuation volume 960 m3/h)

分析結(jié)果可知，通過采前疏放水使31201 工作面切眼200 m 范圍、采動(dòng)裂隙發(fā)育高度范圍內(nèi)的含水層水位降至設(shè)計(jì)水位（+730 m） 是可行的。多方案對(duì)比可知，通過增加單位時(shí)間的疏水量，可以顯著縮短疏水時(shí)長(zhǎng)，但整體時(shí)長(zhǎng)并非線性縮減，這是因?yàn)殡S著疏水量增大，相應(yīng)的側(cè)向補(bǔ)給量也會(huì)增大，導(dǎo)致地下水流場(chǎng)失衡，這一結(jié)果符合地下水流場(chǎng)的一般規(guī)律。

4 結(jié) 論

（1） 通過分析3-1 煤層頂板覆巖巖性結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能，得出門克慶煤礦煤層覆巖巖性以砂巖類巖層為主，覆巖均屬于中硬類型。

（2） 通過運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)類比分析法、數(shù)值模擬方法對(duì)礦井首采煤層開采的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，結(jié)果表明，3-1 煤層的覆巖破壞高度可以按照裂采比15、垮采比6 進(jìn)行預(yù)計(jì)。

（3） 從含水層富水性和含水層巖性特征兩個(gè)方面評(píng)價(jià)直接充水含水層的可疏性，同時(shí)通過三維地質(zhì)建模，根據(jù)單孔出水能力選取5 種不同疏水量的采前疏水方案，對(duì)工作面采前疏放水流場(chǎng)進(jìn)行分析，得出通過采前鉆孔疏放水使31201 工作面初采區(qū)域采動(dòng)裂隙發(fā)育高度范圍內(nèi)的含水層水位降至設(shè)計(jì)值是可行的。