近距離煤層采空區(qū)水害探測與防治

劉治國

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

近距離煤層采空區(qū)水害探測與防治

劉治國1，2

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

近距離煤層開采時采空區(qū)積水是下煤層開采的安全隱患。通過突水水源、采動裂隙發(fā)育特征及其與采空區(qū)的連通性分析，以地質條件綜合分析為基礎，采用物探與鉆探相結合的探放水方法，查明了上煤層采空區(qū)積水范圍，疏放了采空區(qū)靜儲量積水，排除了下煤層開采的安全隱患。

采空區(qū)積水，采動裂隙，礦井瞬變電磁，疏放水

煤礦水害事故是我國煤礦主要災害之一，而采空區(qū)突水事故占85%左右，是煤礦企業(yè)重點防范的透水災害。采空區(qū)水害多分布于小窯、多水平開采礦井以及改制和部分新建礦井，具有瞬時突發(fā)性、沖擊力強、破壞性大等特點，突水點作業(yè)人員避災困難，往往造成重大人員傷亡和經濟損失[1]。

近距離煤層下行開采時，往往面臨上部采空區(qū)積水的威脅，并且由于煤層間距小，上層煤采空區(qū)積水極易通過構造破碎帶、采動裂隙、封孔不良鉆孔等導水通道進入下層煤掘進、回采工作面[2-7]。下層煤掘、采前，應全面分析礦井或采區(qū)的水文地質以及開采條件，分析礦井地測資料，結合地球物理探測、鉆探等手段，分析可能的積水區(qū)分布情況，劃分積水線，預計積水量，最終通過探放水鉆孔驗證、排除隱患。以榆神礦區(qū)黑龍溝煤礦防治采空區(qū)積水為例，證明基于水文地質條件分析、水情綜合探測、水情信息監(jiān)測的系統(tǒng)性防治采空區(qū)水害方法的有效性。

1 地質采礦條件

黑龍溝煤礦主要開采侏羅系延安組2-2煤和3-1煤層，屬近水平煤層，傾角1°，其中2-2煤埋深約150m，厚4.11～6.85m，平均5.36m，3-1煤厚2.59～3.12m，平均2.84m。2-2煤與3-1煤間距為27.51～40.04m，平均32.94m，屬近距離煤層開采。礦井采用綜采一次采全高開采方法，全部垮落法控制頂板。

21301工作面為3-1煤層首采工作面，工作面長300m，推進長度1470m，該面上部為2-2煤層11201和11202采空區(qū)，工作面長240m，與3-1煤工作面重疊布置(圖1)。

2 煤層開采充水水源

2-2煤層頂板賦存的含水層主要有侏羅系延安組孔隙裂隙承壓水含水層、直羅組基巖風化帶含水層和新生界松散層孔隙潛水含水層，其中煤層頂板延安組含水層富水性弱，雖然為礦井的直接充水含水層，但涌水強度不大，不對礦井構成威脅；直羅組風化帶含水層富水性中等，間接補給煤層直接頂板延安組含水層，是礦井主要防范的富水含水層；新生界孔隙潛水含水層具有垂向分帶性，下部含水層富水性略弱，上部薩拉烏蘇組含水層富水中等，礦井開采實踐證明，該含水層水未曾進入礦井，是礦井的間接充水水源。

圖1 21301，11201，11202工作面疊置關系

煤層開采后，覆巖發(fā)生破斷失穩(wěn)，采動裂縫向上發(fā)展，形成垮落帶和裂縫帶，合稱導水裂縫帶，位于導水裂縫帶范圍內的含水層將通過采動裂縫向采掘空間充水，成為采空區(qū)積水的直接補給水源，同時，與直接充水含水層有水力聯(lián)系的其他含水層也將對采掘空間形成間接補給。2-2煤層開采后，導水裂縫帶將導通煤層頂板含水層，含水層對采空區(qū)的動態(tài)補給量為260m3/h，2-2煤層頂板水積聚在采空區(qū)形成3-1煤層開采的安全隱患。

3 采動裂隙發(fā)育特征及其與采空區(qū)的連通性

3.1 導水通道與采動裂隙發(fā)育特征分析

礦井水害的充水通道主要分為天然導水通道和人為導水通道，天然導水通道有地層原生的孔隙裂隙、沖蝕帶、地下溶洞以及斷層、陷落柱等構造破碎帶；人為導水通道主要有封閉不良鉆孔、采動裂隙、老井筒和巷道等[8]。該區(qū)域含煤地層產狀近于水平，沿走向、傾向的產狀變化不大，無較大的波狀起伏、褶皺及斷層，無巖漿活動，構造簡單，基本排除了構造導水的可能性。礦井不存在封閉不良的鉆孔、廢棄井巷。因此，3-1煤層回采后，采動裂隙是2-2煤層采空區(qū)積水進入下層煤的主要過水通道。

我國陜北侏羅系煤田煤層厚、開采強度大，加之地層時代新，多分布有弱膠結巖層，形成了原生裂隙發(fā)育，抵抗采動影響能力弱的地質特征[9-10]。通過對該區(qū)隆德煤礦覆巖破壞高度的實測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)中硬覆巖條件下采動破壞高度數值相較于東部礦區(qū)大，即當采厚4m時，實測垮采比3.83～6.88，裂采比18.1～19.41；采動裂隙在弱膠結巖層中發(fā)育更充分(圖2)，裂隙連通性好，垮落帶向上發(fā)育延展性好，垮落帶中上部形成較多大的裂隙、孔洞(圖3)。因此，該區(qū)采動裂隙發(fā)育，且具有良好的導水能力。

圖3 垮落帶中上部分布的裂隙-孔洞

3.2 下層煤開采與上覆采空區(qū)連通性分析

黑龍溝3-1煤層平均采高為2.8m，依照實測的垮采比和裂采比計算，下層煤開采形成的垮落帶為10.72～19.26m，導水裂縫帶為50.68～54.35m。由于2-2煤采空區(qū)與3-1煤平均間距僅32.94m，故3-1煤開采形成的導水裂縫帶直接連通了2-2煤層采空區(qū)，且垮落充分、裂隙過水能力強。

4 采空積水區(qū)綜合探測與疏放

4.1 礦井瞬變電磁富水區(qū)探測

針對21301工作面與上覆采空區(qū)的空間布置關系，在21301工作面回風巷布置2個探測方向(豎直方向、向工作面內仰角45°方向)、運輸巷布置3個探測方向(豎直方向、向工作面內仰角45°方向、向工作面外仰角45°方向)，在切眼處布置2個探測方向(豎直方向、向工作面內仰角45°方向)，測點間距10m，控制巷道及工作面頂板巖層富水范圍。21301工作面礦井瞬變電磁頂板探測范圍如圖4所示。

圖4 21301工作面礦井瞬變電磁探測示意

根據低阻區(qū)的圈定范圍，把各方向相對富水區(qū)按不同層位投影到2-2煤采掘平面圖上，以高度40m視電阻率水平切片為主進行解釋，地質解釋成果如圖5所示。探測成果顯示，21301工作面頂板上覆2-2煤采空區(qū)富水性相對較強，回風巷上方富水性較運輸巷上方富水性強，回風巷上方距切眼0～89，220～391，720～970，1230～1330m區(qū)段富水性相對較強。探測結果與2-2煤底板起伏形態(tài)基本一致，從異?？臻g位置來看，連通性較好。

4.2 鉆孔探放水

煤礦探放水工作是礦井防治水工作的重要環(huán)節(jié)，而鉆探方法是驗證物探成果的最直接、有效的方法，最終利用鉆孔將水體安全放出。為徹底消除2-2煤采空區(qū)積水對21301工作面開采的安全威脅，必須將頂板采空區(qū)積水靜儲量基本疏干后方可確保21301工作面的安全開采。根據21301工作面與上覆采空區(qū)積水的空間位置關系，在井下施工仰上鉆孔對采空區(qū)積水進行探放是最有效的疏干方法。為此，在21301工作面兩巷、切眼對疑似積水區(qū)施工了29個仰上探放水鉆孔，累計進尺1743m，查明了21301工作面上部采空區(qū)的主要積水區(qū)位置，通過鉆孔的初始涌水量和持續(xù)時間的監(jiān)測，分析了積水區(qū)的富水程度。

圖5 21301工作面頂板2-2煤層采空區(qū)含水性礦井瞬變電磁法探測成果平面

5 采空區(qū)水害治理效果

5.1 采空區(qū)積水量預計

根據2-2煤綜采工作面采空區(qū)出水情況，采空區(qū)積水疏放時需要考慮積水的靜儲量和動態(tài)補給量，動態(tài)補給量的存在要求有足夠高的疏降強度，靜儲量基本疏干后方可開采。根據2-2煤層專用排水巷的區(qū)段聯(lián)巷出水情況和2-2煤底板標高，預計4號聯(lián)巷位置積水深度3m，8號聯(lián)巷位置積水深度5m，考慮最不利情況，可認為工作面范圍均有積水，據此分2段計算2-2煤層采空區(qū)積水量。

式中，K為采空區(qū)充水系數，一般取0.3～0.5，本次計算取0.3；S為采空區(qū)積水面積，經測量積水面積分別為145000m2和71000m2；H為采空區(qū)積水水頭高度，分別取最大值5m和3m；α為煤層傾角(°)，本區(qū)煤層傾角0～1°，取1°。

帶入公式，求得5m積水區(qū)域積水量為65260 m3，3m積水區(qū)域積水量為32000m3，采空區(qū)總積水靜儲量W=97260m3。因此，采空區(qū)積水靜儲量約1×105m3。

5.2 疏放效果

施工的29個探放水鉆孔中，17個鉆孔成功捕捉到采空積水區(qū)，出水量較大，其他鉆孔出水量極小或無水，從而排除了疑似積水區(qū)。疏放水1個月，鉆孔放水量近1.4×105m3，疏放了采空區(qū)主要的靜儲量積水。以21301工作面主運巷ZY1-1鉆孔為例，初始涌水量和水壓分別為48m3/h和0.38MPa，疏放30d后，涌水量最小僅5m3/h，水壓表顯示處于無壓狀態(tài)(圖6)。

圖6 ZY1-1鉆孔疏放水效果動態(tài)曲線

ZY1-1鉆孔疏放水效果的動態(tài)曲線反映了處理采空區(qū)積水的階段性：第一階段(第1～7d)為降壓階段，將初始水壓0.38MPa降至0.34MPa，孔口水頭壓力基本上等于煤層垂直間距，即采空區(qū)水位基本上降至2-2煤層底板，基本上疏排了該積水區(qū)的靜儲量；第二階段(第8～30d)為無壓疏排階段，該階段鉆孔涌水未達到滿管狀態(tài)，壓力表顯示為無壓疏放狀態(tài)，該階段疏排的積水大部分為采空區(qū)的動補給量。在鉆孔疏排過程中，鉆孔涌水量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，最終穩(wěn)定在5～8m3/h。

通過鉆孔的有效疏放，消除了21301工作面上部采空區(qū)積水的威脅，工作面實現(xiàn)了采空區(qū)水體下的安全回采。

6 結 論

(1)采空區(qū)水源一般來自于頂板水體，頂板水體的富水特征決定了采空區(qū)水量，特別是動態(tài)補給量的大小。榆神礦區(qū)黑龍溝煤礦采空區(qū)主要補給水源為頂板砂巖、基巖風化帶孔隙-裂隙含水層，補給量穩(wěn)定。

(2)該區(qū)煤層開采后實測裂采比18.1～19.41，3-1煤層開采形成的導水裂縫帶高度為50.68～54.35m，導通了上覆2-2煤層采空區(qū)，采動裂隙發(fā)育充分，裂隙連通性較好。

(3)實踐證明，近距離煤層采空區(qū)水害可通過“水文地質條件分析+物探先行+鉆孔探放”綜合防治方法進行有效防治。

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[責任編輯：張玉軍]

Exploration and Prevention of Goaf Water of Contiguous Coal Seams

LIU Zhi-guo1.2

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Goaf water was potential safety hazard of lower coal seam mining in contiguous coal seams，and connectivity between water inrush resource，mining fractures development character and goaf was analyzed，it taking geological situation synthesis analysis as base，water detection and release method with geophysical prospecting and drilling was applied，goaf water scope of upper coal seam was identified,goaf water was drained，and potential safety hazard of lower coal seam mining was excluded.

goaf water；mining fractures；mine transient electromagnetic method；water draining

2017-02-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.023

國家科技重大專項大型油氣田開發(fā)項目(2016ZX05045007-003)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金面上項目(2016MS011)；天地科技“公司研發(fā)項目”開采生產力轉化基金(KJ-2015-TDKC-04)

劉治國(1978-)，男，河北來源人，博士，副研究員，主要從事“三下一上”采煤研究工作。

劉治國.近距離煤層采空區(qū)水害探測與防治[J].煤礦開采，2017，22(4)：90-93.

TD745

A

1006-6225(2017)04-0090-04